JP4007737B2 - 半導体素子 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、III −Ｖ族窒化物系半導体（以下、窒化物系半導体と呼ぶ）からなる化合物半導体層を有する半導体素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、窒化物系半導体発光素子、窒化物系半導体電子素子等の窒化物系半導体素子の研究が進められている。このような窒化物系半導体素子においては、ホウ素、アルミニウム、ガリウムおよびインジウムの少なくとも１つを含む窒化物系半導体から各層が構成される。
【０００３】
図１０は従来のＧａＮ系半導体レーザ素子の例を示す断面図である。
図１０に示すように、半導体レーザ素子４００においては、サファイア基板６３のＣ面上に、アンドープのＡｌＧａＮからなる低温バッファ層６４、ｎ−ＧａＮコンタクト層６５、ｎ−ＡｌＧａＮ光クラッド層６６、ｎ−ＧａＮ光ガイド層６７、ＩｎＧａＮからなる発光層６８、ｐ−ＡｌＧａＮ層６９、ｐ−ＧａＮ光ガイド層７０、ｐ−ＡｌＧａＮ光クラッド層７１およびｐ−ＧａＮコンタクト層７２が順に形成されている。
【０００４】
ｐ−ＧａＮコンタクト層７２からｎ−ＧａＮコンタクト層６５までの一部領域がエッチングされてｎ−ＧａＮコンタクト層６５が露出している。この露出したｎ−ＧａＮコンタクト層６５上にｎ電極８０がオーミック接触している。また、ｐ−ＧａＮコンタクト層７２にｐ電極８１がオーミック接触している。ｐ−ＧａＮコンタクト層７２上面およびｎ−ＧａＮコンタクト層６５上面の所定領域と、各層６５〜７２の側面とが絶縁膜８３により被覆されている。
【０００５】
このような半導体レーザ素子４００が発生する光の波長は、発光層６８の有するバンドギャップの大きさにより決まる。発光層６８の有するバンドギャップが小さいほど、半導体レーザ素子４００は波長の長い光を発生する。一方、発光層６８の有するバンドギャップが大きいほど、半導体レーザ素子４００は波長の短い光を発生する。
【０００６】
半導体レーザ素子４００の発光層６８はＩｎＧａＮから構成される。ここで、インジウムはガリウムに比べて原子半径が大きい。したがって、発光層６８におけるインジウムの組成が低いほど発光層６８のバンドギャップが大きくなり、波長の短い光を発生可能となる。一方、発光層６８におけるインジウムの組成が高いほど発光層６８のバンドギャップが小さくなり、波長の長い光を発生可能となる。このように、発光層６８におけるインジウムの組成を変えることにより、半導体レーザ素子４００の発生する光の波長を変えることができる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
半導体レーザ素子４００の実用化の上では、半導体レーザ素子４００が発生する光の波長の自由度が大きいことが望まれる。すなわち、短波長側から長波長側にわたる広い範囲内において所望の波長の光を発生できる半導体レーザ素子４００を作製できることが望まれる。
【０００８】
しかしながら、発光層６８におけるインジウムの組成の増加に伴って発光層６８の結晶性が悪くなり、結晶成長が困難となる。このため、発光層６８においては、インジウムの組成をある程度以上高くすることができない。したがって、発光層６８の実現可能なバンドギャップの大きさの下限は約１．８ｅＶであり、これ以上バンドギャップの大きさを小さくすることは困難である。このため、半導体レーザ素子４００は、約６９０ｎｍよりも長い波長の光を発生することができない。このように、半導体レーザ素子４００においては、発光層６８のバンドギャップの大きさの実現可能な範囲が狭いため、発生可能な光の波長の範囲が制限されて狭くなる。
【０００９】
また、半導体レーザ素子４００においては、ｎ電極８０のフェルミ準位とｎ−ＧａＮコンタクト層６５の伝導帯下端とのエネルギー差が大きく、ｎ電極８０とｎ−ＧａＮコンタクト層６５との界面のエネルギー障壁が大きくなる。また、ｐ電極８１のフェルミ準位とｐ−ＧａＮコンタクト層７２の価電子帯上端とのエネルギー差が大きく、ｐ電極８１とｐ−ＧａＮコンタクト層７２との界面でのエネルギー障壁が大きくなる。このため、ｎ電極８０とｎ−ＧａＮコンタクト層６５との接触抵抗、およびｐ電極８１とｐ−ＧａＮコンタクト層７２との接触抵抗が大きくなる。ｎ電極８０とｎ−ＧａＮコンタクト層６５との接触抵抗およびｐ電極８１とｐ−ＧａＮコンタクト層７２との接触抵抗の低減を図ってより良好なオーミック接触を実現させ、半導体レーザ素子４００の動作電圧の低減を図ることが望まれる。
【００１０】
さらに、半導体レーザ素子４００においては、発光効率の向上を図るため、ｎ−ＡｌＧａＮ光クラッド層６６およびｐ−ＡｌＧａＮ光クラッド層７１におけるアルミニウムの組成を高くして発光層６８とのバンドギャップの差を大きくすることにより発光層６８において充分なキャリアの閉じ込めを行うことが望まれる。しかしながら、アルミニウムの組成の増加に伴いｎ−ＡｌＧａＮ光クラッド層６６およびｐ−ＡｌＧａＮ光クラッド層７１においてクラックが発生しやすくなる。このようなクラックの発生は半導体レーザ素子４００の信頼性の低下を招くため、ｎ−ＡｌＧａＮ光クラッド層６６およびｐ−ＡｌＧａＮ光クラッド層７１においてはアルミニウムの組成を高くすることが困難である。
【００１１】
【００１２】
本発明の目的は、実現可能なバンドギャップの大きさが広範囲にわたる活性層を有する半導体素子を提供することである。
【００１３】
本発明のさらに他の目的は、窒化物系半導体層とオーミック電極との接触抵抗が低減されて動作電圧の低減が図られた半導体素子を提供することである。
【００１４】
本発明のさらに他の目的は、Ａｌの組成の高い窒化物系半導体層を備えた半導体素子を提供することである。
【００１５】
【課題を解決するための手段および発明の効果】
これまで窒化タリウム等のタリウムを含む窒化物系半導体についての研究は進められておらず、その結晶構造、バンドギャップおよび格子定数については不明であった。本発明者は、III 族元素においては、ホウ素、アルミニウム、ガリウム、インジウムおよびタリウムの順に原子半径が大きくなることに着目し、窒化タリウムは窒化インジウムに比べて格子定数が大きく、またバンドギャップが小さいであろうことを予測し、種々の検討を行った。そして、本願発明に至った。
【００１６】
【００１７】
【００１８】
【００１９】
【００２０】
この発明に係る窒化物系半導体素子は、窒化物系半導体層を備えた半導体素子であって、窒化物系半導体層はｎ−ＧａＮ上に形成されたｎ−ＴｌＧａＮ層を含む半導体層を含むものである。
【００２１】
本発明に係る半導体素子のタリウムを含む半導体層においては、タリウムの組成を変えることにより、格子定数およびバンドギャップの大きさを変えることが可能である。
【００２２】
ここで、タリウムは、ホウ素、アルミニウム、ガリウムおよびインジウムに比べて原子半径が大きい。このため、タリウムの組成を高くすることにより、タリウムを含まない半導体層では実現不可能な小さなバンドギャップおよび大きな格子定数がタリウムを含む半導体層において実現可能となる。したがって、タリウムを含む半導体層においては、タリウムを含まない半導体層に比べて実現可能なバンドギャップの範囲が広くなるとともに、また実現可能な格子定数の範囲が広くなる。
【００２３】
なお、窒化物系半導体層は、アルミニウム、ガリウム、インジウムおよびホウ素の少なくとも１つを含んでもよい。
【００２４】
窒化物系半導体層はｎ−ＴｌＧａＮ層上に設けられた活性層を含み、活性層がタリウムを含む半導体層であってもよい。このような半導体素子の活性層においては、タリウムの組成を高くすることにより、格子定数およびバンドギャップの大きさを変えることができる。この場合、活性層のタリウムの組成を高くすることにより、タリウムを含まない半導体層では実現不可能な小さなバンドギャップおよび大きな格子定数が活性層において実現可能となる。それにより、活性層においては、タリウムを含まない半導体層に比べて実現可能なバンドギャップの範囲が広くなるとともに、実現可能な格子定数の範囲が広くなる。
【００２５】
上記のような活性層を有する半導体素子においては、活性層における実現可能なバンドギャップの範囲が広くなるため、半導体素子の用途に応じて活性層のタリウムの組成を調整し、任意に活性層のバンドギャップの大きさの設定を行うことが可能となる。したがって、このような半導体素子は実用化の上で有効である。
【００２６】
また、活性層のバンドギャップを小さくすることができるため、活性層に隣接する窒化物系半導体層と活性層とのバンドギャップの差を大きくすることができる。それにより、活性層から隣接する窒化物系半導体層へのキャリアの漏れが防止される。
【００２７】
また、窒化物系半導体層はアルミニウムを含む半導体層を含み、アルミニウムを含む半導体層がｎ−ＴｌＧａＮ層上に設けられてもよい。
【００２８】
前述のように、タリウムを含む半導体層は格子定数が大きい。このようなタリウムを含む半導体層は軟らかいため、歪を緩和することが可能である。
【００２９】
上記の半導体素子においては、ｎ−ＴｌＧａＮ層上にアルミニウムを含む半導体層が設けられているため、ｎ−ＴｌＧａＮ層により、アルミニウムを含む半導体層の歪が緩和される。したがって、アルミニウムを含む半導体層において、アルミニウムの組成を高くすることが可能となる。
【００３０】
また、窒化物系半導体層はオーミック電極と接触するコンタクト層を含み、コンタクト層がタリウムを含む半導体層であってもよい。前述のようにタリウムを含む半導体層はバンドギャップが小さくなることから、この場合においては、コンタクト層のバンドギャップが小さくなる。それにより、オーミック電極のフェルミ準位とコンタクト層における伝導帯下端または価電子帯上端とのエネルギー差を低減することができるため、オーミック電極とコンタクト層との界面のエネルギー障壁が小さくなり、接触抵抗の低減化が図られる。したがって、このようなコンタクト層を有する半導体素子においては、動作電圧の低減化が図られる。
【００３１】
【発明の実施の形態】
図１は本発明に係る窒化物系半導体の形成方法の参考例を示す模式的工程断面図である。
【００３２】
図１（ａ）に示すように、充分洗浄したサファイア基板１のＣ（０００１）面上に、ＲＦ−ＭＢＥ法（高周波−分子線エピタキシャル成長法）により、アンドープのＧａＮからなる厚さ２０ｎｍのバッファ層２および厚さ１００ｎｍのアンドープＧａＮ層３を順に成長させる。
【００３３】
この場合、原料として固体のガリウムを用いるとともに、ＲＦプラズマセルによる窒素プラズマガスを用いる。なお、プラズマパワーは２００Ｗである。バッファ層２およびアンドープＧａＮ層３の成長時におけるガリウムの供給流量、すなわちガリウムフラックスは１．５×１０^-7Ｔｏｒｒであり、窒素の供給流量、すなわち窒素フラックスは１×１０^-6Ｔｏｒｒである。なお、ＲＦ−ＭＢＥ法では、供給原料の流量をビームフラックスモニターでモニターする。ビームフラックスモニターでは真空計で用いるイオンゲージによりモニターするため、流量の単位はＴｏｒｒで表す。また、バッファ層２およびアンドープＧａＮ層３の成長時における基板温度はそれぞれ６５０℃および８００℃である。
【００３４】
次に、図１（ｂ）に示すように、アンドープＧａＮ層３上に、厚さ４００ｎｍのアンドープＴｌＧａＮ層４を成長させる。
【００３５】
アンドープＴｌＧａＮ層４の成長時における基板温度は５５０℃である。また、原料としては固体のタリウムおよびガリウムを用いるとともに、前述のＲＦプラズマセルによるプラズマ窒素を用いる。この場合、ガリウムの供給流量、すなわちガリウムフラックスは１．５×１０^-7Ｔｏｒｒであり、窒素の供給流量、すなわち窒素フラックスは１×１０^-6Ｔｏｒｒである。
【００３６】
この場合においては、アンドープＴｌＧａＮ層４の成長時におけるタリウムの供給流量を変えることにより、アンドープＴｌＧａＮ層４におけるタリウムの組成を変えた。この場合、タリウムの供給流量、すなわちタリウムフラックスを１×１０^-6〜５×１０^-4Ｔｏｒｒの範囲内において変化させることにより、タリウムの組成が異なる複数のアンドープＴｌＧａＮ層４を形成した。
【００３７】
タリウムの組成が異なる各々のアンドープＴｌＧａＮ層４の成長時において、結晶成長の様子を反射高エネルギー電子線回折（reflection high energy electron diffraction ）により観察したところ、各アンドープＴｌＧａＮ層４はエピタキシャル成長することが確認された。また、この場合に得られるストリークラインの間隔から、各アンドープＴｌＧａＮ層４の結晶構造が六方晶系であることが確認された。さらに、成長時におけるタリウムフラックスが大きなアンドープＴｌＧａＮ層４ほど、格子定数が大きくなることが確認された。このことから、アンドープＴｌＧａＮ層４においては、タリウムの組成の増加に伴って格子定数が大きくなることが明らかとなった。
【００３８】
タリウムの組成が異なる各々のアンドープＴｌＧａＮ層４を結晶成長させた後、フォトルミネッセンス装置により、室温における各アンドープＴｌＧａＮ層４の発光ピークのエネルギーを測定した。その結果を図２に示す。
【００３９】
図２は、アンドープＴｌＧａＮ層４における成長時のタリウムフラックスと、発光ピークのエネルギーとの関係を示す図である。図２に示すように、タリウムフラックスの増加に伴ってアンドープＴｌＧａＮ層４の発光ピークのエネルギーが減少している。すなわち、アンドープＴｌＧａＮ層４においては、タリウムの組成の増加に伴ってアンドープＴｌＧａＮ層４の発光ピークが長波長側にシフトする。
【００４０】
さらに、各々のアンドープＴｌＧａＮ層４について、反射スペクトルを測定した。なお、反射スペクトルとは、アンドープＴｌＧａＮ層４に光を入射させた際にアンドープＴｌＧａＮ層４が反射する光の強度で示される。この場合、入射光の波長を変えながら反射光の強度を測定することにより、アンドープＴｌＧａＮ層４が吸収する光の波長が明らかとなる。それにより、アンドープＴｌＧａＮ層４のエネルギーバンド内にどのようなフェルミ準位が存在するか調べることができる。
【００４１】
１５Ｋの低温で反射スペクトルを測定したところ、各アンドープＴｌＧａＮ層４のバンド端に相当する吸収が観測された。ここで観測されたバンド端のエネルギーに比べて、図２に示す発光ピークのエネルギーは少しだけ低エネルギー値を示した。このことから、上記のアンドープＴｌＧａＮ層４の発光がバンド端発光であることが示唆される。
【００４２】
以上のことから、アンドープＴｌＧａＮ層４においては、タリウムの組成の増加に伴ってバンドギャップが小さくなることが明らかとなった。特に、図２に示すように、アンドープＴｌＧａＮ層４においては、タリウムの組成を高くすることにより、インジウムを含むＩｎＧａＮ等の窒化物系半導体層のバンドギャップの下限よりも小さなバンドギャップが実現可能となる。それにより、例えばＩｎＧａＮ層では到達できない２ｅＶ以下のバンド端発光がアンドープＴｌＧａＮ層４において実現可能となる。したがって、アンドープＴｌＧａＮ層４はＩｎＧａＮ等のインジウムを含む窒化物系半導体層に比べて波長の長い光を発生することが可能となり、発光可能な波長領域がインジウムを含む窒化物系半導体層に比べて広くなる。
【００４３】
次に、本発明に係る半導体素子について説明する。以下においては、半導体素子の一例として半導体レーザ素子について説明する。
【００４４】
図３は本発明に係る半導体レーザ素子の参考例を示す模式的断面図である。図３に示す半導体レーザ素子１００は、以下のようにして製造される。
【００４５】
まず、充分に洗浄したサファイア基板１１のＣ（０００１）面上に、ＲＦ−ＭＢＥ法により、アンドープのＧａＮからなるバッファ層１２、ｎ−ＧａＮコンタクト層１３、ｎ−Ａｌ_0.1 Ｇａ_0.9 Ｎ光クラッド層１４、ｎ−ＧａＮ光ガイド層１５、ＴｌＧａＮ／ＧａＮ発光層１６、ｐ−Ａｌ_0.1 Ｇａ_0.9 Ｎ層１７、ｐ−ＧａＮ光ガイド層１８、ｐ−Ａｌ_0.1 Ｇａ_0.9 Ｎ光クラッド層１９およびｐ−ＧａＮコンタクト層２０を順に成長させる。このようにして、サファイア基板１１上に各層１２〜２０が積層された半導体ウエハが形成される。なお、各層１２〜２０の成長条件は表１に示す通りである。
【００４６】
【表１】

【００４７】
この場合、原料として固体のガリウム、アルミニウムおよびタリウムを用いるとともに、ＲＦプラズマセルによる窒素プラズマガスを用いる。また、ｎ型ドーパントとしてシリコンを用い、ｐ型ドーパントとしてマグネシウムを用いる。
【００４８】
図４は、図３のＴｌＧａＮ／ＧａＮ発光層１６の詳細な構造を示す模式的断面図である。図４に示すように、ＴｌＧａＮ／ＧａＮ発光層１６の成長時には、厚さが２０ｎｍの４つのＧａＮ障壁層１６ａと、厚さが１５ｎｍの３つのＴｌＧａＮ井戸層１６ｂとを交互に順に成長させる。このようにして、ＧａＮ障壁層１６ａとＴｌＧａＮ井戸層１６ｂとが交互に積層された多重量子井戸構造を有するＴｌＧａＮ／ＧａＮ発光層１６を成長させる。
【００４９】
各層１２〜２０を成長させた後、所定の領域に開口部を有するフォトレジストを半導体ウエハ上にパターニングする。その後、フォトレジスト上および開口部内のｐ−ＧａＮコンタクト層２０上にＮｉを蒸着し、フォトレジスト上のＮｉをフォトレジストとともに除去する。このようにして、フォトレジストの開口部内で露出したｐ−ＧａＮコンタクト層２０上に、厚さが５００ｎｍのＮｉマスクを形成する。さらに、塩素イオンを用いた反応性イオンエッチング法（ＲＩＥ法）により、Ｎｉマスクが形成されていない領域をｐ−ＧａＮコンタクト層２０からｎ−ＧａＮコンタクト層１３まで深さ方向にエッチングし、ｎ−ＧａＮコンタクト層１３を露出させる。
【００５０】
上記のＮｉマスクを除去した後、露出したｎ−ＧａＮコンタクト層１３の電極形成領域に開口部を有するフォトレジストを半導体ウエハ上にパターニングする。その後、厚さが１００ｎｍのＴｉ膜、厚さが２００ｎｍのＡｌ膜および厚さが５００ｎｍのＡｕ膜をフォトレジスト上および開口部内のｎ−ＧａＮコンタクト層１３上に順に蒸着し、フォトレジスト上のＴｉ膜、Ａｌ膜およびＡｕ膜をフォトレジストとともに除去する。このようにして、フォトレジストの開口部内で露出したｎ−ＧａＮコンタクト層１３の電極形成領域上に、Ｔｉ膜、Ａｌ膜およびＡｕ膜が順に積層されてなるｎ電極７を形成する。
【００５１】
さらに、ｐ−ＧａＮコンタクト層２０の電極形成領域に開口部を有するフォトレジストを半導体ウエハ上にパターニングする。その後、厚さが３００ｎｍのＰｔ膜および厚さが４００ｎｍのＡｕ膜をフォトレジスト上および開口部内のｐ−ＧａＮコンタクト層２０上に順に蒸着し、フォトレジスト上のＰｔ膜およびＡｕ膜をフォトレジストとともに除去する。このようにして、ｐ−ＧａＮコンタクト層２０の電極形成領域上に、Ｐｔ膜およびＡｕ膜が順に積層されてなるｐ電極８を形成する。
【００５２】
さらに、ｎ電極７を除くｎ−ＧａＮコンタクト層１３上、ｐ電極８を除くｐ−ＧａＮコンタクト層２０上、ならびにｎ−ＧａＮコンタクト層１３、ｎ−Ａｌ_0.1 Ｇａ_0.9 Ｎ光クラッド層１４、ｎ−ＧａＮ光ガイド層１５、ＴｌＧａＮ／ＧａＮ発光層１６、ｐ−Ａｌ_0.1 Ｇａ_0.9 Ｎ層１７、ｐ−ＧａＮ光ガイド層１８、ｐ−Ａｌ_0.1 Ｇａ_0.9 Ｎ光クラッド層１９およびｐ−ＧａＮコンタクト層２０の側面に、ＳｉＯ₂ 膜からなる保護膜９を形成する。最後に、サファイア基板１１を各層１２〜２０とともにへき開し、幅１０μｍおよび長さ５００μｍの共振器を作製する。
【００５３】
上記の方法により製造された半導体レーザ素子１００においては、ＴｌＧａＮ／ＧａＮ発光層１６のタリウムの組成が低いほどＴｌＧａＮ／ＧａＮ発光層１６のバンドギャップが大きくなり、波長の短い光を発生可能となる。一方、ＴｌＧａＮ／ＧａＮ発光層１６のタリウムの組成が高いほどＴｌＧａＮ／ＧａＮ発光層１６のバンドギャップが小さくなり、波長の長い光を発生可能となる。このように、半導体レーザ素子１００においては、ＴｌＧａＮ／ＧａＮ発光層１６のタリウムの組成を変えることにより、半導体レーザ素子１００の発生する光の波長を変えることができる。
【００５４】
ここで、ＴｌＧａＮ／ＧａＮ発光層１６においては、タリウムの組成を高くすることにより、インジウムを含む窒化物系半導体層のバンドギャップの下限よりも小さなバンドギャップを実現することができる。したがって、半導体レーザ素子１００は、図１０のようなインジウムを含む窒化物系半導体からなる発光層６８を有する従来の半導体レーザ素子４００に比べて長い波長の光を発生することが可能となる。
【００５５】
このように、半導体レーザ素子１００においては、ＴｌＧａＮ／ＧａＮ発光層１６のバンドギャップの大きさの実現可能な範囲が広いため、従来の半導体レーザ素子に比べて発生可能な光の波長の範囲が広くなる。このような半導体レーザ素子１００は、発生する光の波長の選択の自由度が高いので、種々の用途への応用が可能となる。
【００５６】
また、半導体レーザ素子１００においては、前述のようにＴｌＧａＮ／ＧａＮ発光層１６のバンドギャップを小さくすることが可能であるため、ＴｌＧａＮ／ＧａＮ発光層１６に接するｎ−ＧａＮ光ガイド層１５およびｐ−Ａｌ_0.1 Ｇａ_0.9 Ｎ層１７と、ＴｌＧａＮ／ＧａＮ発光層１６との間のバンドギャップの差を大きくすることができる。それにより、ＴｌＧａＮ／ＧａＮ発光層１６においてキャリアの閉じ込めを効果的に行うことが可能となり、温度を高くした場合においても、ＴｌＧａＮ／ＧａＮ発光層１６からｎ−ＧａＮ光ガイド層１５またはｐ−Ａｌ_0.1 Ｇａ_0.9 Ｎ１７へのキャリアの漏れが抑制される。したがって、半導体レーザ素子１００は高い温度においても容易にレーザ発振が可能であるとともに、特性の劣化が生じず、良好な温度特性を有する。
【００５７】
なお、半導体レーザ素子１００の各層１２〜１５，１７〜２０の構成は上記に限定されるものではなく、アルミニウム、ガリウム、インジウム、ホウ素およびタリウムの少なくとも１つを含む種々の組成を有するIII 族窒化物系半導体層を用いることができる。また、発光層１６の構成も上記に限定されるものではなく、少なくともタリウムを含む種々の組成を有するIII 族窒化物系半導体、例えばタリウムを含みかつアルミニウム、ガリウム、インジウムおよびホウ素の少なくとも１つを含む種々の組成を有するIII 族窒化物系半導体層を用いることができる。
【００５８】
図５は、本発明に係る半導体レーザ素子の例を示す模式的断面図である。図５に示す半導体レーザ素子１０１は、以下の点を除いて、半導体レーザ素子１００と同様の構造を有する。
【００５９】
半導体レーザ素子１０１においては、ｎ−ＧａＮコンタクト層１３上に、厚さが１００ｎｍのｎ−ＴｌＧａＮ歪補償層２１が形成され、このｎ−ＴｌＧａＮ歪補償層２１上に、厚さが３００ｎｍのｎ−Ａｌ_0.17Ｇａ_0.83Ｎ光クラッド層１４ａが形成されている。ｎ−Ａｌ_0.17Ｇａ_0.83Ｎ光クラッド層１４ａ上にはｎ−ＧａＮ光ガイド層１５が形成されている。また、ｐ−ＧａＮ光ガイド層１８上に、厚さが３００ｎｍのｐ−Ａｌ_0.17Ｇａ_0.83Ｎ光クラッド層１９ａが形成され、その上にｐ−ＧａＮコンタクト層２０が形成されている。
【００６０】
このように、半導体レーザ素子１０１のｎ−Ａｌ_0.17Ｇａ_0.83Ｎ光クラッド層１４ａおよびｐ−Ａｌ_0.17Ｇａ_0.83Ｎ光クラッド層１９ａは、半導体レーザ素子１００のｎ−Ａｌ_0.1 Ｇａ_0.9 Ｎ光クラッド層１４およびｐ−Ａｌ_0.1 Ｇａ_0.9 Ｎ光クラッド層１９に比べてアルミニウムの組成が高い。
【００６１】
上記の半導体レーザ素子１０１は、以下の点を除いて、前述の半導体レーザ素子１００の製造方法と同様の方法により製造される。
【００６２】
半導体レーザ素子１０１の製造時においては、ｎ−ＧａＮコンタクト層１３を成長させた後、基板温度を５５０℃とし、ｎ−ＧａＮコンタクト層１３上にｎ−ＴｌＧａＮ歪補償層２１を成長させる。ｎ−ＴｌＧａＮ歪補償層２１を成長させた後、基板温度を５５０℃に保った状態でｎ−Ａｌ_0.17Ｇａ_0.83Ｎ光クラッド層１４ａを厚さ５０ｎｍまで成長させる。ここで、一旦、ｎ−Ａｌ_0.17Ｇａ_0.83Ｎ光クラッド層１４ａの成長を停止させ、基板温度を８００℃に昇温する。その後、再びｎ−Ａｌ_0.17Ｇａ_0.83Ｎ光クラッド層１４ａを成長させる。一方、ｐ−Ａｌ_0.17Ｇａ_0.83Ｎ光クラッド層１９ａの成長時の基板温度は８００℃とする。
【００６３】
ここで、ｎ−ＴｌＧａＮ歪補償層２１は、ホウ素、アルミニウム、ガリウムおよびインジウムに比べて原子半径の大きなタリウムを含むため、タリウムを含まない窒化物系半導体層に比べて格子定数が大きい。この場合、タリウムの組成の増加に伴ってｎ−ＴｌＧａＮ歪補償層２１の格子定数が大きくなる。このように格子定数の大きなｎ−ＴｌＧａＮ歪補償層２１は軟らかいため、歪を緩和することができる。
【００６４】
上記の半導体レーザ素子１０１の製造時においては、ｎ−ＧａＮコンタクト層１３上に形成されたｎ−ＴｌＧａＮ歪補償層２１により、ｎ−Ａｌ_0.17Ｇａ_0.83Ｎ光クラッド層１４ａおよびｐ−Ａｌ_0.17Ｇａ_0.83Ｎ光クラッド層１９ａにおける歪が緩和される。したがって、製造工程中にｎ−Ａｌ_0.17Ｇａ_0.83Ｎ光クラッド層１４ａおよびｐ−Ａｌ_0.17Ｇａ_0.83Ｎ光クラッド層１９ａにクラックが発生することはなく、ｎ−Ａｌ_0.17Ｇａ_0.83Ｎ光クラッド層１４ａおよびｐ−Ａｌ_0.17Ｇａ_0.83Ｎ光クラッド層１９ａにおいて良好な結晶性が実現される。
【００６５】
このように、ｎ−ＴｌＧａＮ歪補償層２１を形成することにより、従来は成長が困難であったアルミニウム組成の高いｎ−Ａｌ_0.17Ｇａ_0.83Ｎ光クラッド層１４ａおよびｐ−Ａｌ_0.17Ｇａ_0.83Ｎ光クラッド層１９ａを成長させることが可能となる。
【００６６】
半導体レーザ素子１０１においては、ｎ−Ａｌ_0.17Ｇａ_0.83Ｎ光クラッド層１４ａおよびｐ−Ａｌ_0.17Ｇａ_0.83Ｎ光クラッド層１９ａのアルミニウム組成が高く屈折率が小さいので、ｎ−Ａｌ_0.17Ｇａ_0.83Ｎ光クラッド層１４ａおよびｐ−Ａｌ_0.17Ｇａ_0.83Ｎ光クラッド層１９ａの屈折率とＴｌＧａＮ／ＧａＮ発光層１６の屈折率との差が大きくなる。その結果、ＴｌＧａＮ／ＧａＮ発光層１６において光の閉じ込めを効果的に行うことが可能となる。このため、従来のようなアルミニウム組成の低いｎ−ＡｌＧａＮ光クラッド層およびｐ−ＡｌＧａＮ光クラッド層を備える半導体レーザ素子に比べて、半導体レーザ素子１０１はしきい値励起パワーの低減が図られ、低電流での動作が可能となる。
【００６７】
さらに、上記の半導体レーザ素子１０１は、ＴｌＧａＮ／ＧａＮ発光層１６を備えるため、半導体レーザ素子１００において前述した効果と同様の効果が得られる。
【００６８】
なお、半導体レーザ素子１０１において、歪補償層２１の構成は上記に限定されるものではなく、少なくともタリウムを含む種々の組成を有するIII 族窒化物系半導体、例えばタリウムを含みかつアルミニウム、ガリウム、インジウムおよびホウ素の少なくとも１つを含む種々の組成を有するIII 族窒化物系半導体層を用いることができる。また、ｎ−光クラッド層１４ａおよびｐ−光クラッド層１９ａの構成は上記に限定されるものではなく、アルミニウム、ガリウム、インジウム、ホウ素およびタリウムの少なくとも１つを含む種々の組成を有するIII 族窒化物系半導体層を用いることができる。
【００６９】
上記の半導体レーザ素子１０１においては、ｎ−ＴｌＧａＮ歪補償層２１を設けることによりｎ−光クラッド層およびｐ−光クラッド層のアルミニウム組成を高くする場合について説明したが、ｎ−ＴｌＧａＮ歪補償層２１上に形成された窒化物系半導体層であればこれ以外の層のアルミニウム組成を高くしてもよい。この場合においても、ｎ−ＴｌＧａＮ歪補償層２１により窒化物系半導体層の歪が緩和されるため、クラックの発生が防止され、良好な結晶性が実現される。
【００７０】
図６は、本発明に係る半導体レーザ素子のさらに他の参考例を示す模式的断面図である。図６に示す半導体レーザ素子１０２は、以下の点を除いて、半導体レーザ素子１００と同様の構造を有する。
【００７１】
半導体レーザ素子１０２においては、ｎ−ＧａＮコンタクト層１３（図３）の代わりにｎ−ＴｌＧａＮコンタクト層１３ａが形成されている。このｎ−ＴｌＧａＮコンタクト層１３ａに、Ｔｉ膜、Ａｌ膜およびＡｕ膜からなるｎ電極７がオーミック接触している。また、ｐ−ＧａＮコンタクト層２０（図３）の代わりに、ｐ−ＴｌＧａＮコンタクト層２０ａが形成されている。このｐ−ＴｌＧａＮコンタクト層２０ａに、Ｐｔ膜およびＡｕ膜からなるｐ電極８がオーミック接触している。
【００７２】
このような半導体レーザ素子１０２は、ｎ−ＧａＮコンタクト層１３の代わりにｎ−ＴｌＧａＮコンタクト層１３ａを成長させるとともに、ｐ−ＧａＮコンタクト層２０の代わりにｐ−ＴｌＧａＮコンタクト層２０ａを成長させる点を除いて、前述の半導体レーザ素子１００の製造方法と同様の方法により製造される。この場合、ｎ−ＴｌＧａＮコンタクト層１３ａおよびｐ−ＴｌＧａＮコンタクト層２０ａの成長時の基板温度は５５０℃とする。
【００７３】
上記のｎ−ＴｌＧａＮコンタクト層１３ａは、ｎ−ＧａＮコンタクト層１３に比べてバンドギャップが小さく、ｎ−ＴｌＧａＮコンタクト層１３ａの伝導帯下端のエネルギーは、ｎ−ＧａＮコンタクト層１３の伝導帯下端のエネルギーに比べて低い。このようなｎ−ＴｌＧａＮコンタクト層１３ａにｎ電極７をオーミック接触させる場合、ｎ−ＴｌＧａＮコンタクト層１３ａの伝導帯下端とｎ電極７におけるフェルミ準位とのエネルギー差は、ｎ−ＧａＮコンタクト層１３の伝導帯下端とｎ電極７におけるフェルミ準位とのエネルギー差に比べて小さくなる。このため、ｎ電極７とｎ−ＴｌＧａＮコンタクト層１３ａとの界面のエネルギー障壁が小さく、ｎ電極７からｎ−ＴｌＧａＮコンタクト層１３ａに容易に電子が注入され、接触抵抗が低減される。
【００７４】
また、ｐ−ＴｌＧａＮコンタクト層２０ａは、ｐ−ＧａＮコンタクト層２０に比べてバンドギャップが小さく、ｐ−ＴｌＧａＮコンタクト層２０ａの価電子帯上端のエネルギーは、ｐ−ＧａＮコンタクト層２０の価電子帯上端のエネルギーに比べて高い。したがって、ｐ−ＴｌＧａＮコンタクト層２０ａにｐ電極８をオーミック接触させる場合、ｐ−ＴｌＧａＮコンタクト層２０ａの価電子帯上端とｐ電極８におけるフェルミ準位とのエネルギー差が、ｐ−ＧａＮコンタクト層２０の価電子帯上端とｐ電極８におけるフェルミ準位とのエネルギー差に比べて小さくなる。このため、ｐ−電極８とｐ−ＴｌＧａＮコンタクト層２０ａとの界面のエネルギー障壁が小さく、ｐ電極８からｐ−ＴｌＧａＮコンタクト層２０ａに容易に正孔が注入され、接触抵抗が低減される。
【００７５】
以上のように、ｎ−ＴｌＧａＮコンタクト層１３ａおよびｐ−ＴｌＧａＮコンタクト層２０ａを用いた半導体レーザ素子１０２においては、ｎ電極７およびｐ電極８の接触抵抗の低減を図ることができ、より良好なオーミック接触が得られる。それにより、半導体レーザ素子１０２においては、動作電圧の低減化が図られ、より安定した動作を行うことが可能となる。
【００７６】
さらに、半導体レーザ素子１０２は、ＴｌＧａＮ／ＧａＮ発光層１６を備えるため、半導体レーザ素子１００において前述した効果と同様の効果が得られる。
【００７７】
なお、半導体レーザ素子１０２においては、Ｔｉ膜、Ａｌ膜およびＡｕ膜から構成されるｎ電極７を形成するとともに、Ｐｔ膜およびＡｕ膜から構成されるｐ電極８を形成しているが、ｎ電極およびｐ電極の材料はこれに限定されるものではない。オーミック接触が得られる材料であれば、任意の材料を用いることが可能である。
【００７８】
また、半導体レーザ素子１０２において、ｎ−コンタクト層およびｐ−コンタクト層の構成は上記の限定されるものではなく、少なくともタリウムを含む種々の組成を有するIII 族窒化物系半導体を用いることができ、例えばタリウムを含みかつアルミニウム、ガリウム、インジウムおよびホウ素の少なくとも１つを含み種々の組成を有するIII 族窒化物系半導体層を用いることができる。
【００７９】
また、半導体レーザ素子１０２はｎ−ＴｌＧａＮコンタクト層１３ａおよびｐ−ＴｌＧａＮコンタクト層２０ａを備えているが、ｎ−ＴｌＧａＮコンタクト層およびｐ−ＧａＮコンタクト層を備えた半導体レーザ素子も可能である。また、ｎ−ＧａＮコンタクト層およびｐ−ＴｌＧａＮコンタクト層を備えた半導体レーザ素子も可能である。これらの場合においても、ｎ−ＧａＮコンタクト層およびｐ−ＧａＮコンタクト層を用いた半導体レーザ素子に比べて動作電圧の低減化が図られる。
【００８０】
上記においては、本発明に係る半導体素子として半導体レーザ素子について説明したが、本発明は、半導体レーザ素子以外の半導体発光素子、例えば発光ダイオード素子にも適用可能である。この場合について以下で説明する。
【００８１】
図７は本発明に係る発光ダイオード素子の参考例を示す模式的断面図である。図７に示す発光ダイオード素子は以下のようにして製造される。
【００８２】
まず、充分洗浄したサファイア基板３１のＣ（０００１）面上に、ＲＦ−ＭＢＥ法により、アンドープのＧａＮからなるバッファ層３２、ｎ−ＧａＮ層３３、ｎ−ＴｌＧａＮ発光層３４、ｐ−ＡｌＧａＮ層３５およびｐ−ＧａＮ層３６を順に成長させる。この場合、ｎ−ＧａＮ層３３の電子濃度は１×１０¹⁸ｃｍ^-3であり、ｐ−ＧａＮ層３６の正孔濃度は７×１０¹⁷ｃｍ^-3である。なお、各層３２〜３６の膜厚および成長時の基板温度については表２に示す通りである。
【００８３】
【表２】

【００８４】
この場合、原料として固体のガリウム、アルミニウムおよびタリウムを用いるとともに、ＲＦプラズマセルによる窒素プラズマガスを用いる。また、ｎ型ドーパントとしてシリコンを用いており、ｐ型ドーパントとしてマグネシウムを用いている。
【００８５】
上記のようにしてサファイア基板３１上に各層３２〜３６を積層してなる半導体ウエハを形成した後、所定の領域に開口部を有するフォトレジストをこの半導体ウエハ上にパターニングする。その後、フォトレジスト上および開口部内のｐ−ＧａＮ層３６上にＮｉを蒸着し、フォトレジスト上のＮｉをフォトレジストとともに除去する。このようにして、フォトレジストの開口部内で露出したｐ−ＧａＮ層３６上に、膜厚が５００ｎｍのＮｉマスクを形成する。さらに、塩素イオンを用いた反応性イオンエッチング法により、Ｎｉマスクが形成されていない領域のｐ−ＧａＮ層３６からｎ−ＧａＮ層３３までを深さ方向にエッチングし、ｎ−ＧａＮ層３３を露出させる。
【００８６】
上記のＮｉマスクを除去した後、露出したｎ−ＧａＮ層３３の電極形成領域に開口部を有するフォトレジストを半導体ウエハ上にパターニングする。その後、厚さが１００ｎｍのＴｉ膜、厚さが２００ｎｍのＡｌ膜および厚さが５００ｎｍのＡｕ膜を順に蒸着し、フォトレジスト上のＴｉ膜、Ａｌ膜およびＡｕ膜をフォトレジストとともに除去する。このようにして、フォトレジストの開口部内で露出したｎ−ＧａＮ層３３の電極形成領域上に、Ｔｉ膜、Ａｌ膜およびＡｕ膜を順に積層してなるｎ電極７を形成する。
【００８７】
続いて、ｐ−ＧａＮ層３６の電極形成領域に開口部を有するフォトレジストを半導体ウエハ上にパターニングする。その後、厚さが３００ｎｍのＰｔ膜および厚さが４００ｎｍのＡｕ膜を順に蒸着し、フォトレジスト上のＰｔ膜およびＡｕ膜をフォトレジストとともに除去する。このようにして、フォトレジストの開口部内で露出したｐ−ＧａＮ層３６の電極形成領域上に、Ｐｔ膜およびＡｕ膜を順に積層してなるｐ電極８を形成する。
【００８８】
最後に、ｎ電極７を除くｎ−ＧａＮ層３３上、ｐ電極８を除くｐ−ＧａＮ層３６上、ならびにｎ−ＧａＮ層３３、ｎ−ＴｌＧａＮ発光層３４、ｐ−ＡｌＧａＮ層３５およびｐ−ＧａＮ層３６の側面に、ＳｉＯ₂ 膜からなる保護膜９を形成する。さらに、ｎ電極７上にｎ−パッド電極１０ａを形成するとともに、ｐ電極８上にｐ−パッド電極１０ｂを形成する。
【００８９】
上記の発光ダイオード素子においては、ｎ−ＴｌＧａＮ発光層３４のタリウムの組成が低いほどｎ−ＴｌＧａＮ発光層３４のバンドギャップが大きくなり、波長の短い光を発生することが可能となる。一方、ｎ−ＴｌＧａＮ発光層３４のタリウムの組成が高いほどｎ−ＴｌＧａＮ発光層３４のバンドギャップが小さくなり、波長の長い光を発生することが可能となる。このように、ｎ−ＴｌＧａＮ発光層３４のタリウムの組成を変えることにより、発光ダイオード素子の発生する光の波長を変えることができる。
【００９０】
ここで、ｎ−ＴｌＧａＮ発光層３４においては、タリウムの組成を高くすることにより、インジウムを含む窒化物系半導体層のバンドギャップの下限よりも小さなバンドギャップを実現することができる。したがって、ｎ−ＴｌＧａＮ発光層３４を備える上記の発光ダイオード素子は、インジウムを含む窒化物系半導体からなる発光層を有する従来の発光ダイオード素子に比べて、長い波長の光を発生することが可能となる。
【００９１】
このように、上記の発光ダイオード素子においては、ｎ−ＴｌＧａＮ発光層３４のバンドギャップの大きさの実現可能な範囲が広いため、従来の発光ダイオード素子に比べて発生可能な光の波長の範囲が広くなり、紫色から赤色までの広い領域にわたる光を発生することが可能となる。このような発光ダイオード素子は、発光波長の選択の自由度が高いので、種々の用途への応用が可能となる。
【００９２】
また、上記の発光ダイオード素子においては、前述のようにｎ−ＴｌＧａＮ発光層３４のバンドギャップを小さくすることが可能であるため、ｎ−ＴｌＧａＮ発光層３４に接するｎ−ＧａＮ層３３およびｐ−ＡｌＧａＮ層３５と、ｎ−ＴｌＧａＮ発光層３４との間のバンドギャップの差を大きくすることができる。それにより、ｎ−ＴｌＧａＮ発光層３４においてキャリアの閉じ込めを効果的に行うことが可能となり、温度を高くした場合においても、ｎ−ＴｌＧａＮ発光層３４からｎ−ＧａＮ層３３またはｐ−ＡｌＧａＮ層３５へのキャリアの漏れが抑制される。したがって、このような発光ダイオード素子は高い温度においても発光が容易であるとともに、特性の劣化が生じず、良好な温度特性を有する。
【００９３】
なお、上記の発光ダイオード素子において、各層３２，３３，３５，３６の構成は上記に限定されるものではなく、アルミニウム、ガリウム、インジウム、ホウ素およびタリウムの少なくとも１つを含む種々の組成を有するIII 族窒化物系半導体層を用いることができる。また、発光層３４の構成も上記に限定されるものではなく、少なくともタリウムを含む種々の組成を有するIII 族窒化物系半導体、例えばタリウムを含みかつアルミニウム、ガリウム、インジウムおよびホウ素の少なくとも１つを含むIII 族窒化物系半導体層を用いることができる。
【００９４】
なお、図７の発光ダイオード素子においては、発光層３４がタリウムを含む窒化物系半導体から構成される場合について説明したが、発光層３４以外の層がタリウムを含む窒化物系半導体から構成されてもよい。
【００９５】
例えば、ｎ電極７またはｐ電極８がオーミック接触する層がタリウムを含む窒化物系半導体から構成されてもよい。この場合、タリウムを含む窒化物系半導体層はバンドギャップが小さいため、ｎ電極７およびｐ電極８とタリウムを含む窒化物系半導体層との界面のエネルギー障壁が低減される。それにより、ｎ電極７およびｐ電極８からタリウムを含む窒化物系半導体層に容易にキャリアが注入されるため、接触抵抗が低減されてより良好なオーミック接触を得ることが可能となる。したがって、このような発光ダイオード素子においては、動作電圧の低減化が図られ、より安定した動作を行うことが可能となる。
【００９６】
図３、図５および図６の半導体レーザ素子１００〜１０２ならびに図７の発光ダイオード素子においては、ｎ型の半導体層が不純物としてシリコンを含むとともにｐ型の半導体層が不純物としてマグネシウムを含む場合について説明したが、ｎ型の不純物として、炭素、ゲルマニウム、錫、鉛、酸素、硫黄、セレン、テルル、フッ素、塩素、臭素またはヨウ素を含んでもよく、また、ｐ型の不純物として亜鉛、カドミウム、水銀またはベリリウムを含んでもよい。例えば、タリウムを含む窒化物系半導体層が上記のｎ型の不純物を含む場合、タリウムを含むｎ型の窒化物系半導体層が形成される。また、タリウムを含む窒化物系半導体層が上記のｐ型の不純物を含む場合、タリウムを含むｐ型の窒化物系半導体層が形成される。
【００９７】
さらに、上記の半導体レーザ素子１００〜１０２および発光ダイオード素子においては、サファイア基板上にｎ型窒化物系半導体層およびｐ型窒化物系半導体層が順に形成されているが、サファイア基板上にｐ型窒化物系半導体層およびｎ型窒化物系半導体層が順に形成されてもよい。
【００９８】
また、上記においては、固体原料を用いたＲＦ−ＭＢＥ法により各層を成長させているが、ＥＣＲ（電子サイフロトロン共鳴）マイクロ波プラズマＭＢＥ法、ガスソースＭＢＥ法またはＭＯＣＶＤ法（有機金属化学的気相成長法）により各層を成長させてもよい。タリウムを含む原料を用いたこれらの方法により、タリウムを含む窒化物系半導体層を成長させることができる。
【００９９】
なお、上記においては本発明を半導体レーザ素子および発光ダイオード素子、すなわち半導体発光素子に適用する場合について説明したが、本発明は、半導体発光素子以外の半導体素子、例えばトランジスタ等にも適用可能である。
【０１００】
【実施例】
［参考例１］
参考例１においては、以下に示す方法により、図８（ａ）に示す光励起用素子を作製した。
【０１０１】
まず、図３において前述した方法により、サファイア基板１１のＣ面上にアンドープのＧａＮからなるバッファ層１２、ｎ−ＧａＮコンタクト層１３、ｎ−Ａｌ_0.1 Ｇａ_0.9 Ｎ光クラッド層１４、ｎ−ＧａＮ光ガイド層１５、ＴｌＧａＮ／ＧａＮ発光層１６、ｐ−Ａｌ_0.1 Ｇａ_0.9 Ｎ層１７、ｐ−ＧａＮ光ガイド層１８、ｐ−Ａｌ_0.1 Ｇａ_0.9 Ｎ光クラッド層１９およびｐ−ＧａＮコンタクト層２０を順に成長させた。各層１２〜２０の成長条件は前述の表１に示す通りである。
【０１０２】
上記のようにしてサファイア基板１１上に各層１２〜２０が積層されてなる半導体ウエハを形成した後、所定の領域に開口部を有するフォトレジストを半導体ウエハ上にパターニングする。その後、膜厚が５００ｎｍのＮｉ膜２０３をフォトレジスト上および開口部内のｐ−ＧａＮコンタクト層２０上に蒸着し、フォトレジスト上のＮｉ膜２０３をフォトレジストとともに除去する。
【０１０３】
このようにして、フォトレジストの開口部内で露出したｐ−ＧａＮコンタクト層２０上にＮｉ膜２０３が形成されるとともに、フォトレジストで被覆された領域に、ｎ−ＧａＮコンタクト層２０が露出した幅Ｗ₂ が１０ｎｍのストライプ状のスリット２１０が形成される。最後に、サファイア基板１１を各層１２〜２０とともにへき開し、長さＷ₁ が５００μｍの共振器を形成した。
【０１０４】
以上のようにして、図８（ａ）に示す光励起用素子を作製した。なお、本例においては、ＴｌＧａＮ／ＧａＮ発光層１６のタリウムの組成が異なる２種類の光励起用素子を作製した。各光励起用素子の作製の際にはＴｌＧａＮ／ＧａＮ発光層１６の成長時におけるタリウムフラックスを１５×１０^-6Ｔｏｒｒおよび３×１０^-6Ｔｏｒｒとし、タリウムの組成が３％であるＴｌＧａＮ／ＧａＮ発光層１６およびタリウムの組成が６％であるＴｌＧａＮ／ＧａＮ発光層１６をそれぞれ成長させた。
【０１０５】
図８（ａ）に示す光励起用素子を用いて、光励起による発光試験を行った。すなわち、スリット２１０を通して励起光２００を光励起用素子内に入射させ、スリット２１０下のストライプ状のＴｌＧａＮ／ＧａＮ発光層１６の領域を励起させた。なお、この場合においては、窒素レーザから発生されたレーザ光を励起光２００として用いた。タリウムの組成が３％であるＴｌＧａＮ／ＧａＮ発光層１６を含む光励起用素子においては、励起光２００の波長は３３６ｎｍとし、パルス幅は２００ｎｓｅｃとした。また、タリウムの組成が６％であるＴｌＧａＮ／ＧａＮ発光層１６を含む光励起用素子においては、励起光２００の波長は３３６ｎｍとし、パルス幅は２００ｎｓｅｃとした。
【０１０６】
上記のような光励起により、タリウムの組成が３％のＴｌＧａＮ／ＧａＮ発光層１６を含む光励起用素子はレーザ発振し、波長４００ｎｍの光２０１を発生した。この場合、しきい値励起パワーは５００ｋＷ／ｃｍ² であった。一方、タリウムの組成が６％のＴｌＧａＮ／ＧａＮ発光層１６を含む光励起用素子はレーザ発振し、波長４３０ｎｍの光２０１を発生した。この場合のしきい値励起パワーは７５０ｋＷ／ｃｍ² であった。
【０１０７】
上記の実施例１に示すように、光励起用素子においては、ＴｌＧａＮ／ＧａＮ発光層１６におけるタリウムの組成が高い場合に波長の長い光２０１が発生し、タリウムの組成が低い場合に波長の短い光２０１が発生した。このように、光励起用素子は、ＴｌＧａＮ／ＧａＮ発光層１６のタリウム組成を調整することにより、広い範囲にわたる波長の光を発生することが可能であった。
【０１０８】
［実施例１］
実施例１においては、以下の方法により、図８（ｂ）に示す光励起用素子を作製した。
【０１０９】
まず、図５において前述した方法により、サファイア基板１１のＣ面上にアンドープのＧａＮからなるバッファ層１２、ｎ−ＧａＮコンタクト層１３、ｎ−Ｔｌ_0.03Ｇａ_0.97Ｎ歪補償層２１、ｎ−Ａｌ_0.17Ｇａ_0.83Ｎ光クラッド層１４ａ、ｎ−ＧａＮ光ガイド層１５、ＴｌＧａＮ／ＧａＮ発光層１６、ｐ−Ａｌ_0.1 Ｇａ_0.9 Ｎ層１７、ｐ−ＧａＮ光ガイド層１８、ｐ−Ａｌ_0.17Ｇａ_0.83Ｎ光クラッド層１９ａおよびｐ−ＧａＮコンタクト層２０を順に成長させた。各層１２，１３，２１，１４ａ，１５〜１８，１９ａ，２０の成長条件は、図５において前述した通りである。
【０１１０】
その後、実施例１の方法と同様の方法により、ｐ−ＧａＮコンタクト層２０上の所定領域に厚さ５００ｎｍのＮｉ膜２０３を形成するとともに、ｐ−ＧａＮコンタクト層２０が露出した幅Ｗ₂ が１０μｍのストライプ状のスリット２１０を形成した。最後に、サファイア基板１１を各層１２，１３，２１，１４ａ，１５〜１８，１９ａ，２０とともにへき開し、長さＷ₁ が５００μｍの共振器を形成した。
【０１１１】
以上のようにして、図８（ｂ）に示す光励起用素子を作製した。なお、本例の光励起用素子は、タリウムの組成が３％であるＴｌＧａＮ／ＧａＮ発光層１６を含む。
【０１１２】
図８（ｂ）に示す光励起用素子を用いて、実施例１と同様の方法により、光励起による発光試験を行った。なお、この場合においては、励起光２００の波長は３３６ｎｍとし、パルス幅は２００ｎｓｅｃとした。
【０１１３】
上記のような光励起により、本例の光励起用素子はレーザ発振し、波長４００ｎｍの光２０１を発生した。この場合のしきい値励起パワーは３５０ｋＷ／ｃｍ² であった。
【０１１４】
比較例として、以下の点を除いて図８（ｂ）の光励起用素子と同様の構造を有する光励起用素子を作製した。比較例における光励起用素子は、ｎ−ＴｌＧａＮ歪補償層２１を含まず、かつｎ−Ａｌ_0.17Ｇａ_0.83Ｎ光クラッド層１４ａおよびｐ−Ａｌ_0.17Ｇａ_0.83Ｎ光クラッド層１９ａの代わりにｎ−Ａｌ_0.1 Ｇａ_0.9 Ｎ光クラッド層およびｐ−Ａｌ_0.1 Ｇａ_0.9 Ｎ光クラッド層を備える。この場合のｎ−Ａｌ_0.1 Ｇａ_0.9 Ｎ光クラッド層およびｐ−Ａｌ_0.1 Ｇａ_0.9 Ｎ光クラッド層の厚さは５００ｎｍとした。
【０１１５】
比較例の光励起用素子を用いて、上記の実施例１と同様の方法により光励起による発光試験を行ったところ、比較例の光励起用素子はレーザ発振し、波長４００ｎｍの光を発生した。この場合のしきい値励起パワーは５５０ｋＷ／ｃｍ² であった。
【０１１６】
実施例１の光励起用素子においては、ｎ−ＴｌＧａＮ歪補償層２１により、アルミニウム組成の高いｎ−Ａｌ_0.17Ｇａ_0.83Ｎ光クラッド層１４ａおよびｐ−Ａｌ_0.17Ｇａ_0.83Ｎ光クラッド層１９ａにおける歪が緩和されて良好な結晶性が実現される。このような光励起用素子においては、ｎ−Ａｌ_0.17Ｇａ_0.83Ｎ光クラッド層１４ａおよびｐ−Ａｌ_0.17Ｇａ_0.83Ｎ光クラッド層１９ａのアルミニウム組成が高いため、ＴｌＧａＮ／ＧａＮ発光層１６において効果的に光の閉じ込めを行うことが可能となる。それにより、しきい値励起パワーが著しく低減される。
【０１１７】
これに対して、ｎ−ＴｌＧａＮ歪補償層２１が形成されていない比較例の光励起用素子においては、歪を緩和することができないため、実施例１の光励起用素子のようにアルミニウム組成の高いｎ−Ａｌ_0.17Ｇａ_0.83Ｎ光クラッド層およびｐ−Ａｌ_0.17Ｇａ_0.83Ｎ光クラッド層を形成することができず、アルミニウム組成の低いｎ−Ａｌ_0.1 Ｇａ_0.9 Ｎ光クラッド層およびｐ−Ａｌ_0.1 Ｇａ_0.9 Ｎ光クラッド層が形成されている。このような光励起用素子においては、ｎ−Ａｌ_0.1 Ｇａ_0.9 Ｎ光クラッド層およびｐ−Ａｌ_0.1 Ｇａ_0.9 Ｎ光クラッド層のアルミニウム組成が低いため、ＴｌＧａＮ／ＧａＮ発光層１６において光の閉じ込めを充分に行うことが困難である。このため、比較例の光励起用素子においては、実施例２の光励起用素子に比べてしきい値励起パワーが大きくなる。
【０１１８】
［実施例２］
実施例２においては、ｎ−ＴｌＧａＮ層上にオーミック電極を形成し、ｎ−ＴｌＧａＮ層とオーミック電極との接触抵抗をＴＬＭ（transfer length method）法により測定した。
【０１１９】
接触抵抗の測定には、図９に示す試料（以下、ＴＬＭ用素子と呼ぶ）を用いた。このようなＴＬＭ用素子は以下のようにして作製した。
【０１２０】
図１に示す窒化物系半導体層の形成方法により、サファイア基板１のＣ面上に、アンドープのＧａＮからなる厚さ２０ｎｍのバッファ層２、シリコンがドープされた厚さ１００ｎｍのｎ−ＧａＮ層３およびシリコンがドープされた厚さ４００ｎｍのｎ−ＴｌＧａＮ層４を順に成長させた。なお、ｎ−ＧａＮ層３およびｎ−ＴｌＧａＮ層４の電子濃度は、それぞれ８×１０¹⁶ｃｍ^-3および１×１０¹⁹ｃｍ^-3であった。また、ｎ−ＴｌＧａＮ層４の室温におけるバンドギャップは２．７ｅＶであった。
【０１２１】
上記のようにしてサファイア基板１上に各層２〜４を成長させた後、メタルマスクを用いて厚さ１００ｎｍのＴｉ膜、厚さ２００ｎｍのＡｌ膜および厚さ５００ｎｍのＡｕ膜を順に蒸着し、ｎ−ＴｌＧａＮ層４の所定領域上に第１〜第５のオーミック電極５０ａ〜５０ｅを等ピッチｄで形成する。
【０１２２】
オーミック電極５０ａ〜５０ｅのピッチｄは１ｍｍであり、オーミック電極５０ａ〜５０ｅの直径は３０μｍである。
【０１２３】
このような構造を有するＴＬＭ用素子を用いて、ｎ−ＴｌＧａＮ層４とオーミック電極５０ａ〜５０ｅとの接触抵抗をＴＬＭ法により測定したところ、接触抵抗は１．２×１０^-6Ωｃｍ^-2であった。
【０１２４】
比較例として、ｎ−ＴｌＧａＮ層４の代わりにシリコンがドープされたｎ−ＧａＮ層が形成された点を除いて図９に示すＴＬＭ用素子と同様の構造を有するＴＬＭ用素子を作製した。比較例のＴＬＭ用素子のｎ−ＧａＮ層の電子濃度は１×１０¹⁹ｃｍ^-3であった。比較例のＴＬＭ用素子を用いて、ｎ−ＧａＮ層とオーミック電極との接触抵抗をＴＬＭ法により測定したところ、接触抵抗は１．４×１０^-5Ωｃｍ^-2であった。
【０１２５】
以上のように、ｎ−ＴｌＧａＮ層４においては、ｎ−ＧａＮ層に比べてオーミック電極との接触抵抗が低減された。
【０１２６】
なお、図９のＴＬＭ用素子においては、オーミック電極５０ａ〜５０ｅの材料にＴｉ膜、Ａｌ膜およびＡｕ膜を用いているが、オーミック電極の材料はこれ以外であってもよく、ｎ−ＴｌＧａＮ層４にオーミック接触する材料を任意に用いることが可能である。
【０１２７】
［参考例２］
参考例２においては、ｐ−ＴｌＧａＮ層上にオーミック電極を形成し、ｐ−ＴｌＧａＮ層とオーミック電極との接触抵抗をＴＬＭ法により測定した。接触抵抗の測定には、以下の点を除いて図９のＴＬＭ用素子と同様の構造を有するＴＬＭ用素子を用いた。
【０１２８】
参考例２のＴＬＭ用素子においては、サファイア基板上にアンドープＧａＮからなる厚さが２００ｎｍのバッファ層、厚さが１００ｎｍのアンドープのｉ−ＧａＮ層およびマグネシウムがドープされた厚さが４００ｎｍのｐ−ＴｌＧａＮ層が順に形成され、所定領域のｐ−ＴｌＧａＮ層およびｎ−ＧａＮ層がエッチングされてｎ−ＧａＮ層が露出している。ｐ−ＴｌＧａＮ層上には、厚さ２００ｎｍのＮｉ膜および厚さ５００ｎｍのＡｕ膜を順に積層してなる第１〜第５のオーミック電極が形成されている。この場合、ｎ−ＧａＮ層の電子濃度は８×１０¹⁶ｃｍ^-3であり、ｐ−ＴｌＧａＮ層の正孔濃度は１×１０¹⁸ｃｍ^-3であった。また、ｐ−ＴｌＧａＮ層の室温におけるバンドギャップは３．２ｅＶであった。
【０１２９】
上記のＴＬＭ用素子を用いて、ｐ−ＴｌＧａＮ層とオーミック電極との接触抵抗をＴＬＭ法により求めたところ、接触抵抗は５×１０^-4Ωｃｍ^-3であった。
【０１３０】
比較例として、ｐ−ＴｌＧａＮ層の代わりにマグネシウムがドープされた厚さが５００ｎｍのｐ−ＧａＮ層が形成された点を除いて上記の参考例２のＴＬＭ用素子と同様の構造を有するＴＬＭ用素子を作製した。比較例のＴＬＭ用素子のｐ−ＧａＮ層の正孔濃度は８×１０¹⁶ｃｍ^-3であった。このような比較例のＴＬＭ用素子を用いて、ｐ−ＧａＮ層とオーミック電極との接触抵抗をＴＬＭ法により測定したところ、接触抵抗は２×１０^-3Ωｃｍ^-3であった。
【０１３１】
以上のように、ｐ−ＴｌＧａＮ層においては、ｐ−ＧａＮ層に比べてオーミック電極との接触抵抗が低減された。
【０１３２】
なお、上記のＴＬＭ用素子においては、オーミック電極の材料にＮｉ膜およびＡｕ膜を用いているが、オーミック電極の材料はこれ以外であってもよく、ｐ−ＴｌＧａＮ層にオーミック接触する材料を任意に用いることが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明に係る窒化物系半導体層の形成方法の参考例を示す模式的工程断面図である。
【図２】 アンドープＴｌＧａＮ層における成長時のタリウムフラックスと発光ピークのエネルギーとの関係を示す図である。
【図３】 本発明に係る半導体レーザ素子の参考例を示す模式的断面図である。
【図４】 ＴｌＧａＮ／ＧａＮ発光層の模式的断面図である。
【図５】 本発明に係る半導体レーザ素子の例を示す模式的断面図である。
【図６】 本発明に係る半導体レーザ素子のさらに他の参考例を示す模式的断面図である。
【図７】 本発明に係る発光ダイオード素子の参考例を示す模式的断面図である。
【図８】 実施例及び参考例に用いる光励起用素子の模式的斜視図である。
【図９】 実施例及び参考例に用いるＴＬＭ用素子を示す模式的断面図および平面図である。
【図１０】 従来の半導体レーザ素子の例を示す模式的断面図である。
【符号の説明】
１，１１，３１，６３ サファイア基板
２，１２，３２，６４ バッファ層
３ アンドープＧａＮ層
４ アンドープＴｌＧａＮ層
７ ｎ電極
８ ｐ電極
９ 保護膜
１０ａ，１０ｂ パッド電極
１３，６５ ｎ−ＧａＮコンタクト層
１３ａ ｎ−ＴｌＧａＮコンタクト層
１４，６６ ｎ−Ａｌ_0.1 Ｇａ_0.9 Ｎ光クラッド層
１４ａ ｎ−Ａｌ_0.17Ｇａ_0.83Ｎ光クラッド層
１５，６７ ｎ−ＧａＮ光ガイド層
１６ ＴｌＧａＮ／ＧａＮ発光層
１７ ｐ−Ａｌ_0.1 Ｇａ_0.9 Ｎ層
１８，７０ ｐ−ＧａＮ光ガイド層
１９，７１ ｐ−Ａｌ_0.1 Ｇａ_0.9 Ｎ光クラッド層
１９ａ ｐ−Ａｌ_0.17Ｇａ_0.83Ｎ光クラッド層
２０，７２ ｐ−ＧａＮコンタクト層
２０ａ ｐ−ＴｌＧａＮコンタクト層
２１ ｎ−ＴｌＧａＮ歪補償層
３３ ｎ−ＧａＮ層
３４ ｎ−ＴｌＧａＮ発光層
３５，６９ ｐ−ＡｌＧａＮ層
３６ ｐ−ＧａＮ層
６８ ＩｎＧａＮ発光層
１００〜１０２，４００ 半導体レーザ素子

Claims (3)

1. 窒化物系半導体層を備えた半導体素子であって、前記窒化物系半導体層はｎ−ＧａＮ上に形成されたｎ−ＴｌＧａＮ層を含み、
   前記窒化物系半導体層は前記ｎ−ＴｌＧａＮ層上に設けられた活性層を含み、前記活性層がタリウムを含む半導体層であることを特徴とする半導体素子。
2. 前記窒化物系半導体層はアルミニウムを含む半導体層を含み、前記アルミニウムを含む半導体層が前記ｎ−ＴｌＧａＮ層上に設けられたことを特徴とする請求項１に記載の半導体素子。
3. 前記窒化物系半導体層はオーミック電極と接触するコンタクト層を含み、前記コンタクト層がタリウムを含む半導体層であることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体素子。

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