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審決分類 審判 全部申し立て 2項進歩性  H01S
審判 全部申し立て 1項3号刊行物記載  H01S
管理番号 1101193
異議申立番号 異議2003-72701  
総通号数 57 
発行国 日本国特許庁(JP) 
公報種別 特許決定公報 
発行日 1999-12-14 
種別 異議の決定 
異議申立日 2003-11-06 
確定日 2004-06-07 
異議申立件数
訂正明細書 有 
事件の表示 特許第3403665号「窒化ガリウム系化合物半導体発光素子」の請求項1に係る特許に対する特許異議の申立てについて、次のとおり決定する。 
結論 訂正を認める。 特許第3403665号の請求項1に係る特許を維持する。 
理由 1.手続の経緯
特許第3403665号の発明は、平成2年12月26日に出願した特願平2-414843号の一部を平成11年5月17日に新たな特許出願としたものであって、平成15年2月28日にその特許の設定の登録がなされ、その後、池田好美により特許異議の申立がなされ、平成16年2月23日付けで取消理由通知がなされ、その指定期間内の平成16年3月25日付けで訂正請求がなされたものである。

2.訂正の適否についての判断
2-1.訂正事項
a.特許明細書の特許請求の範囲の請求項1の「前記n層と前記p層とに挟まれ、比較的禁制帯幅の大きい薄膜結晶と比較的禁制帯幅の小さい薄膜結晶を複数接合した多数のヘテロ接合から成る層と」を、「前記n層と前記p層とに挟まれ、窒化ガリウム系化合物半導体で構成された比較的禁制帯幅の大きい薄膜結晶と比較的禁制帯幅の小さい薄膜結晶を複数接合した多数のヘテロ接合から成る層と」
と訂正する。
b.段落【0008】の「前記n層と前記p層とに挟まれ、比較的禁制帯幅の大きい薄膜結晶と比較的禁制帯幅の小さい薄膜結晶を複数接合した多数のヘテロ接合から成る層と」を、「前記n層と前記p層とに挟まれ、窒化ガリウム系化合物半導体で構成された比較的禁制帯幅の大きい薄膜結晶と比較的禁制帯幅の小さい薄膜結晶を複数接合した多数のヘテロ接合から成る層と」と訂正する。

2-2.訂正の目的の適否、新規事項の有無及び拡張・変更の存否
上記訂正事項aは、訂正前の「多数のヘテロ接合から成る層」が「窒化ガリウム系化合物半導体で構成」されていることを限定するものであり、段落【0027】〜【0030】にその層が(AlxGa1-x)yIn1-yNからなること及びそのような材料を前提として多数のヘテロ接合を形成することが記載されているから、明細書に記載された事項の範囲内でなされた訂正であり、特許請求の範囲の減縮を目的とするものに該当し、実質的に特許請求の範囲を拡張又は変更するものではない。
また、訂正事項bは、上記特許請求の範囲の訂正に伴って、発明の詳細な説明の記載を訂正後の特許請求の範囲との整合性がとれるように訂正するものであるから、明りょうでない記載の釈明に該当し、実質的に特許請求の範囲を拡張又は変更するものではない。

2-3.むすび
以上のとおりであるから、上記訂正は、特許法等の一部を改正する法律(平成6年法律第116号)附則第6条第1項の規定によりなお従前の例によるとされる、特許法第120条の4第3項において準用する平成6年法律第116号による改正前の第126条第1項ただし書き及び第2項の規定に適合するので、当該訂正を認める。

3.特許異議申立ての主張の概要
特許異議申立人池田好美は、下記の甲第1〜4号証を提出し、本件請求項1に係る発明は、甲第1号証記載の発明と同一であるか、または甲第1〜4号証に基づいて当業者が容易に発明をすることができたものであるから、請求項1に係る特許は、特許法第29条第1項第3号または同第29条第2項の規定に違反してされたものであると主張する。

甲第1号証:特開平2-288371号公報
甲第2号証:特開平2-229476号公報
甲第3号証:特開平2-257679号公報
甲第4号証:特開平2-229475号公報

そして、上記甲第1〜4号証を引用例1〜4として、上記と同様の理由により平成16年2月23日付け取消理由を通知した。

4.本件発明
本件の請求項1に係る発明は、訂正された特許明細書の特許請求の範囲の請求項1に記載された次の事項により特定される。
「【請求項1】窒化ガリウム系化合物半導体を積層した窒化ガリウム系化合物半導体発光素子において、
シリコン(Si)がドープされてキャリア濃度の制御されたn型導電性を示す窒化ガリウム系化合物半導体((Alx1Ga1-x1)y1In1-y1N:0≦x1≦1,0≦y1≦1)から成るn層と、
マグネシウム(Mg)がドープされてp型化処理されたp型導電性を示す窒化ガリウム系化合物半導体((Alx2Ga1-x2)y2In1-y2N:0≦x2≦1,0≦y2≦1)から成るp層と、
前記n層と前記p層とに挟まれ、窒化ガリウム系化合物半導体で構成された比較的禁制帯幅の大きい薄膜結晶と比較的禁制帯幅の小さい薄膜結晶を複数接合した多数のヘテロ接合から成る層と
を有することを特徴とする窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。」(以下、「本件発明」という。)

5.刊行物等
引用例1(特開平2-288371号公報)には、次のことが図面とともに記載されている。
「青色LEDの実現に有望と思われるIII-V族化合物半導体材料を大きなバンドギャップという観点から見ると、BN・・・GaN・・・等の、軽めのIII族元素の窒化物と燐化物が大きなバンドギャップを有する。しかしながらこれらのうち、BNは、バンドギャップが大きいが・・・合成しにくく、しかも3種の多形を有し、混合物もでき易いので使用できない。不純物ドーピングも難しい。・・・残るAlN,GaNは、バンドギャップが大きく、また安定性にも優れており、短波長発光用として適していると言える。ただ、AlN,GaNは結晶構造がウルツ鉱型(・・・WZ型と略称する)であり、しかもイオン性が大きいため格子欠陥が生じ易く、低抵抗のp型半導体を得ることができない。・・・
本発明者らの研究によれば、GaNやAlNで低抵抗のp型結晶が得られないのは、イオン性が大きいことによる欠陥が生じ易いことの他に、これらが閃亜鉛鉱型(・・・ZB型と略称する)の結晶構造ではなく、WZ構造を持っていることが本質的な原因である。・・・
[発明の構成](課題を解決するための手段)
本発明に係るLEDは、pn接合を構成する半導体層として、BP層とGaxAl1-xN(0≦x≦1)層が交互に積層されて、GaxAl1-xN(0≦x≦1)層が閃亜鉛鉱型結晶構造を有する超格子層を用いたことを特徴とする。
・・・本発明はこの様なLEDを製造するに当たって、基板上に直接またはバッファ層を介して上述した超格子層または混晶層を含む発光層を成長させて・・・基台上にマウントすることを特徴とする。
(作用)
本発明者らの研究によれば、本来WZ構造である結晶であっても、安定なZB構造を有する結晶上に成長させれば、ある程度の厚さまではZB構造を保つことが判明した。従って本発明のLEDは第1に、GaxAl1-xN(0≦x≦1)層を、これとほぼ同一の結合長を有し、かつZB構造であってイオン性が小さくpn制御が容易であるBP層と交互に積層して超格子層を構成することにより、窒化物の直接遷移型の広バンドギャップ特性とBPの低イオン性で欠陥の生じ難い性質を併せ持つZB構造の化合物半導体材料として、これを用いてpn接合を構成する。これにより高輝度の青色発光が実現できる。」(2頁右下欄1行〜3頁右下欄2行)、
「第1図は、一実施例のLEDの断面構造である。Siドープのn型GaP基板11上に、バッファ層としてSiドープのn型GaP層12同じくSiドープのn型BP層13が形成され、この上にSiドープのn型Ga0.5Al0.5N/BP超格子層14、およびMgドープのp型Ga0.5Al0.5N/BP超格子層15が順次形成されてpn接合を構成している。素子の両面には例えばInからなるオーミック電極16,17が形成されている。」(4頁左上欄最下行〜同頁右上欄9行)、
「具体的な素子構造を示すと、n型GaP基板11は、Siドープでキャリア濃度1×1018/cm3、n型GaP層12は、Siドープでキャリア濃度5×1017/cm3、厚さ3μm、n型BP層13は同じくSiドープでキャリア濃度2×1017/cm3、厚さ3μmである。n型GaAlN/BP超格子層14は、GaAlN層13Å,BP層7Åの20Å周期で、キャリア濃度1×1017/cm3,厚さ3μm、p型GaAlN/BP超格子層15は、GaAlN層10Å,BP層10Åの20Å周期で、キャリア濃度2×1016/cm3,厚さ5μmである。」(5頁左上欄5行〜6行)、
「第7図はその様な実施例のLEDの断面図である。この実施例では、ZB型の結晶であり且つ、格子定数が発光層の半導体に近いSiC基板71を用いていること、基板71上にはGaAlN/BP超格子層からなる光反射層72を形成してこの上にpn接合を構成するGaAlN/BP層73,74を積層していること、更にこの上にはWZ型のGaNコンタクト層75を形成していること、などが特徴である。素子両面には、オーミック電極76,77が形成されている。
このLED構造も、先の実施例と同様に第2図のMOCVD装置を用いて形成することができる。具体的な素子構成を説明すると、p型SiC基板71はAlドープ,キャリア濃度3×1017/cm3であり、光反射層72は、2種類のGaAlN/BP超格子層の積層構造(積層周期は放射光の波長の約1/2の900Å,キャリア濃度2×1017/cm3,厚さ6μm)である。この反射層72上に、p型Ga0.5Al0.5N/BP超格子層73(Mgドープ,キャリア濃度1×1017/cm3,厚さ3μm,13Å/7Åの積層)、およびn型Ga0.5Al0.5N/BP超格子層74(Siドープ,キャリア濃度2×1016/cm3,厚さ3μm,10Å/10Åの積層)が順次形成されている。コンタクト層75は5μmでありその大部分がWZ型でバンドギャップ3.4eVである。
この実施例によれば、SiC基板を用いていることおよび超格子からなる反射層を用いていることから、発光層での転位発生が少なく、また発光層から基板側に放射される光が表面側に効率よく反射されて外部に取り出される結果、高い輝度が得られる。実際この実施例の素子チップを第3図のように樹脂ケースに封入して20mcdの青色発光が確認された。第8図は、第7図の実施例を変形した実施例であり、発光層部分にDH構造を導入したものである。すなわち第7図と同様にSiC基板71に超格子層構造の反射層72を形成した後、p型GaAlN/BP超格子層81(バンドギャップ3eV,キャリア濃度2×1017/cm3,厚さ2μm)、次いでアンドープGaAlN/BP超格子層82(バンドギャップ2.7eV,キャリア濃度2×1016/cm3,厚さ0.5μm)、n型GaAlN/BP超格子層83(バンドギャップ3eV,キャリア濃度1×1017/cm3,厚さ2μm)が順次形成される。p型GaAlN/BP超格子層81およびn型GaAlN/BP超格子層83は、Ga0.5Al0.5N(13Å)/BP(7Å)であり、アンドープGaAlN/BP多層膜82は、Ga0.5Al0.5N(10Å)/BP(10Å)である。それ以外は第7図と同様である。具体的な製造方法や原料ガスなどもほぼ先の実施例と同様である。」(6頁左下欄5行〜7頁左上欄18行)

刊行物2(特開平2-229476号公報)には、基板上にバッファ層(緩衝層)を設けることにより、窒化ガリウム系化合物半導体の結晶性が向上し、青色発光特性が改善されたこと(2頁左下欄2行〜11行)が記載されている。

刊行物3(特開平2-257679号公報)には、青色発光素子素子の製造方法に関し、Mg添加窒化ガリウム系化合物半導体に電子線照射を行うことにより、高輝度、高効率純青色発光素子の開発に成功したこと(2頁左上欄17行〜同頁右上欄6行)が記載されている。

刊行物4(特開平2-229475号公報)の第9図には、ダブルヘテロ構造の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子が記載されている。

6.対比・判断
本件発明と引用例1記載の発明とを対比する。
(1)第8図のものは、第7図の実施例を変形したものであるから、層の材料等は格別の記載のない限り同一とみることができる。
(2)引用例1のLEDは、高輝度の青色発光をするものであり、GaAlNから構成されていることから、本件発明の「窒化ガリウム系化合物半導体を積層した窒化ガリウム系化合物半導体発光素子」に相当する。
(3)引用例1の「p型GaAlN/BP超格子層81」は、p型GaAlN/BP超格子層73と同様にMgドープされたものとみることができるから、BPとの超格子を構成する点を除けば、本件発明の「p層」に相当する。
(4)引用例1の「n型GaAlN/BP超格子層83」は、n型GaAlN/BP超格子層74と同様にSiドープされたものとみることができるから、BPとの超格子を構成する点を除けば、本件発明の「n層」に相当する。
(5)引用例1の「アンドープGaAlN/BP多層膜82」は、本件発明の「前記n層と前記p層とに挟まれ、比較的禁制帯幅の大きい薄膜結晶と比較的禁制帯幅の小さい薄膜結晶を複数接合した多数のヘテロ接合から成る層」に相当する。
したがって、両者は、「窒化ガリウム系化合物半導体を積層した窒化ガリウム系化合物半導体発光素子において、シリコン(Si)がドープされてキャリア濃度の制御されたn型導電性を示す窒化ガリウム系化合物半導体((Alx1Ga1-x1)y1In1-y1N:0≦x1≦1,0≦y1≦1)から成るn層と、マグネシウム(Mg)がドープされてp型化処理されたp型導電性を示す窒化ガリウム系化合物半導体((Alx2Ga1-x2)y2In1-y2N:0≦x2≦1,0≦y2≦1)から成るp層と、前記n層と前記p層とに挟まれ、比較的禁制帯幅の大きい薄膜結晶と比較的禁制帯幅の小さい薄膜結晶を複数接合した多数のヘテロ接合から成る層とを有する窒化ガリウム系化合物半導体発光素子」である点で一致し、次の点で相違する。

相違点;本件発明では、多数のヘテロ接合から成る層が、「窒化ガリウム系化合物半導体で構成され」ているのに対して、引用例1のものは、アンドープGaAlNとBP多層膜から構成されており、窒化ガリウム系化合物半導体で構成されているとはいえない点。

上記相違点について検討するに、引用例1記載のものは、
「AlN,GaNは結晶構造がウルツ鉱型(・・・WZ型と略称する)であり、しかもイオン性が大きいため格子欠陥が生じ易く、低抵抗のp型半導体を得ることができない。・・・
・・・これらが閃亜鉛鉱型(・・・ZB型と略称する)の結晶構造ではなく、WZ構造を持っていることが本質的な原因である。」との課題のもと、
「本発明に係るLEDは、pn接合を構成する半導体層として、BP層とGaxAl1-xN(0≦x≦1)層が交互に積層されて、GaxAl1-xN(0≦x≦1)層が閃亜鉛鉱型結晶構造を有する超格子層を用いたことを特徴とする。」、
「(作用)本発明者らの研究によれば、本来WZ構造である結晶であっても、安定なZB構造を有する結晶上に成長させれば、ある程度の厚さまではZB構造を保つことが判明した。従って本発明のLEDは第1に、GaxAl1-xN(0≦x≦1)層を・・・ZB構造であってイオン性が小さくpn制御が容易であるBP層と交互に積層して超格子層を構成することにより、・・・高輝度の青色発光が実現できる。」と記載されるように、
pn接合を構成するp層、n層及び発光層を、GaxAl1-xN(0≦x≦1)層とBP層との超格子層としたものであって、上記引用例1からは、BP層を省略すればウルツ鉱型になり、その結果「格子欠陥が生じ易く、低抵抗のp型半導体を得ることができない」ことになるから、引用例1のものはウルツ鉱型のBP層が必須のものであるので、引用例1からは「窒化ガリウム系化合物半導体で構成された比較的禁制帯幅の大きい薄膜結晶と比較的禁制帯幅の小さい薄膜結晶を複数接合した多数のヘテロ接合から成る層」との技術的事項を導くことはできない。

また、刊行物2〜4に、特許異議申立人の主張するとおり、上記記載事項(「5.刊行物等」参照)が記載されているとしても、これらは上記相違点を示すものではない。

そして、本件発明は、この点により明細書に記載された作用効果を奏するものである。

したがって、本件発明は、刊行物1記載の発明と同一であるとも、刊行物1〜4に基づいて当業者が容易に発明をすることができたものともいえない。

7.むすび
以上のとおり、特許異議の申立の理由及び証拠によっては、本件の請求項1に係る特許を取り消すことはできない。
また、他に請求項1に係る特許を取り消すべき理由を発見しない。
よって、結論のとおり決定する。
 
発明の名称 (54)【発明の名称】
窒化ガリウム系化合物半導体発光素子
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】 窒化ガリウム系化合物半導体を積層した窒化ガリウム系化合物半導体発光素子において、
シリコン(Si)がドープされてキャリア濃度の制御されたn型導電性を示す窒化ガリウム系化合物半導体((Alx1Ga1-x1)y1In1-y1N:0≦x1≦1,0≦y1≦1)から成るn層と、
マグネシウム(Mg)がドープされてp型化処理されたp型導電性を示す窒化ガリウム系化合物半導体((Alx2Ga1-x2)y2In1-y2N:0≦x2≦1,0≦y2≦1)から成るp層と、
前記n層と前記p層とに挟まれ、窒化ガリウム系化合物半導体で構成された比較的禁制帯幅の大きい薄膜結晶と比較的禁制帯幅の小さい薄膜結晶を複数接合した多数のヘテロ接合から成る層と
を有することを特徴とする窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。
【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、可視単波長、特に、青色領域から紫色領域まで、及び紫外光領域で発光可能な発光素子、例えば、半導体レーザダイオードに関する。
【0002】
本発明の発光素子、例えば、半導体レーザダイオードは、本発明者らにより初めて明らかにされた電子線照射処理による((AlxGa1-x)yIn1-yN:0≦x≦1,0≦y≦1)層のp型化技術を基盤として、新たに開発された技術を加えて、初めて、((AlxGa1-x)yIn1-yN:0≦x≦1,0≦y≦1)半導体レーザダイオードの製作が可能となったものである。
【0003】
【従来の技術】
現在、実用化されている最短波長の電流注入型半導体レーザダイオードは、リン化インジウムガリウムアルミニウム(InGaAlP)系結晶により作製されている。その発振波長は可視長波長領域、即ち、赤色領域である0.6〜0.7μm帯に属する。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、更に、短波長である青色、紫色領域或いは紫外光領域での発光が可能な半導体レーザを実現するのは、この材料では物性上困難である。より広い禁制帯幅を持つ半導体材料を用いる必要がある。(AlxGa1-x)yIn1-yNはその候補の一つである。
【0005】
(AlxGa1-x)yIn1-yN、特に、GaNは室温(300K)で光励起により誘導放出することが確認されている(H.Amano 等;Japanese Journal of Applied Physics 第29巻1990年 L205-L206頁)。このことから、上記半導体でレーザダイオードが構成できる可能性がある。
【0006】
しかしながら、上記系統の化合物半導体はp型単結晶薄膜の作製が困難であるため、現在に到るまで(AlxGa1-x)yIn1-yNを用いた電流注入による半導体レーザダイオードは実現していない。
【0007】
本発明は、上記の課題を解決するために成されたものであり、その目的とするところは、短波長である青色、紫色領域或いは紫外光領域における発光素子、例えば、半導体レーザを得ることである。
【0008】
【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を積層した窒化ガリウム系化合物半導体発光素子において、シリコン(Si)がドープされてキャリア濃度の制御されたn型導電性を示す窒化ガリウム系化合物半導体((Alx1Ga1-x1)y1In1-y1N:0≦x1≦1,0≦y1≦1)から成るn層と、マグネシウム(Mg)がドープされてp型化処理されたp型導電性を示す窒化ガリウム系化合物半導体((Alx2Ga1-x2)y2In1-y2N:0≦x2≦1,0≦y2≦1)から成るp層と、前記n層と前記p層とに挟まれ、窒化ガリウム系化合物半導体で構成された比較的禁制帯幅の大きい薄膜結晶と比較的禁制帯幅の小さい薄膜結晶を複数接合した多数のヘテロ接合から成る層とを有することを特徴とする窒化ガリウム系化合物半導体発光素子である。
【0009】
以下、次のような構成とすることも可能である。
n層及びp層を、禁制帯幅が同一な窒化ガリウム系化合物半導体で構成しても良い。
pn接合を、禁制帯幅の比較的大きい窒化ガリウム系化合物半導体から成る層と、禁制帯幅の比較的小さい窒化ガリウム系化合物半導体から成る層との接合により構成しても良い。
又、禁制帯幅の比較的小さい層(活性層)を、相互に禁制帯幅及び混晶組成が同一又は異なり、その層に対して禁制帯幅の比較的大きい層で挟んだ構造を有することを特徴とする。
又、禁制帯幅の異なる層を2つ以上積層した構造でも良い。
又、アクセプタ不純物をドープした窒化ガリウム系化合物半導体から成る層に電子線を照射してp型化させた層を有しても良い。
又、p型化された窒化ガリウム系化合物半導体から成る層とその層に対する電極用金属との接触部分の形状を短冊状としても良い。
基板には、サファイア、Si、6H-SiC又はGaNを用いることができる。
【0010】
【作用及び効果】
((AlxGa1-x)yIn1-yN:0≦x≦1,0≦y≦1)半導体において、本発明者等により、初めてp型電導性を示す層の製作が可能となった。これにより、上記の窒化ガリウム系化合物半導体で構成されたキャリア注入型の発光素子、例えば、レーザダイオードの製作及びその発振が可能となった。
【0011】
本発明のように電子線照射処理による(AlxGa1-x)yIn1-yNのp型化効果と、構造を工夫することにより、青色から紫色及び紫外光領域の発振波長を持つ発光素子、例えば、半導体レーザダイオードが実現された。
【0012】
【発明の概要】
上記発明において、窒化アルミニウムガリウムインジウム(AlxGa1-x)yIn1-yN単結晶作製用基板には、サファイア,珪素(Si),6H炭化珪素(6H-SiC)ないし窒化ガリウム(GaN)を用いることができる。
【0013】
サファイアを基板とする場合には少なくとも低温(例えば約600℃)で堆積したAlN薄膜を含む層を緩衝層とするのが望ましい。
【0014】
Siを基板とする場合には少なくとも3C-SiC薄膜一層か或いは3C-SiC薄膜及びAlN薄膜の二層を含む層を緩衝層とするのが望ましい。
【0015】
6H-SiCを基板とする場合には直接ないしGaNを緩衝層とするのが望ましい。GaNを基板とする場合には直接単結晶作製が行なわれる。Si,6H-SiC及びGaNを基板とする場合にはn型単結晶が用いられる。
【0016】
まず、同一組成同士の結晶によるpn接合構造を作製する場合につき述べる。サファイアを基板とする場合、(AlxGa1-x)yIn1-yNを成長させる直前に、基板温度を所望の値(例えば600℃)に設定し、成長炉内に少なくともアルミニウム(Al)を含む化合物及び窒素の水酸化物を導入し、サファイア基板表面にAlN薄膜緩衝層を形成する。
【0017】
その後、Alを含む化合物の導入を止め、基板温度の再設定を行う。そして、所望の混晶組成となるようにAlを含む化合物、ガリウム(Ga)を含む化合物及びインジウム(In)を含む化合物を導入してn型(AlxGa1-x)yIn1-yN単結晶の成長を行う。
【0018】
なお、この場合n型単結晶の抵抗率を下げるためにSi,酸素(O),硫黄(S),セレン(Se),テルル(Te)などドナー不純物となる元素を含む化合物を同時に導入しても良い。
【0019】
ドナー不純物をドーピングする場合、その濃度に関してはn層に均一にドーピングしても良い。又、n層のオーム性電極形成を容易にするためにn層成長初期に高濃度にドーピングし、pn接合付近ではドーピングしないか或いは低濃度にドーピングしても良い。
【0020】
次に、一度、ウエハを成長炉から取り出し、試料表面の一部を選択成長用マスクとなる物質、例えば酸化珪素(SiO2)により覆い、再びウエハを成長炉に戻す。又は、ウエハを取り出さずそのまま成長を続ける。
【0021】
少なくとも所望の混晶組成となるようなAlを含む化合物、Gaを含む化合物、Inを含む化合物及び窒素の水素化物及びアクセプタ不純物となる元素、例えばベリリウム(Be),マグネシウム(Mg),亜鉛(Zn),カドミウム(Cd),炭素(C)を含む化合物を成長炉に導入してアクセプタ不純物をドープした(AlxGa1-x)yIn1-yN単結晶(p層)の成長を行う。
【0022】
アクセプタドープ層の成長膜厚は電子線照射処理する場合の電子線侵入長を考慮して決定する。次にウェハを成長炉から取り出し、アクセプタドープ(AlxGa1-x)yIn1-yN層の電子線照射処理を行う。
【0023】
電子線照射処理する領域は試料表面全体或いは一部、例えば短冊状とする。試料表面全体に電子線を照射する場合には、更に、アクセプタドープ層(p層)の上に絶縁層を堆積し、その絶縁層の一部に短冊状の窓を開け、その窓の上に金属を接触させ、p層に対するオーム性電極を形成する。短冊状に電子線照射処理する場合には、電子線の照射された領域の一部或いは全部を覆うように金属を接触させ、p層に対するオーム性電極を形成する。
【0024】
最終的に、p層と金属の接触する部分の形状は短冊である。n層の電極は選択成長用マスクを取り外して、その後に形成するか、或いはアクセプタドープ層(p層)の一部を表面側からエッチングして下層のn層に対して窓を開け、金属を接触させオーム性電極を形成する。
【0025】
n型のSi、6H-SiC或いはGaNを基板として用いる場合もほぼ同様の手段により素子作製を行う。しかし、選択成長技術は用いず、p層とn層に対する電極は素子の上下の両側に形成する。即ち、n層電極は基板裏面全体に金属を接触させオーム性電極を形成する。
【0026】
以上が同一組成の結晶によるpn接合構造の発光素子、例えば、半導体レーザダイオードを作製する場合の基本的方法である。異種混晶組成の結晶の接合、いわゆるヘテロ接合を利用した素子を作製する場合にも、pn接合を形成するという点では上記同一混晶組成の結晶の接合を利用する場合と同様である。
【0027】
単一のヘテロ接合を形成する場合、同一混晶組成の結晶によるpn接合に加え、更にn層側に禁制帯幅が大きいn型の結晶を接合して少数キャリアである正孔の拡散阻止層とする。
【0028】
(AlxGa1-x)yIn1-yN系単結晶の禁制帯幅付近の発光はn層で特に強いため、活性層はn型結晶を用いる必要がある。(AlxGa1-x)yIn1-yN系単結晶のバンド構造は(AlxGa1-x)yIn1-yAs系単結晶や(AlxGa1-x)yIn1-yP系単結晶と似ており、バンド不連続の割合は価電子帯よりも伝導帯の方が大きいと考えられる。しかし、(AlxGa1-x)yIn1-yN系単結晶では正孔の有効質量が比較的大きいためn型同士のヘテロ接合は正孔拡散阻止として有効に作用する。
【0029】
二つのヘテロ接合を形成する場合、禁制帯幅の比較的小さいn型の結晶(活性層)の両側に各々禁制帯幅の大きいn型及びp型の結晶(n層、p層)を接合し禁制帯幅の小さいn型の結晶を挟む構造とする。
【0030】
多数のヘテロ接合を形成する場合、n型の比較的禁制帯幅の大きい薄膜結晶と比較的禁制帯幅の小さい薄膜結晶を複数接合し、その両側にそれぞれ更に禁制帯幅の大きいn型及びp型の結晶を接合し、多数のヘテロ接合を挟む。
【0031】
(AlxGa1-x)yIn1-yN系単結晶の禁制帯幅付近での光の屈折率は禁制帯幅が小さい程大きいため、他の(AlxGa1-x)yIn1-yAs系単結晶や(AlxGa1-x)yIn1-yP系単結晶による半導体レーザダイオードと同様、禁制帯幅の大きい結晶で挟むヘテロ構造は光の閉じ込めにも効果がある。
【0032】
ヘテロ接合を利用する場合も、同一組成の結晶によるpn接合の場合と同様に、オーム性電極組成を容易にするため電極と接触する部分付近のキャリア濃度は高濃度にしても良い。
【0033】
n型結晶のキャリア濃度はドナー不純物のドーピング濃度により、またp型結晶のキャリア濃度はアクセプタ不純物のドーピング濃度及び電子線照射処理条件により制御する。又、特にオーム性電極形成を容易にするため高キャリア濃度実現が容易な結晶を金属との接触用に更に接合してもよい。
【0034】
【実施例】
以下、本発明を具体的な実施例に基づいて説明する。(AlxGa1-x)yIn1-yN:0≦x≦1,0≦y≦1)半導体レーザダイオード用単結晶の作製には横型有機金属化合物気相成長装置を用いた。以下基板としてサファイア,Si,6H-SiC及びGaNを用いた場合各々について成長手順を示す。
【0035】
(1)サファイア基板の場合。
図1は、サファイア基板を用いた半導体レーザダイオードの構造を示した断面図である。図1において、(0001)面を結晶成長面とするサファイア基板1を有機洗浄の後、結晶成長装置の結晶成長部に設置する。成長炉を真空排気の後、水素を供給し1200℃程度まで昇温する。これによりサファイア基板1の表面に付着していた炭化水素系ガスがある程度取り除かれる。
【0036】
次に、サファイア基板1の温度を600℃程度まで降温し、トリメチルアルミニウム(TMA)及びアンモニア(NH3)を供給して、サファイア基板1上に50nm程度の膜厚を持つAlN層2を形成する。 次に、TMAの供給のみを止め、基板温度を1040℃まで上げ、TMA,トリメチルガリウム(TMG)及びシラン(SiH4)を供給しSiドープn型GaAlN層3(n層)を成長する。
【0037】
一旦、ウェハを成長炉から取り出し、GaAlN層3の表面の一部をSiO2でマスクした後、再び成長炉に戻して真空排気して水素及びNH3を供給し1040℃まで昇温する。次に、TMGを供給して、SiO2でマスクされていない部分に厚さ0.5μmのGaN層4(活性層)を成長させる。次に、TMA及びビスシクロペンタディエニルマクネシウム(Cp2Mg)を更に供給してドープGaAlN層5(p層)を0.5μm成長する。
【0038】
次に、マスクとして使用したSiO2を弗酸系エッチャントにより除去する。次に、ドープGaAlN層5(p層)上にSiO2層7を堆積した後、縦1mm、横50μmの短冊状に窓7Aを開け、真空チャンバに移して、ドープGaAlN層5(p層)に電子線照射処理を行う。典型的な電子線照射処理条件を表に示す。
【表1】

【0039】
次に、ドープGaAlN層5(p層)の窓8の部分と、Siドープn型GaAlN層3(n層)に、それぞれ、金属電極を形成する。結晶成長は以上である。
【0040】
(2)Si基板の場合。
Si基板上に作成したレーザダイオードの構造を図2に示す。低抵抗n型Siの(111)面基板8を有機洗浄の後、弗酸系エッチャントにより表面の酸化物を取り除き結晶成長部に設置する。成長炉を真空排気の後水素を導入し基板を1000℃まで昇温して、基板8の表面を洗浄化し、更に、プロパン(C3H8)又はアセチレン(C2H2)を供給する。これにより表面に3C-SiC薄膜9が形成される。
【0041】
この後、成長炉内を一旦真空排気して余分なガスを取り除く。次に成長炉に水素を供給し基板温度を600℃にし、TMA及びNH3を供給してAlN薄膜10を3C-SiC薄膜9上に形成する。次に、TMAの供給のみを止め基板温度を1040℃にして、TMG,TMA及びSiH4を供給してn型GaAlN層11(n層)を成長する。
【0042】
次に、TMA及びSiH4のみの供給を止めGaN層12(活性層)を0.5μm成長し、再びTMA及びCP2Mgを加えMgドープGaAlN層13(p層)を0.5μm成長する。次に、MgドープGaAlN層13(p層)上にSiO2層15を堆積した後、縦1mm、横50μmの短冊状に窓15Aを開け、真空チャンバに移して、MgドープGaAlN層13(p層)に電子線を照射する。電子線の照射条件は前実施例と同様である。その後、SiO2層15側からMgドープGaAlN層13(p層)に対する電極14Aを形成し、他方、基板8の裏面にn型GaAlN層11(n層)に対する電極14Bを形成した。
【0043】
(3)6H-SiC基板の場合。
6H-SiC基板上に作成したレーザダイオードを図3に示す。
低抵抗n型6H-SiCの(0001)面基板16を有機洗浄の後、王水系エッチャントによりエッチングの後、結晶成長部に設置する。成長炉を真空排気の後、水素を供給し、1200℃まで昇温する。次に、成長炉に水素を供給し基板温度を1040℃にして、TMG,SiH4及びNH3を供給してn型GaN緩衝層17を0.5〜1μm程度成長する。次に、TMAを加え、n型GaN緩衝層17の上にn型GaAlN層18(n層)を成長する。
【0044】
次に、n型GaAlN層18の上に、前記のSi基板を用いたレーザダイオードと同一構造に、同一ガスを用いて、同一成長条件で、それぞれ、GaN層19(活性層)を0.5μm、MgドープGaAlN層20(p層)を0.5μmの厚さに形成した。次に、MgドープGaAlN層20上にSiO2層22を堆積した後、縦1mm、横50μmの短冊状に窓22Aを開け、真空チャンバに移して、MgドープGaAlN層20(p層)に電子線を照射した。電子線の照射条件は前実施例と同様である。
【0045】
その後、SiO2層22側からMgドープGaAlN層20(p層)に対する電極21Aを形成し、他方、基板16の裏面にn型GaAlN層18(n層)に対する電極21Bを形成した。
【0046】
(4)GaN基板の場合。
GaN基板上に作成したレーザダイオードを図4に示す。
低抵抗n型GaNの(0001)面基板23を有機洗浄の後、リン酸+硫酸系エッチャントによりエッチングの後、この基板23を結晶成長部に設置する。次に、成長炉を真空排気の後、水素及びNH3を供給し、基板温度を1040℃にして、5分間放置する。次に、TMG及びSiH4を更に加えてn型GaN緩衝層24を0.5〜1μmの厚さに形成した。
【0047】
次に、TMAを加え、n型GaAlN層25を成長させた。次に、n型GaAlN層25の上に、前記のSi基板を用いたレーザダイオードと同一構造に、同一ガスを用いて、同一成長条件で、それぞれ、GaN層26(活性層)を0.5μm、MgドープGaAlN層27(p層)を0.5μmの厚さに形成した。次に、MgドープGaAlN層27上にSiO2層29を堆積した後、縦1mm、横50μmの短冊状に窓29Aを開け、真空チャンバに移して、MgドープGaAlN層27(p層)に電子線を照射した。電子線の照射条件は前実施例と同様である。
【0048】
その後、SiO2層29側からMgドープGaAlN層27(p層)に対する電極28Aを形成し、他方、基板23の裏面にn型GaAlN層25(n層)に対する電極28Bを形成した。
【0049】
上記のいづれの構造のレーザダイオードも、室温においてレーザ発振した。
【図面の簡単な説明】
【図1】
サファイア基板上に作製した本発明の具体的な一実施例に係る((AlxGa1-x)yIn1-yN:0≦x≦1,0≦y≦1)系半導体レーザダイオードの構成を示した断面図。
【図2】
Si基板上に作製した本発明の具体的な一実施例に係る((AlxGa1-x)yIn1-yN:0≦x≦1,0≦y≦1)系半導体レーザダイオードの構成を示した断面図。
【図3】
6H-SiC基板上に作製した本発明の具体的な一実施例に係る(AlxGa1-x)yIn1-yN:0≦x≦1,0≦y≦1)系半導体レーザダイオードの構成を示した断面図。
【図4】
GaN基板上に作製した本発明の具体的な一実施例に係る((AlxGa1-x)yIn1-yN:0≦x≦1,0≦y≦1)系半導体レーザダイオードの構成を示した断面図。
【符号の説明】
1…サファイアの(0001)面基板
2,9,17…AlN緩衝層
3,11,18,25…n型AlGaN層(n層)
4,12,19,26…GaN層(活性層)
5,13,20,27…MgドープAlGaN層(p層)
7,15,22,29…SiO2層
6A,14A,21A,28A…電極(MgドープAlGaN層(p層)に対する)
6B,14B,21B,28B…電極(n型AlGaN層(n層)に対する)
 
訂正の要旨 審決(決定)の【理由】欄参照。
異議決定日 2004-05-19 
出願番号 特願平11-136252
審決分類 P 1 651・ 113- YA (H01S)
P 1 651・ 121- YA (H01S)
最終処分 維持  
前審関与審査官 門田 かづよ  
特許庁審判長 平井 良憲
特許庁審判官 山下 崇
稲積 義登
登録日 2003-02-28 
登録番号 特許第3403665号(P3403665)
権利者 豊田合成株式会社 赤崎 勇 天野 浩
発明の名称 窒化ガリウム系化合物半導体発光素子  
代理人 藤谷 修  
代理人 藤谷 修  
代理人 藤谷 修  
代理人 藤谷 修  

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