JP2000332364A - 窒化物半導体素子 - Google Patents
窒化物半導体素子Info
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Abstract
する。 【解決手段】 サファイア基板上にn−クラッド層、M
QW活性層、p−クラッド層が積層されており、さら
に、MQW活性層のバリア層に傾斜ドーピングを施して
あり、その結果、圧縮応力によって発生するピエゾ電界
効果を効果的に低減でき、発光効率の大きな窒化物半導
体素子を得ることができる。
Description
への応用が期待されている半導体レーザなどのGaN系
半導体発光素子および製造方法に関するものである。
導体は、そのバンドギャップの大きさから、短波長発光
素子の材料として有望視されている。中でも窒化ガリウ
ム系化合物半導体(GaN系半導体:AlxGayInz
N(0≦x,y,z≦1、x+y+z=1)は研究が盛ん
に行われ、青色発光ダイオード(LED)、緑色LED
が実用化されている。また、光ディスク装置の大容量化
のために、400nm帯に発振波長を有する半導体レー
ザが熱望されており、GaN系半導体を材料とする半導
体レーザが注目され現在では実用レベルに達しつつあ
る。
系半導体レーザの構造断面図である。サファイア基板4
01上に有機金属気相成長法(MOVPE法)によりG
aNバッファ層402、n-GaN層403、n-AlG
aNクラッド層404、n-GaN光ガイド層405、G
a1-xInxN/Ga1-yInyN (0<y<x<1)から成
る多重量子井戸(MQW)活性層406、p-GaN第2
光ガイド層407、p-AlGaNクラッド層408、p-
GaNコンタクト層409が成長される。そしてp-Ga
Nコンタクト層409上に幅3ミクロン程度の幅のリッ
ジストライプが形成され、その両側はSiO2411に
よって埋め込まれる。その後リッジストライプおよびS
iO2411上に例えばNi/Auから成るp電極41
0、また一部をn-GaN層403が露出するまでエッチ
ングした表面に例えばTi/Alから成るn電極412
が形成される。本素子においてn電極412を接地し、
p電極410に電圧を印加すると、MQW活性層406
に向かってp電極410側からホールが、またn電極4
12側から電子が注入され、前記MQW活性層406内
で光学利得を生じ、発振波長400nm帯のレーザ発振
を起こす。MQW活性層406の材料であるGa1-xI
nxN/Ga1-yInyN薄膜の組成や膜厚によって発振波
長は変化する。現在室温以上での連続発振が実現されて
いる。
を制御することによって、水平方向の横モードにおいて
基本モードでレーザ発振するような工夫が成される。す
なわち、基本横モードと高次モード(1次以上のモー
ド)の光閉じ込め係数に差を設けることで、基本横モー
ドでの発振を可能としている。
層には,面内に水平方向に圧縮歪みが加わっている。窒
化物半導体は圧電効果の大きい材料であり、圧縮歪みが
加わることによって内部電界が生じる(ピエゾ電界効果
という)。例えばサファイア基板上に成長させたGaN
系半導体では、結晶の最表面が窒素面となり、結晶表面
からサファイア基板に向けて内部電界(ピエゾ電界)が
発生する。図4に示すGaN系半導体レーザでは図5に
示す方向に電界が生じることになる。
内で図5に示すように傾く。その結果、電子と正孔(ホ
ール)が空間的に分離され、発光効率が低下する。
を活性層に添加するという方法がとられるようになっ
た。Siのドーピングはキャリア(電子)をウエル層に
分布させることで、スクリーニング効果によって内部電
界を打ち消す方向に作用する。しかしながら、内部電界
を完全に打ち消すことは難しく、課題が残されている。
であり、ピエゾ電界効果を大きく低減でき、発光効率の
大きなGaN系半導体素子を提供するものである。特に
光ディスク用レーザへの応用において効果的である。
素子は、MQW活性層のバリア層に、不純物濃度が単調
にまたは段階的に減少するような傾斜ドーピングを施し
てある。
の最表面が窒素面となっており、MQW活性層のバリア
層にn型不純物が、nクラッド側が多くなるように添加
してある。
W活性層のバリア層にp型不純物が、pクラッド側が多
くなるように添加してある。
QW活性層のウエル層に、不純物濃度がウエル層内で徐
々に減少している傾斜ドーピングを施しており、圧縮応
力によって発生するピエゾ電界効果を効果的に低減で
き、発光効率の大きな窒化物半導体素子を得ることがで
きる。
晶の最表面が窒素面となっており、MQW活性層のウエ
ル層にn型不純物が、pクラッド側が多くなるように添
加してある。
QW活性層のウエル層にp型不純物が、nクラッド側が
多くなるように添加してある。
て図面を用いて詳細に説明する。本発明の製造方法は、
窒化物半導体の成長方法はMOVPE法に限定するもの
ではなく、ハイドライド気相成長法(H−VPE法)や
分子線エピタキシー法(MBE法)など、窒化物半導体
層を成長させるためにこれまで提案されている全ての方
法に適用できる。
示すGaN系半導体レーザの構造断面図である。図1に
示すレーザの作製方法は以下の通りである。
機金属とアンモニア(NH3)とを供給してバッファ層
2を堆積する。その後、昇温させて、トリ・メチル・ガ
リウム(TMG)、モノシラン(SiH4)、トリ・メ
チル・アルミニウム(TMA)等を供給してn-Al0.15
Ga0.85N層3、n-Al0.07Ga0.93Nクラッド層4、
n-GaN光ガイド層5、多重量子井戸(MQW)活性層
6、p-GaN光ガイド層7、p-Al0.07Ga0.93Nク
ラッド層8、p-GaNコンタクト層9が順次積層され
る。p-GaNコンタクト層9およびp-Al0.07Ga
0.93Nクラッド層8は、水平横モードの制御のために、
リッジストライプ状に加工されている。ストライプ幅は
3〜5ミクロン程度である。p-GaNコンタクト層9
上にはp電極10が形成され、リッジの側壁は絶縁膜1
1で覆われている。絶縁膜11の開口部のp電極10表
面と、絶縁膜11の一部には配線電極12が設けられて
いる。また、n-Al0.15Ga0.85N層3の一部が露出す
るまでエッチングを行った表面には、n電極13が形成
されている。
間に電圧を印加すると、MQW活性層6に向かってp電
極10から正孔(ホール)がn電極13から電子が注入
され、活性層で利得を生じ、405nmの波長でレーザ
発振を起こす。MQW活性層6は厚さ3.5nmのGa
0.8In0.2N井戸層と厚さ10nmのGaNバリア層か
ら構成されている。
バリア層における不純物の濃度プロファイルを図2に示
す。ここでは、n型不純物であるSi(シリコン)を例
に示してある。(a)ではSi濃度が5x1018cm-3
から連続的に減少している。(b)では階段上に減少し
ている。また、(c)では基板側(nクラッド側)のみ
ドーピングしてある。(a)〜(c)のいずれも場合、
nクラッド側のSi濃度が高いということが大切であ
る。このようにドーピングすることで、歪みによって生
じるピエゾ電界の打ち消しに大きな効果を発揮する。そ
の結果、図2のバンド構造に示すように、フラット・バ
ンドとなり、発光効率を高い状態に維持することができ
る。
面であり、ピエゾ電界がp側からn側に向けて発生する
ために、図2(a)〜(c)に示すようにnクラッド層
側のSi濃度が高くなっている。逆の場合、すなわちG
a面の場合には、ドーピング・プロファイルも逆とな
る。
合は、図2(a)〜(c)に示すプロファイルとは逆、
つまりpクラッド層側のMg濃度を高くすることで、ピ
エゾ電界を効果的に打ち消すことができる。
不純物としてMgを用いた。その理由は、これらのドー
パントがGaN系結晶において比較的浅い不純物レベル
を形成すること、また、不純物拡散が起こりにくいこと
から、ピエゾ電界の打ち消しに効果的であるからであ
る。
打ち消すことができるため、従来のGaN系発光素子に
見られた発光効率の低下や、半導体レーザのしきい値電
流の増加といった問題が発生せず、良好な特性を有する
窒化物半導体素子を得ることができる。特に光ディスク
用レーザへの応用において効果的である。
ゾ電界の発生を打ち消すことができるためMQW活性層
内のバリア層にドーピングを施した場合について述べ
た。ここでは、ウエル層にドーピングを行なう場合につ
いて述べる。
ル層における不純物の濃度プロファイルを図3に示す。
ここでは、n型不純物であるSi(シリコン)を例に示
してある。(a)ではSi濃度が5x1018cm-3へ連
続的に増加している。(b)では階段上に増加してい
る。また、(c)ではpクラッド側のみドーピングして
ある。(a)〜(c)のいずれも場合、pクラッド側の
Si濃度が高いということが大切である。このようにド
ーピングすることで、圧縮応力によって生じるピエゾ電
界の打ち消しに大きな効果を発揮する。サファイア基板
を用いる場合は最表面がN面であり、ピエゾ電界がp側
からn側に向けて発生するために、図3(a)〜(c)
に示すようにpクラッド層側のSi濃度が高くなってい
る。
ーピング・プロファイルも逆となる。
合は、図3(a)〜(c)に示すプロファイルとは逆、
つまりnクラッド層側のMg濃度を高くすることで、ピ
エゾ電界を効果的に打ち消すことができる。
打ち消すことができるため、従来のGaN系発光素子に
見られた発光効率の低下や、半導体レーザのしきい値電
流の増加といった問題が発生せず、良好な特性を有する
窒化物半導体素子を得ることができる。特に光ディスク
用レーザへの応用において効果的である。
取って説明したが、発光ダイオード等の活性領域を成長
させる際にも本発明の効果は大きい。
説明したが、この2つを組み合わせても本発明の効果は
大きいことは言うまでもない。
半導体素子は、MQW活性層のバリア層に傾斜ドーピン
グを施すことによって、圧縮応力によって発生するピエ
ゾ電界効果を効果的に低減でき、発光効率の大きな窒化
物半導体素子を得ることができる。特に光ディスク用レ
ーザへの応用において効果的である。
表面が窒素面となっており、MQW活性層のバリア層に
n型不純物が、nクラッド側が多くなるように添加して
ある。
は、MQW活性層のバリア層にp型不純物が、pクラッ
ド側が多くなるように添加してある。このようにドーピ
ングすることで、歪みによって生じるピエゾ電界を非常
に効果的に打ち消すことができ、従来のGaN系発光素
子に見られた発光効率の低下や、半導体レーザのしきい
値電流の増加といった問題が発生せず、良好な特性を有
する窒化物半導体素子を得ることができる。
QW活性層のウエル層に傾斜ドーピングを施しており、
圧縮応力によって発生するピエゾ電界効果を効果的に低
減でき、発光効率の大きな窒化物半導体素子を得ること
ができる。
表面が窒素面となっており、MQW活性層のウエル層に
n型不純物が、pクラッド側が多くなるように添加して
ある。
は、MQW活性層のウエル層にp型不純物が、nクラッ
ド側が多くなるように添加してある。このようにドーピ
ングすることで、歪みによって発生するピエゾ電界を効
果的に打ち消すことができ、従来のGaN系発光素子に
見られた発光効率の低下や、半導体レーザのしきい値電
流の増加といった問題が発生せず、良好な特性を有する
窒化物半導体素子を得ることができる。特に光ディスク
用レーザへの応用において効果的である。
体レーザの素子断面図
不純物プロファイルを示した図
不純物プロファイルを示した図
面図
活性層のバンド図
Claims (10)
- 【請求項1】 活性層と、該活性層を挟むクラッド層と
を備えた窒化物半導体素子であって、該活性層がバリア
層とウエル層からなる多重量子井戸構造であり、該バリ
ア層には不純物が添加されており、該不純物の濃度がバ
リア層内で徐々に減少している窒化物半導体素子。 - 【請求項2】 活性層と、該活性層を挟むクラッド層と
を備えた窒化物半導体素子であって、該活性層がバリア
層とウエル層からなる多重量子井戸構造であり、該バリ
ア層には不純物が添加されており、該不純物の濃度がバ
リア層内で階段状に変化している窒化物半導体素子。 - 【請求項3】 活性層と、該活性層を挟むクラッド層と
を備えた窒化物半導体素子であって、該窒化物半導体結
晶の最表面が窒素面となっており、該窒化物半導体素子
の多重量子井戸活性層のバリア層にn型不純物が、nク
ラッド側が多くなるように添加してある窒化物半導体素
子。 - 【請求項4】 活性層と、該活性層を挟むクラッド層と
を備えた窒化物半導体素子であって、該窒化物半導体結
晶の最表面が窒素面となっており、該窒化物半導体素子
の多重量子井戸活性層のバリア層にp型不純物が、pク
ラッド側が多くなるように添加してある窒化物半導体素
子。 - 【請求項5】 活性層と、該活性層を挟むクラッド層と
を備えた窒化物半導体素子であって、該活性層がバリア
層とウエル層からなる多重量子井戸構造であり、該ウエ
ル層には不純物が添加されており、該不純物の濃度がウ
エル層内で徐々に減少している窒化物半導体素子。 - 【請求項6】 活性層と、該活性層を挟むクラッド層と
を備えた窒化物半導体素子であって、該活性層がバリア
層とウエル層からなる多重量子井戸構造であり、該ウエ
ル層には不純物が添加されており、該不純物の濃度がウ
エル層内で階段状に変化している窒化物半導体素子。 - 【請求項7】 活性層と、該活性層を挟むクラッド層と
を備えた窒化物半導体素子であって、該窒化物半導体結
晶の最表面が窒素面となっており、該窒化物半導体素子
の多重量子井戸活性層のウエル層にn型不純物が、pク
ラッド側が多くなるように添加してある窒化物半導体素
子。 - 【請求項8】 活性層と、該活性層を挟むクラッド層と
を備えた窒化物半導体素子であって、該窒化物半導体結
晶の最表面が窒素面となっており、該窒化物半導体素子
の多重量子井戸活性層のウエル層にp型不純物が、nク
ラッド側が多くなるように添加してある窒化物半導体素
子。 - 【請求項9】 n型不純物がシリコンである請求項3ま
たは請求項7に記載の窒化物半導体素子。 - 【請求項10】 p型不純物がマグネシウムである請求
項4または請求項8に記載の窒化物半導体素子。
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