JP2002141614A

JP2002141614A - 窒化物半導体素子及びそれを用いた発光装置

Info

Publication number: JP2002141614A
Application number: JP2000333613A
Authority: JP
Inventors: Shinichi Nagahama; 慎一長濱
Original assignee: Nichia Chemical Industries Ltd
Current assignee: Nichia Chemical Industries Ltd
Priority date: 2000-10-31
Filing date: 2000-10-31
Publication date: 2002-05-17
Anticipated expiration: 2020-10-31
Also published as: JP4931271B2

Abstract

(57)【要約】【課題】窒化物半導体を用いた素子構造中に、Ａｌを
含む窒化物半導体の層を有する場合に、従来結晶性の悪
化やクラックの発生などのため十分に機能しなかったも
のを改善し、良好な素子特性を得る。【解決手段】ＡｌＮからなる窒化物津半導体基板１０
１の上に、Ａｌを含む窒化物半導体からなる層を有する
素子構造１０３〜１１１が形成されたレーザ素子とす
る。この構成により、窒化物半導体基板上の素子構造中
に、基板よりも熱膨張係数の小さいＡｌを含む窒化物半
導体層を有することで、そのＡｌを含む窒化物半導体層
を結晶性良く形成することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、膜厚方向に共振器を有
する面発光型のレーザ素子に係り、特にＧａＮ、Ａｌ
Ｎ、もしくはＩｎＮ、又はこれらの混晶であるIII−V族
窒化物半導体（ＩｎｂＡｌｃＧａ１−ｂ−ｃＮ、０≦
ｂ、０≦ｄ、ｂ＋ｄ＜１）を用いた素子に関する。

【０００２】

【従来の技術】今日、窒化物半導体を用いた半導体レー
ザは、ＤＶＤなど、大容量・高密度の情報記録・再生が
可能な光ディスクシステムへの利用に対する要求が高ま
りを見せている。このため、窒化物半導体を用いた半導
体レーザ素子は、研究が盛んになされている。また、窒
化物半導体を用いた半導体レーザ素子は、紫外域から赤
色に至るまで、幅広く可視光域での発振が可能と考えら
れ、その応用範囲は、上記光ディスクシステムの光源に
とどまらず、レーザプリンタ、光ネットワークなどの光
源など、多岐にわたるものと期待されている。

【０００３】また、窒化物半導体を用いた発光素子は、
赤色系〜紫外域までの波長の光を発光することができ、
これにより、様々な用途に用いることができる。更に、
窒化物半導体を用いた素子として、トランジスタ、パワ
ーデバイス等の電子デバイス、フォトダイオード、太陽
電池への応用にも、可能性が見いだされている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上述したように、窒化
物半導体を用いた様々な素子及び発光装置には、様々な
応用があるが、結晶成長において深刻な問題がある。そ
れは、Ａｌを含む窒化物半導体を成長させると、結晶性
を悪化させ、素子構造の破壊にまでおよぶ深刻なクラッ
クの発生を招くものとなる。また、Ａｌを含む窒化物半
導体層を素子構造として成長させると、その上に成長さ
せる窒化物半導体にも深刻な結晶性の悪化が引き起こさ
れる。このため、従来は、Ａｌを含む窒化物半導体を素
子構造内に設ける場合には、Ａｌ混晶比の異なる層との
多層膜として、薄膜、若しくは超格子を積層したものを
用いていた。例えば、従来のレーザ素子では、クラッド
層として、ＡｌＧａＮの単一膜を用いたいが上記問題が
あるため、ＡｌＧａＮとＧａＮを薄く膜厚（超格子）で
交互に複数積層して、擬似的にＡｌＧａＮのクラッド層
として形成されている。

【０００５】これらは、従来、サファイア基板などの異
種基板の上に、窒化物半導体からなるバッファ層、下地
層（窒化物半導体基板）などを介して、その上に素子構
造を形成していたため、異種基板との格子定数差・熱膨
張係数差などのために、成長させる窒化物半導体に制限
があった。また、前記バッファ層、下地層、若しくはそ
の上に形成するｎ型層として、ＧａＮが多く用いられ、
この上に、Ａｌを含む窒化物半導体を成長させるには、
膜厚を超格子程度、１００Å以下、の薄膜で設けなけれ
ば、結晶性の悪化、クラックの発生という問題を解決す
ることができなかった。すなわち、ＧａＮを基板として
その上に素子構造を形成したものでは、ＧａＮを用いた
コンタクト層、ＧａＮにＡｌ若しくはＩｎを混晶した層
とそれよりも混晶比の低い層若しくはＧａＮ層とを積層
した多層膜などからなり、主にＧａＮを中心とした組成
でもって素子構造が形成されたものとなる。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明は、前記事情に鑑
みて成されたものであり、素子構造を形成する窒化物半
導体基板のＡｌ混晶比を０より大きいものとすること
で、前記課題を解決するものである。

【０００７】すなわち、本発明の窒化物半導体素子及び
発光装置は、以下の（１）〜（６）の構成により上記課
題を解決するものである。

【０００８】（１）窒化物半導体基板の上に、窒化物半
導体を積層した窒化物半導体素子において、前記窒化物
半導体基板がＡｌを含む窒化物半導体であり、前記積層
される窒化物半導体として、Ａｌを含む窒化物半導体か
らなる第１の窒化物半導体層を有することを特徴とする
窒化物半導体素子。この構成により、従来Ａｌを含む窒
化物半導体がクラックの発生など結晶性の悪化により厚
膜で成長させることが困難であったが、そのような制限
がなく素子構造中の任意の位置に、厚膜のＡｌを含む窒
化物半導体（第１の窒化物半導体層）を設けることがで
きる。また、Ａｌを含む窒化物半導体において、Ａｌ混
晶比が大きくなるにつれて、結晶性、クラックの発生が
悪くなる傾向にあるが、上記窒化物半導体基板を用いる
ことで、第１の窒化物半導体層との熱膨張係数差を小さ
くすることができ、高いＡｌ混晶比のＡｌを含む窒化物
半導体を素子構造中に設けることができる。ここで、窒
化物半導体基板は、低温で成長させたバッファ層と異な
り単結晶で形成され、素子構造を形成するための基板と
なるものである。また、第１の窒化物半導体層は、例え
ばＬＤ、ＬＥＤなどの発光素子で電子閉込め層、クラッ
ド層などに用いられるものである。

【０００９】（２）前記窒化物半導体基板のＡｌ混晶比
ｘが、ｘ＞０であり、前記第１の窒化物半導体層のＡｌ
混晶比ｙが、ｙ＞０であって、ｘ≧ｙであることを特徴
とする。この構成により、Ａｌ混晶比の大きな第１の窒
化物半導体層を素子構造中に設けても、クラックの発
生、結晶性の悪化を抑えることができ、良好な素子特性
の窒化物半導体素子を得ることができる。これは、窒化
物半導体基板よりも低いＡｌ混晶比の第１の窒化物半導
体層は、窒化物半導体基板よりも熱膨張係数が小さいた
め、従来のようにＧａＮを基板とする場合と異なり、よ
り高いＡｌ混晶比、より大きな膜厚でも良好な結晶性で
第１の窒化物半導体層を形成できることにある。ここで
好ましくは、素子構造中に用いられる全てのＡｌを含む
窒化物半導体層が、窒化物半導体基板よりも低いＡｌ混
晶比を有すること、すなわち、素子構造中で最も大きな
Ａｌ混晶比の層が第１の窒化物半導体層であることで、
上述した効果を最大限に利用でき、より高機能な素子を
得ることができる。

【００１０】（３）前記窒化物半導体基板が、ＡｌＮで
あることを特徴とする。この構成により、上述したよう
に、窒化物半導体基板の上に、その基板のＡｌ混晶比と
ほぼ同じかそれよりも低いＡｌを窒化物半導体を有する
素子構造が形成されることになり、従来のように、Ａｌ
混晶比の大きさ、膜厚に制限されることがなくなり、優
れた素子特性を得ることができる。

【００１１】（４）請求項１乃至３記載の窒化物半導体
素子において、前記窒化物半導体基板の上に、Ｉｎを含
む窒化物半導体を有する活性層を有することを特徴とす
る発光装置。この構成により、優れた発光装置を得るこ
とが可能となる。これは、前記活性層を有する発光装置
において、Ａｌを含む窒化物半導体層（第１の窒化物半
導体層）は、上述したように活性層内へのキャリアの閉
込めとして機能する層、クラッド層などに用いられ、こ
れらの層を結晶性良く、また膜厚、Ａｌ混晶比が制限さ
れることなく形成できることから、キャリアの閉込め、
光の閉込めが高い効率で実現され、より高出力、高機能
の発光装置を得ることができることとなる。

【００１２】（５）前記窒化物半導体素子として、下部
クラッド層、前記活性層、上部クラッド層、が順に積層
された構造を有すると共に、該下部クラッド層が前記第
1の窒化物半導体層を有し、該上部クラッド層がＡｌを
含む窒化物半導体からなる第２の窒化物半導体層を有す
ることを特徴とする。この構成により、より高い外部量
子効率を得ることが可能となり、照明の光源など、応用
が可能である。これは、上述したように、高いＡｌ混晶
比、大きい膜厚で上部、下部クラッド層が形成できるこ
とから、閉込め係数の大きなＬＤとなり、しきい値を低
下させ、外部量子効率の大きな素子となり、具体的には
外部量子効率が７０％以上となるＬＤを得ることが可能
となり、照明などの光源に適した発光装置となる。ここ
で、この発光装置を照明などの白色光源とするには、こ
の発光装置をＲＧＢに対応する波長のＬＤを組み合わせ
た装置の少なくとも一部として構成させるもの、若しく
はこの発光装置からの発光の少なくとも一部を吸収し波
長変換して発光する蛍光体と組み合わせた装置を用いる
ことができる。窒化物半導体を用いた発光装置に用いる
蛍光体としては、イットリウム・アルミニウム・ガーネ
ット系蛍光体を好ましく用いることができ、具体的には
セリウム付活で、Ｒｅ_1-xＳｍ_x）₃（Ａｌ_1-yＧａ_y）₅Ｏ
₁₂：Ｃｅで表される蛍光体を用いることができる（ただ
し、０≦ｘ＜１、０≦ｙ≦１、Ｒｅは、Ｙ、Ｇｄ、Ｌａ
から選択される少なくとも一種の元素である）。

【００１３】（６）前記窒化物半導体素子が、Ａｌを含
む窒化物半導体と、Ｉｎを含む窒化物半導体と、が積層
されてなることを特徴とする。この構成であること、す
なわち窒化物半導体基板上の素子構造がＡｌを含む窒化
物半導体層とＩｎを含む窒化物半導体とだけで構成され
ることにより、従来と異なる素子構造を形成することが
でき、素子特性に優れる窒化物半導体素子が得られる。
これは、従来はＧａＮからなる基板の上に、ＧａＮと他
の窒化物半導体とが積層された素子構造が形成されてき
たが、本発明では窒化物半導体基板がＡｌを含む窒化物
半導体であるため、素子構造中にＧａＮのようにＡｌ及
びＩｎを含まない窒化物半導体を有すると、それに隣接
してＡｌを含む窒化物半導体がある場合に、両者に大き
な格子定数差、熱膨張係数差があることから、積層構造
の組合せによっては結晶性にかえって悪影響を及ぼすこ
とがあるからである。また、Ｉｎを含む窒化物半導体
は、Ｉｎを含まない窒化物半導体に比べて、柔らかい結
晶性を有するため、Ａｌを含む窒化物半導体と、Ｉｎを
含む窒化物半導体と、が積層された素子構造において、
格子定数差などが大きくても、Ｉｎを含む窒化物半導体
はバッファとして機能させることができる。ここで、Ａ
ｌを含む窒化物半導体としては、Ａｌ_xＧａ_1-xＮ（０＜
ｘ≦１）を好ましく用いることができ、Ｉｎを含む窒化
物半導体としては、Ｉｎ_yＧａ_1-yＮを好ましく用いるこ
とができる。これは、ＩｎＡｌＧａＮのように４元混晶
を用いた素子であると各層の間の格子定数差を低く抑え
ることが可能となるが、成長方法によっては各層自身の
結晶性が悪化する場合があるため、３元混晶とすること
が好ましい。

【００１４】

【発明の実施の形態】

【００１５】［基板］本発明に用いる窒化物半導体基板
としては、Ａｌ混晶比ｘが、ｘ＞０となる窒化物半導体
であり、具体的な組成としてはＡｌ_xＧａ_1-xＮ（０＜ｘ
≦１）で表されるものである。この時、窒化物半導体基
板として更に好ましくは、ＡｌＮである。なぜなら、Ａ
ｌ_xＧａ_1-xＮであることで、その上の素子構造として高
いＡｌ混晶比の窒化物半導体を用いることができ、様々
な素子構造を形成することが可能となる。また、窒化物
半導体基板がＡｌＮであると、素子構造若しくは基板の
上に、より高いＡｌ混晶比の窒化物半導体、２元混晶の
ＡｌＮをも使用することが可能となる。ここで、Ａｌを
含む窒化物半導体は、従来でも異種基板、さらにはＧａ
Ｎ、ＡｌＧａＮ、ＡｌＮなどのバッファ層を介して、成
長させることが可能であったが、その膜厚は好ましい条
件下で成長させても数百Å以下程度で、それ以上の厚膜
であると、１００Å以下程度で、上記窒化物半導体基板
を用いてその上に設けられるＡｌを含む窒化物半導体層
の膜厚は、これ以上の膜厚、具体的には５００Å以上の
膜厚であっても、単一膜として形成でき、従来のよう
に、ＡｌＧａＮ／ＧａＮの超格子多層膜としてクラッド
層などを形成せずに、単一膜のクラッド層の形成も可能
となる。このように、Ａｌを含む窒化物半導体を単一膜
とし、それを窒化物半導体素子に用いると、Ａｌを含む
窒化物半導体の本来の性質を十分に引き出すことが可能
となり、例えばレーザ素子のクラッド層に用いると、Ａ
ｌＧａＮ／ＧａＮの超格子多層膜のクラッド層を用いる
場合に比べて、光の閉込めを高めることができ、このこ
とによりしきい値電流を低下させ、外部量子効率を向上
させることが可能となる。

【００１６】ここで、本発明の窒化物半導体基板は、単
体基板であっても、素子構造を形成する下地層となり、
異種基板上に設けられた基板であっても、どちらでも良
い。好ましくは、窒化物半導体とは異なる材料からなる
異種基板が除かれた状態の単体基板を用いることであ
る。また、異種基板などの上にＡｌを含む窒化物半導体
基板を設けて、その上に素子構造を形成する場合には、
少なくとも１μｍ以上の膜厚で形成したものを用いるこ
とが好ましい。窒化物半導体の成長には、従来知られた
方法で成長させることができ、有機金属気相成長法が好
ましく用いられ、ＭＢＥ、ＭＯＶＰＥ、ＨＶＰＥなどを
用いることができる。窒化物半導体基板の膜厚が１０μ
ｍ以下ではＭＯＣＶＤを用いることで結晶性の良い状態
で成長させることができ、１０μｍ以上であると成長速
度の遅いＭＯＣＶＤを用いるよりも成長速度の比較的大
きいＨＶＰＥを用いることで、厚膜の窒化物半導体を効
率よく得ることが可能となる。異種基板上に窒化物半導
体基板を形成して、単体基板として取り出すには、少な
くとも１０μｍ以上の膜厚で窒化物半導体基板を形成す
ることであり、好ましくは５０μｍ以上、更に好ましく
は１００μｍ以上の膜厚で設けることである。これは、
１μｍ以下であると異種基板を除去することが困難で、
５０μｍ以上であると異種基板を除去して単体基板を得
ることが容易となり、１００μｍ以上であることで更に
単体基板を得ることが確実にでき、単体基板の取り扱い
も容易になる。また、数百℃以上の高温、数千気圧以上
の高圧下で窒化物半導体の種結晶から単結晶を成長させ
たものを、窒化物半導体基板に用いても良い。

【００１７】ここで、異種基板上に上記窒化物半導体基
板を形成する際に、異種基板上に低温で成長させた窒化
物半導体からなるバッファ層、さらにその上にバッファ
層よりも高い温度で単結晶で成長した窒化物半導体を成
長させて、窒化物半導体基板となる窒化物半導体層を形
成することができる。この時、低温で成長させるバッフ
ァ層は、具体的にはＡｌ_xＧａ_1-xＮ（０≦ｘ＜１）で表
される窒化物半導体を用いることができ、成長温度とし
ては４００℃〜９００℃の範囲で成長されて、単結晶で
ない膜が形成される。

【００１８】また、本発明の窒化物半導体基板の上に、
半導体多層膜からなる反射膜を設ける場合にも有利に働
くものとなる。これは、窒化物半導体の多層膜で反射膜
を形成する場合には、屈折率差が大きくなるように、Ａ
ｌを含む窒化物半導体とＡｌを含まない窒化物半導体と
を交互に積層したものを用いるが、この時、Ａｌを含む
窒化物半導体のＡｌ混晶比を大きくすることで、両方の
層の屈折率差を大きくでき、結果として反射膜の反射率
を高くすることができる。ここで、Ａｌを含む窒化物半
導体としては、Ａｌ_aＧａ_1-aＮ（０＜ａ≦１）があり、
Ａｌを含まない窒化物半導体としてはＩｎ_bＧａ_1-bＮ
（０≦ｂ≦１）があり、好ましくはＡｌ_aＧａ_1-aＮ
（０．５＜ａ≦１）／ＧａＮ、更に好ましくはＡｌＮ／
ＧａＮの多層膜を用いることで、高い反射率の半導体多
層膜を形成することができる

【００１９】［第１の窒化物半導体層］本発明の第１の
窒化物半導体層は、窒化物半導体基板の上に素子構造と
して設けられる窒化物半導体であり、Ａｌ混晶比ｙがｙ
＞０となる窒化物半導体である。具体的には、Ａｌ_yＧ
ａ_1-yＮ（０＜ｙ≦１）で表される組成を好適に用いる
ことができる。例えば、ＡｌＧａＮ若しくはＡｌＮから
なるクラッド層、コンタクト層として用いることができ
る。従来は、ＧａＮ、若しくは低混晶比のＡｌを有する
ＡｌＧａＮを、下地層（基板）として、その上に、素子
構造を設けていた。このため、ＡｌＧａＮなどのＡｌを
含む窒化物半導体からなる層を設ける場合に、超格子で
積層した超格子多層膜などのように、比較的うすい膜厚
でしか、十分な結晶性の層を設けることができなかっ
た。本発明では、第１の窒化物半導体のＡｌ混晶比ｙ以
上のＡｌ混晶比ｘの窒化物半導体基板を有することで、
Ａｌを含む窒化物半導体の成長が良好なものとなり、ク
ラッド層、反射膜などに用いられるＡｌを含む窒化物半
導体を単一膜で成長させることが可能となる。

【００２０】従って、本発明では、熱膨張係数の大きい
窒化物半導体基板の上に、それとほぼ同じかそれよりも
熱膨張係数の小さい窒化物半導体層（第１の窒化物半導
体層）を素子構造として、形成するものとなり、その素
子構造の形成において、クラックの発生などのない、優
れた素子構造を形成することができる。具体的には、窒
化物半導体基板のＡｌ混晶比と第１の窒化物半導体層の
Ａｌ混晶比が上述の関係にあること、すなわち、窒化物
半導体基板のＡｌ混晶比とほぼ同じかそれよりも小さい
Ａｌ混晶比（０を含む）の窒化物半導体層を素子構造と
して形成することで、このような熱膨張係数の関係を築
くことができ、素子構造としてＡｌを含む窒化物半導体
を用いる場合には、クラックの発生することなく単一膜
の層を形成することができる。

【００２１】［第２の窒化物半導体層］本発明の第２の
窒化物半導体層としては、上部クラッド層に用いられる
ものであり、具体的な窒化物半導体としては、第１の窒
化物半導体と同様なものを用いることができる。

【００２２】［活性層］本発明に用いる活性層として
は、量子井戸構造を用いても良く、多重量子井戸構造、
単一量子井戸構造のどちらでも良い。好ましくは、多重
量子井戸構造とすることで、出力の向上、発振閾値の低
下などが図ることが可能となる。活性層の量子井戸構造
としては、後述する井戸層、障壁層を積層したものを用
いることができる。また、積層構造としては、井戸層を
障壁層で挟み込む構造を積層したものであり、すなわ
ち、単一量子井戸構造においては、井戸層を挟むよう
に、ｐ型窒化物半導体層側、ｎ型窒化物半導体層側に、
それぞれ障壁層を少なくとも１層有する。活性層には、
少なくとも、Ｉｎを含む窒化物半導体を有することが好
ましく、量子井戸構造である場合には、Ｉｎを含む窒化
物半導体を有する井戸層を少なくとも設けることであ
る。この時具体的な組成としては、Ｉｎ_αＧａ_1- _αＮ
（０＜α≦１）を好ましく用いることができる。このこ
とにより、良好な発光・発振を可能とする井戸層とな
る。この時、Ｉｎ混晶比により、発光波長を決めること
ができる。

【００２３】本発明において、障壁層の組成としては、
特に限定されないが、井戸層よりＩｎ混晶比の低いＩｎ
を含む窒化物半導体若しくはＧａＮ、Ａｌを含む窒化物
半導体などを用いることができる。具体的な組成として
は、Ｉｎ_βＧａ_1- _βＮ（０≦β＜１，α＞β）、Ｇａ
Ｎ、Ａｌ_γＧａ_1- _γＮ（０＜γ≦１）などを用いること
ができる。

【００２４】［ｎ型層］本発明のｎ型層の組成として
は、Ｉｎ_xＡｌ_yＧａ_1-x-yＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦
１、０≦ｘ＋ｙ≦１）で表される窒化物半導体が用いら
れ、ｎ型不純物をドープしたもの、アンドープのもの
（成長時にｎ型不純物をドープしないもの）、ノンドー
プのもの（ｎ型不純物を含有しないもの）を用いること
ができる。ここで、ｎ型不純物としては、Ｓｉ、Ｇｅ、
Ｓｎ、Ｓ、Ｏ等が挙げられ、好ましくはＳｉ、Ｓｎを用
いることである。

【００２５】［ｐ型層］本発明のｐ型層の組成として
は、Ｉｎ_xＡｌ_yＧａ_1-x-yＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦
１、０≦ｘ＋ｙ≦１）で表される窒化物半導体が用いら
れ、ｐ型不純物をドープしたもの、アンドープのもの
（成長時にｎ型不純物をドープしないもの）、を用いる
ことができる。ここで、ｐ型不純物としては、Ｍｇ、Ｚ
ｎ、Ｂｅ、Ｃａが挙げられ、好ましくはＭｇを用いるこ
とである。

【００２６】

【実施例】［実施例１］（窒化物半導体基板）以下、実施例として、図１に示す
ようなレーザ素子構造の窒化物半導体を用いたレーザ素
子について、説明する。

【００２７】（基板１０１）基板として、ＡｌＮから
なる窒化物半導体基板を用いる。この窒化物半導体基板
は以下のようにして得る。２インチφサファイアＣ面ウ
エハを、ＭＯＣＶＤ装置にセットして、温度を５１０℃
にし、キャリアガスに水素、原料ガスにアンモニアとＴ
ＭＧ（トリメチルガリウム）、ＴＭＡ（トリメチルアル
ミニウム）とを用い、サファイア基板１上にＡｌ_0.5Ｇ
ａ_0.5Ｎよりなるバッファ層を約２００Å（オングスト
ローム）の膜厚で成長させ、さらに温度を１０５０℃と
し、原料ガスにＴＭＧ、アンモニアを用い、アンドープ
のＡｌＮよりなる下地層を１μｍ形成する。次にウエハ
をＨＶＰＥ装置に移し、下地層の上にＡｌＮを１００μ
ｍの膜厚で成長させ、最後にウエハをＨＶＰＥ装置から
取り出し、異種基板、バッファ層、下地層を研磨などに
より除去して、ＡｌＮの単体基板を作製し、これを窒化
物半導体基板として用いる。

【００２８】（バッファ層１０２）窒化物半導体基板
の上に、バッファ層成長後、温度を１０５０℃にして、
ＴＭＧ（トリメチルガリウム）、ＴＭＡ（トリメチルア
ルミニウム）、アンモニアを用い、Ａｌ_0.05Ｇａ_0.95Ｎ
よりなるバッファ層１０２を４μｍの膜厚で成長させ
る。この層は、ＡｌＧａＮのｎ型コンタクト層と、Ａｌ
Ｎからなる窒化物半導体基板との間で、バッファとして
機能する。このバッファ層を設けずに、窒化物半導体基
板上に直接、素子構造を設けても良い。次に、窒化物半
導体基板の上に、以下に示す素子構造となる各層を積層
する。

【００２９】（ｎ型コンタクト層１０３）次に得られた
バッファ層１０２上にＴＭＧ、ＴＭＡ、アンモニア、不
純物ガスとしてシランガスを用い、１０５０℃でＳｉド
ープしたＡｌ_0.05Ｇａ_0.95Ｎよりなるｎ型コンタクト層
１０３を４μｍの膜厚で成長させる。

【００３０】（クラック防止層１０４）次に、ＴＭ
Ｇ、ＴＭＩ（トリメチルインジウム）、アンモニアを用
い、温度を８００℃にしてＩｎ_0.06Ｇａ_0.94Ｎよりなる
クラック防止層１０４を０．１５μｍの膜厚で成長させ
る。なお、このクラック防止層は省略可能である。

【００３１】（ｎ型クラッド層１０５）次に、温度を
１０５０℃にして、原料ガスにＴＭＡ、ＴＭＧ及びアン
モニアを用い、アンドープのＡｌ_0.05Ｇａ_0.95Ｎを膜厚
１．１μｍで成長させる。この時、アンドープＡｌＧａ
ＮのＡｌ混晶比としては、０．０２以上０．３以下の範
囲であれば、十分にクラッド層として機能する屈折率差
を設けることができる。

【００３２】（ｎ型光ガイド層１０６）次に、同様の
温度で、原料ガスにＴＭＧ及びアンモニアを用い、アン
ドープのＧａＮよりなるｎ型光ガイド層１０６を０．１
５μｍの膜厚で成長させる。また、ｎ型不純物をドープ
してもよい。（活性層１０７）次に、温度を８００℃
にして、原料ガスにＴＭＩ（トリメチルインジウム）、
ＴＭＧ及びアンモニアを用い、不純物ガスとしてシラン
ガスを用い、Ｓｉを５×１０１８／ｃｍ３ドープしたＩ
ｎ_0.05Ｇａ_0.95Ｎよりなる障壁層（Ｂ）を１４０Åの膜
厚で、シランガスを止め、アンドープのＩｎ_0.1Ｇａ_0.9
Ｎよりなる井戸層（Ｗ）を５５Åの膜厚で、この障壁層
（Ｂ）、井戸層（Ｗ）を、（Ｂ）／（Ｗ）／（Ｂ）／
（Ｗ）の順に積層する。最後に障壁層として、原料ガス
にＴＭＩ（トリメチルインジウム）、ＴＭＧ及びアンモ
ニアを用い、アンドープのＩｎ_0.05Ｇａ_0.95Ｎを成長さ
せる。活性層１０７は、総膜厚約５００Åの多重量子井
戸構造（ＭＱＷ）となる。

【００３３】（ｐ型電子閉込め層１０８：第１のｐ型窒
化物半導体層）次に、同様の温度で、原料ガスにＴＭ
Ａ、ＴＭＧ及びアンモニアを用い、不純物ガスとしてＣ
ｐ２Ｍｇ（シクロペンタジエニルマグネシウム）を用
い、Ｍｇを１×１０１９／ｃｍ３ドープしたＡｌ_0.3Ｇ
ａ_0.7Ｎよりなるｐ型電子閉込層１０８を１００Åの膜
厚で成長させる。この層は、特に設けられていなくても
良いが、設けることで電子閉込めとして機能し、閾値の
低下に寄与するものとなる。

【００３４】（ｐ型光ガイド層１０９）次に、温度を
１０５０℃にして、原料ガスにＴＭＧ及びアンモニアを
用い、アンドープのＧａＮよりなるｐ型光ガイド層１０
９を０．１５μｍの膜厚で成長させる。

【００３５】このｐ型光ガイド層１０９は、アンドープ
として成長させるが、ｐ型電子閉込め層１０８、ｐ型ク
ラッド層１０９等の隣接層からのＭｇの拡散により、Ｍ
ｇ濃度が５×１０１６／ｃｍ３となりｐ型を示す。また
この層は成長時に意図的にＭｇをドープしても良い。

【００３６】（ｐ型クラッド層１１０）続いて、１０
５０℃でＭｇドープＡｌ_0.05Ｇａ_0.95Ｎよりなる層を膜
厚０．４５μｍのｐ型クラッド層１１０を成長させる。
ｐ型クラッド層はＡｌを含む窒化物半導体層を含み、具
体的には、Ａｌ_XＧａ_1-XＮ（０＜X＜１）を含むとす
る。

【００３７】（ｐ型コンタクト層１１１）最後に、１
０５０℃で、ｐ型クラッド層１１０の上に、Ｍｇを１×
１０²⁰／cm³ドープしたｐ型ＧａＮよりなるｐ型コンタ
クト層１１１を１５０Åの膜厚で成長させる。ｐ型コン
タクト層１１１はｐ型のＩｎ_XＡｌ_YＧａ_1-X-YＮ（０≦
X、０≦Y、X＋Y≦１）で構成することができ、好ましく
はＭｇをドープしたＧａＮとすれば、ｐ電極１２０と最
も好ましいオーミック接触が得られる。コンタクト層１
１１は電極を形成する層であるので、１×１０¹⁷／cm³
以上の高キャリア濃度とすることが望ましい。１×１０
¹⁷／cm³よりも低いと電極と好ましいオーミックを得る
のが難しくなる傾向にある。さらにコンタクト層の組成
をＧａＮとすると、電極材料と好ましいオーミックが得
られやすくなる。反応終了後、反応容器内において、ウ
エハを窒素雰囲気中、７００℃でアニーリングを行い、
ｐ型層を更に低抵抗化する。

【００３８】以上のようにして窒化物半導体を成長させ
各層を積層した後、ウエハを反応容器から取り出し、最
上層のｐ型コンタクト層の表面にＳｉＯ₂よりなる保護
膜を形成して、ＲＩＥ（反応性イオンエッチング）を用
いＳｉＣｌ₄ガスによりエッチングし、図１に示すよう
に、ｎ電極を形成すべきｎ型コンタクト層１０３の表面
を露出させる。このように窒化物半導体を深くエッチン
グするには保護膜としてＳｉＯ₂が最適である。

【００３９】次に上述したストライプ状の導波路領域と
して、リッジストライプを形成する。まず、最上層のｐ
型コンタクト層（上部コンタクト層）のほぼ全面に、Ｐ
ＶＤ装置により、Ｓｉ酸化物（主として、ＳｉＯ₂）よ
りなる第１の保護膜１６１を０．５μｍの膜厚で形成し
た後、第１の保護膜１６１の上に所定の形状のマスクを
かけ、ＲＩＥ（反応性イオンエッチング）装置により、
ＣＦ₄ガスを用い、フォトリソグラフィー技術によりス
トライプ幅１．６μｍの第１の保護膜１６１とする。こ
の時、リッジストライプの高さ（エッチング深さ）は、
ｐ型コンタクト層１１１、およびｐ型クラッド層１０
９、ｐ型光ガイド層１１０の一部をエッチングして、ｐ
型光ガイド層１０９の膜厚が０．１μｍとなる深さまで
エッチングして、形成する。

【００４０】次に、リッジストライプ形成後、第１の保
護膜の上から、Ｚｒ酸化物（主としてＺｒＯ₂）よりな
る第２の保護膜１６２を、第１の保護膜の上と、エッチ
ングにより露出されたｐ型光ガイド層１０９の上に０．
５μｍの膜厚で連続して形成し、埋込層とする。

【００４１】第２の保護膜１６２形成後、ウエハを６０
０℃で熱処理する。このようにＳｉＯ₂以外の材料を第
２の保護膜として形成した場合、第２の保護膜成膜後
に、３００℃以上、好ましくは４００℃以上、窒化物半
導体の分解温度以下（１２００℃）で熱処理することに
より、第２の保護膜が第１の保護膜の溶解材料（フッ
酸）に対して溶解しにくくなるため、この工程を加える
ことがさらに望ましい。

【００４２】次に、ウエハをフッ酸に浸漬し、第１の保
護膜をリフトオフ法により除去する。このことにより、
ｐ型コンタクト層１１１の上に設けられていた第１の保
護膜が除去されて、ｐ型コンタクト層が露出される。以
上のようにして、図１に示すように、リッジストライプ
の側面、及びそれに連続する平面（ｐ型光ガイド層１０
９の露出面）に第２の保護膜１６２が形成される。

【００４３】このように、ｐ型コンタクト層１１２の上
に設けられた第１の保護膜が、除去された後、図１に示
すように、その露出したｐ型コンタクト層１１１の表面
にＮｉ／Ａｕよりなるｐ電極１２０を形成する。但しｐ
電極１２０は１００μｍのストライプ幅として、図１に
示すように、第２の保護膜１６２の上に渡って形成す
る。第２の保護膜１６２形成後、既に露出させたｎ型コ
ンタクト層１０３の表面にはＴｉ／Ａｌよりなるストラ
イプ状のｎ電極１２１をストライプと平行な方向で形成
する。

【００４４】次に、ｎ電極を形成するためにエッチング
して露出された面でｐ，ｎ電極に、取り出し電極を設け
るため所望の領域にマスクし、ＳｉＯ₂とＴｉＯ₂よりな
る誘電体多層膜１６４を設けた後、ｐ，ｎ電極上にＮｉ
−Ｔｉ−Ａｕ（１０００Å−１０００Å−８０００Å）
よりなる取り出し（パット）電極１２２，１２３をそれ
ぞれ設けた。この時、活性層１０７の幅は、２００μｍ
の幅（共振器方向に垂直な方向の幅）であり、共振器面
（反射面側）にもＳｉＯ₂とＴｉＯ₂よりなる誘電体多層
膜が設けられる。

【００４５】以上のようにして、ｎ電極とｐ電極とを形
成した後、ストライプ状の電極に垂直な方向で、窒化物
半導体のＭ面（ＧａＮのＭ面、（1 1- 0 0）など）でバ
ー状に分割して、更にバー状のウエハを分割してレーザ
素子を得る。この時、共振器長は、６５０μｍで、発振
波長４０５ｎｍのレーザ素子である。このようにして得
られるレーザ素子は、クラッド層を単一膜で形成してい
ることから、導波路における光の閉込め効率が高まり、
しきい値電流を下げることができ、そのことにより外部
量子効率を向上させることができる。

【００４６】［実施例２］実施例１において、ｎ型光ガ
イド層とｐ型光ガイド層とを設けず、更にｐ型コンタク
ト層をＭｇドープＡｌ_0.01Ｇａ_0.95Ｎとし、クラッド層
を、膜厚０．４５μｍのＭｇドープＡｌ_0.05Ｇａ_0.95Ｎ
よりなるｐ型クラッド層、膜厚１．１μｍのアンドープ
のＡｌ_0.05Ｇａ_0.95Ｎよりなるｎ型クラッド層、とする
他は、実施例１と同様にして、レーザ素子を得る。これ
により、Ａｌを含む窒化物半導体基板の上に、Ａｌを含
む窒化物半導体、Ｉｎを含む窒化物半導体だけを積層し
た構造からなるレーザ素子が得られる。上部（ｎ型）、
下部（ｐ型）クラッド層を単一膜で形成しても、クラッ
クの発生がなく、結晶性良く形成することができる。ま
た、ＧａＮのようにＡｌ及びＩｎを含まない窒化物半導
体を有していないことで、従来存在したＧａＮとの界面
での大きな格子定数差がなくなり、素子構造像全体での
格子の整合性が向上する。更に、各クラッド層のＡｌ混
晶比を０．１にすることで、外部量子効率の大きなレー
ザ素子が得られる。

【００４７】［実施例３］図２に示す面発光型のレーザ
素子を作製する。実施例１と同様にＡｌＮの窒化物半導
体基板１０１を用いて、以下の素子構造を形成する。

【００４８】窒化物半導体基板の上に、反射膜１３０と
して、ＡｌＮからなる第１の層１３１とＧａＮからなる
第２の層１３２を交互にそれぞれ３層づつ積層する。こ
の時、各層は、λ／（４ｎ）（但し、λは光の波長、ｎ
は材料の屈折率）の式を満たす膜厚で設け、ここではｎ
＝２（ＡｌＮ）、２．５（ＧａＮ）で、各膜厚を第１の
層約５００Å、第２の層約４００Åの膜厚で形成する。

【００４９】続いて、実施例１と同様の条件で、ｎ型コ
ンタクト層１３３、活性層１３４、ｐ型電子閉込め層
（図示せず）、ｐ型コンタクト層を積層して、円形状の
開口部を有するＳｉＯ₂からなるブロック層１３６を設
けて、その円形状の開口部からＭｇドープＧａＮを成長
させて、第２のｐ型コンタクト層１３７を形成する。こ
の時、ｐ型コンタクト層１３５、第２のｐ型コンタクト
層１３７は、いずれか一方だけを形成したものでも良
い。その第２のｐ型コンタクト層１３７の上に、ＳｉＯ
₂／ＴｉＯ₂からなる誘電体多層膜を形成し反射膜１３８
とし、前記ブロック層１３６の開口部の上に円形状に設
ける。そして、ｎ型コンタクト層１３３が露出する深さ
までエッチングして、露出したｎ型コンタクト層１３３
の上にリング状のｎ電極１２１、第２のｐ型コンタクト
層１３７の上に、反射膜１３８の周りを囲むｐ電極１２
０をそれぞれ形成する。このようにして、得られる面発
光型のレーザ素子は、基板がＡｌＮであるため、その上
に形成する半導体多層膜からなる反射膜１３０、特にＡ
ｌＮを結晶性良く形成することができ、反射率の良好な
反射膜となる。

【００５０】［実施例４］実施例１の窒化物半導体基板
の形成において、２インチφ、Ｃ面サファイア基板の上
に、Ａｌ_0.5Ｇａ_0.5Ｎよりなるバッファ層、ＡｌＮから
なる下地層を形成し、この下地層を窒化物半導体基板と
し、実施例１の素子構造となる各層１０２〜１１１を積
層し、実施例１と同様にしてレーザ素子を得る。実施例
１と異なり窒化物半導体基板が異種基板上に設けられて
いるため、素子構造中のＡｌを含む窒化物半導体の結晶
性が実施例１に比べて結晶性が悪化する傾向にあるが、
比較例１の場合に比べて良好な結晶性であり、よりＡｌ
の混晶比の高いＡｌを含む窒化物半導体を素子構造中に
用いることが可能である。

【００５１】［比較例１］実施例１の単体基板の形成に
おいて、サファイア基板上に、ＧａＮからなるバッファ
層、ＧａＮからなる下地層を形成し、ＧａＮからなる厚
膜の層を成長させて、ＧａＮからなる窒化物半導体基板
を得て、これを用いてレーザ素子を得る。得られるレー
ザ素子は、実施例１、２に比べて、各層の結晶性、特に
Ａｌを含む窒化物半導体の結晶性、が悪化する傾向にあ
る。このため、ｐ型電子閉込め層のように、比較的Ａｌ
混晶比の大きなＡｌを含む窒化物半導体を素子構造中に
設ける場合には、Ａｌを含む窒化物半導体の結晶性を維
持して、クラックの発生を抑制するために、数百Å以下
に膜厚を抑えるか、若しくはクラッド層のように、数百
Å以下の層を複数積層して超格子多層膜で厚膜の層を設
ける方法に限られてくる。

【００５２】

【発明の効果】本発明では、Ａｌを含む窒化物半導体基
板を用いた窒化物半導体素子とすることで、基板の上に
ＡｌＧａＮ、ＡｌＮなどのＡｌを含む窒化物半導体をク
ラックの発生などなく成長させることができ、単一膜の
クラッド層、窒化物半導体からなる半導体多層膜の反射
膜を好ましく形成することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の１実施形態を説明する模式断面図。

【図２】本発明の１実施形態を説明する模式断面図。

【符号の簡単な説明】

１０１・・・窒化物半導体基板１０２・・・バッファ層１０３・・・ｎ型コンタクト層１０４・・・クラック防止層１０５・・・ｎ型クラッド層１０６・・・ｎ型光ガイド層１０７・・・活性層１０８・・・ｐ型電子閉込め層１０９・・・ｐ型光ガイド層１１０・・・ｐ型クラッド層１１１・・・ｐ型コンタクト層１２０・・・ｐ電極１２１・・・ｎ電極１３０・・・反射膜１３１・・・第１の層１３２・・・第２の層１３３・・・ｎ型コンタクト層１３４・・・活性層１３５・・・ｐ型コンタクト層１３６・・・ブロック層１３７・・・第２のｐ型コンタクト層１３８・・・反射膜１６２・・・第２の保護膜

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Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】窒化物半導体基板の上に、窒化物半導体を
積層した窒化物半導体素子において、前記窒化物半導体
基板がＡｌを含む窒化物半導体であり、前記積層される
窒化物半導体として、Ａｌを含む窒化物半導体からなる
第１の窒化物半導体層を有することを特徴とする窒化物
半導体素子。
【請求項２】前記窒化物半導体基板のＡｌ混晶比ｘが、
ｘ＞０であり、前記第１の窒化物半導体層のＡｌ混晶比
ｙが、ｙ＞０であって、ｘ≧ｙであることを特徴とする
請求項１記載の窒化物半導体素子。
【請求項３】前記窒化物半導体基板が、ＡｌＮであるこ
とを特徴とする請求項１又は２記載の窒化物半導体素
子。
【請求項４】請求項１乃至３記載の窒化物半導体素子に
おいて、前記窒化物半導体基板の上に、Ｉｎを含む窒化
物半導体を有する活性層を有することを特徴とする発光
装置。
【請求項５】前記窒化物半導体素子として、下部クラッ
ド層、前記活性層、上部クラッド層、が順に積層された
構造を有すると共に、該下部クラッド層が前記第1の窒
化物半導体層を有し、該上部クラッド層がＡｌを含む窒
化物半導体からなる第２の窒化物半導体層を有すること
を特徴とする請求項４記載の発光装置。
【請求項６】前記窒化物半導体素子が、Ａｌを含む窒化
物半導体と、Ｉｎを含む窒化物半導体と、が積層されて
なることを特徴とする請求項１乃至５記載の窒化物半導
体素子。