JP2002141614A - 窒化物半導体素子及びそれを用いた発光装置 - Google Patents
窒化物半導体素子及びそれを用いた発光装置Info
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Abstract
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
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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、Re1-xSmx)3(Al1-yGay)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)。
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、AlxGa1-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、InyGa1-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。
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AlxGa1-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
lxGa1-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。
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。
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AlxGa1-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。
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、AlaGa1-aN(0<a≦1)があり、
Alを含まない窒化物半導体としてはInbGa1-bN
(0≦b≦1)があり、好ましくはAlaGa1-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
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、AlyG
a1-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。
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。
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。
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、InαGa1- 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。
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、InβGa1- βN(0≦β<1,α>β)、Ga
N、AlγGa1- γN(0<γ≦1)などを用いること
ができる。
は、InxAlyGa1-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。
は、InxAlyGa1-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。
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。
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Al0.5G
a0.5N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。
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、Al0.05Ga0.95N
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。
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Al0.05Ga0.95Nよりなるn型コンタクト層
103を4μmの膜厚で成長させる。
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In0.06Ga0.94N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。
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Al0.05Ga0.95N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。
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
n0.05Ga0.95N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In0.1Ga0.9
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In0.05Ga0.95N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。
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Al0.3G
a0.7N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。
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。
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。
50℃でMgドープAl0.05Ga0.95N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、AlXGa1-XN(0<X<1)を含むとす
る。
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InXAlYGa1-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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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Al0.01Ga0.95Nとし、クラッド層
を、膜厚0.45μmのMgドープAl0.05Ga0.95N
よりなるp型クラッド層、膜厚1.1μmのアンドープ
のAl0.05Ga0.95N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。
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。
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。
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。
の形成において、2インチφ、C面サファイア基板の上
に、Al0.5Ga0.5N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。
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。
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。
Claims (6)
- 【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。
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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JP2006016294A (ja) * | 2004-05-31 | 2006-01-19 | Sumitomo Electric Ind Ltd | Iii族窒化物結晶の成長方法、iii族窒化物結晶基板および半導体デバイス |
JP2006052123A (ja) * | 2004-07-12 | 2006-02-23 | Sumitomo Electric Ind Ltd | n型AlN結晶、n型AlGaN固溶体及びそれらの製造方法 |
JP2011049610A (ja) * | 2010-12-10 | 2011-03-10 | Sumitomo Electric Ind Ltd | AlN結晶の表面処理方法、AlN結晶基板、エピタキシャル層付AlN結晶基板および半導体デバイス |
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-
2000
- 2000-10-31 JP JP2000333613A patent/JP4931271B2/ja not_active Expired - Lifetime
Patent Citations (1)
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