JP3180743B2 - 窒化化合物半導体発光素子およびその製法 - Google Patents
窒化化合物半導体発光素子およびその製法Info
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、ＩＩＩ−Ｖ族化合
物半導体発光素子、特にＶ族元素が窒素である窒化化合
物半導体層を有する窒化化合物半導体発光素子の製造方
法に関する。
物半導体発光素子、特にＶ族元素が窒素である窒化化合
物半導体層を有する窒化化合物半導体発光素子の製造方
法に関する。
【０００２】
【従来の技術】窒化ガリウム（ＧａＮ）や窒化アルミニ
ウム（ＡｌＮ）は、バンドギャップが大きく、そのバン
ドギャップエネルギーは紫外光に対応する。これら窒化
ガリウムや窒化アルミニウムと窒化インジウム（Ｉｎ
Ｎ）との混晶である窒化インジウムガリウム（ＩｎＧａ
Ｎ）や窒化インジウムアルミニウム（ＩｎＡｌＮ）、窒
化インジウムガリウムアルミニウム（ＩｎＧａＡｌＮ）
も、組成によって青色光や紫外光に対応するバンドギャ
ップをもつ。このため、これらの窒素を含むＩＩＩ−Ｖ
族化合物半導体（以後窒化化合物半導体と呼ぶ）は、青
色光や紫外光の発光デバイスの材料として、また高耐圧
あるいは耐高温環境電子デバイスの材料として、注目さ
れている。中村（S.Nakamura）他は、Jpn. J. Appl. Ph
ys. Vol.35 (1996) p.L74 に、これらの化合物半導体を
使用した青色レーザー素子の作製を報告している。図３
はこのレーザー素子の断面図である。図３に示すよう
に、中村らによるレーザー素子は、ｃ面（（０００１）
面）を表面とするサファイア基板３０１上に３０ｎｍの
窒化ガリウムバッファ層１０２と、ケイ素（Ｓｉ）が添
加された厚さ３μｍのｎ型窒化ガリウム層１０３と、ケ
イ素が添加された厚さ０．１μｍのｎ型Ｉｎ0.1 Ｇａ
0.9 Ｎ層１０４と、ケイ素が添加された厚さ０．４μｍ
のｎ型Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ｎ層１０５と、ケイ素が添加さ
れた厚さ０．１μｍのｎ型窒化ガリウム層１０６と、厚
さ２．５ｎｍのＩｎ0.2 Ｇａ0.8 Ｎ量子井戸層と厚さ５
ｎｍのＩｎ0.05Ｇａ0.95Ｎ障壁層の２６周期からなる多
重量子井戸層１０７と、マグネシウム（Ｍｇ）が添加さ
れた厚さ２０ｎｍのｐ型Ａｌ0.2 Ｇａ0. 8 Ｎ層１０８
と、マグネシウムが添加された厚さ０．１μｍのｐ型窒
化ガリウム層１０９と、マグネシウムが添加された厚さ
０．４μｍのｐ型Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ｎ層１１０と、マグ
ネシウムが添加された厚さ０．５μｍのｐ型窒化ガリウ
ム層１１１とを順次積層した構造である。そして、最上
層の窒化ガリウム層１１１上に、ニッケル（Ｎｉ）と金
（Ａｕ）の２層からなるｐ電極１１２を設け、ｎ型窒化
ガリウム層１０３上に、チタン（Ｔｉ）とアルミニウム
（Ａｌ）の２層からなるｎ電極１１３を設けている。レ
ーザーのキャビティーミラー面としては反応性イオンエ
ッチングによってエッチングした面を用いていた。ある
いは、特開平８−６４９１２「半導体発光素子およびそ
の製法」に述べられているように、サファイア基板のｒ
面又はｍ面上に窒化ガリウム系化合物半導体層を設け、
エッチングによりその（０，０，０，１）面を露出し、
この面を光導波路の端面としていた。このように、従来
の窒化化合物半導体レーザー素子では、レーザーのキャ
ビティーミラー面は、エッチングまたはへき開によって
形成されていた。
ウム（ＡｌＮ）は、バンドギャップが大きく、そのバン
ドギャップエネルギーは紫外光に対応する。これら窒化
ガリウムや窒化アルミニウムと窒化インジウム（Ｉｎ
Ｎ）との混晶である窒化インジウムガリウム（ＩｎＧａ
Ｎ）や窒化インジウムアルミニウム（ＩｎＡｌＮ）、窒
化インジウムガリウムアルミニウム（ＩｎＧａＡｌＮ）
も、組成によって青色光や紫外光に対応するバンドギャ
ップをもつ。このため、これらの窒素を含むＩＩＩ−Ｖ
族化合物半導体（以後窒化化合物半導体と呼ぶ）は、青
色光や紫外光の発光デバイスの材料として、また高耐圧
あるいは耐高温環境電子デバイスの材料として、注目さ
れている。中村（S.Nakamura）他は、Jpn. J. Appl. Ph
ys. Vol.35 (1996) p.L74 に、これらの化合物半導体を
使用した青色レーザー素子の作製を報告している。図３
はこのレーザー素子の断面図である。図３に示すよう
に、中村らによるレーザー素子は、ｃ面（（０００１）
面）を表面とするサファイア基板３０１上に３０ｎｍの
窒化ガリウムバッファ層１０２と、ケイ素（Ｓｉ）が添
加された厚さ３μｍのｎ型窒化ガリウム層１０３と、ケ
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0.9 Ｎ層１０４と、ケイ素が添加された厚さ０．４μｍ
のｎ型Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ｎ層１０５と、ケイ素が添加さ
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ｎｍのＩｎ0.05Ｇａ0.95Ｎ障壁層の２６周期からなる多
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と、マグネシウムが添加された厚さ０．１μｍのｐ型窒
化ガリウム層１０９と、マグネシウムが添加された厚さ
０．４μｍのｐ型Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ｎ層１１０と、マグ
ネシウムが添加された厚さ０．５μｍのｐ型窒化ガリウ
ム層１１１とを順次積層した構造である。そして、最上
層の窒化ガリウム層１１１上に、ニッケル（Ｎｉ）と金
（Ａｕ）の２層からなるｐ電極１１２を設け、ｎ型窒化
ガリウム層１０３上に、チタン（Ｔｉ）とアルミニウム
（Ａｌ）の２層からなるｎ電極１１３を設けている。レ
ーザーのキャビティーミラー面としては反応性イオンエ
ッチングによってエッチングした面を用いていた。ある
いは、特開平８−６４９１２「半導体発光素子およびそ
の製法」に述べられているように、サファイア基板のｒ
面又はｍ面上に窒化ガリウム系化合物半導体層を設け、
エッチングによりその（０，０，０，１）面を露出し、
この面を光導波路の端面としていた。このように、従来
の窒化化合物半導体レーザー素子では、レーザーのキャ
ビティーミラー面は、エッチングまたはへき開によって
形成されていた。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、以下の
ような理由で、これらのレーザーではしきい値電流密度
が高く、室温連続発振の寿命も短く、実用化レベルには
達していない。半導体レーザーのしきい値電流密度は活
性層の半導体の価電子帯頂上付近の状態密度に大きく依
存する。窒化化合物半導体はスピン軌道***エネルギー
が非常に小さいために、価電子帯頂上付近に３本ものバ
ンドがあり、状態密度が大きく、これが窒化化合物半導
体レーザーでしきい値電流密度を高くする一因になって
いる。
ような理由で、これらのレーザーではしきい値電流密度
が高く、室温連続発振の寿命も短く、実用化レベルには
達していない。半導体レーザーのしきい値電流密度は活
性層の半導体の価電子帯頂上付近の状態密度に大きく依
存する。窒化化合物半導体はスピン軌道***エネルギー
が非常に小さいために、価電子帯頂上付近に３本ものバ
ンドがあり、状態密度が大きく、これが窒化化合物半導
体レーザーでしきい値電流密度を高くする一因になって
いる。
【０００４】さらに、活性層には化学組成の異なる窒化
化合物半導体を用いるため、格子定数の違いにより二軸
性歪みが必然的に導入されている。この歪みはピエゾ効
果によって基板面に垂直な方向に内部電界を引き起こ
し、そのために、電子と正孔が活性層内で空間的に分離
し、波動関数の重なりが減少して、再結合して発光する
効率が減少してしまう。
化合物半導体を用いるため、格子定数の違いにより二軸
性歪みが必然的に導入されている。この歪みはピエゾ効
果によって基板面に垂直な方向に内部電界を引き起こ
し、そのために、電子と正孔が活性層内で空間的に分離
し、波動関数の重なりが減少して、再結合して発光する
効率が減少してしまう。
【０００５】以上の点が、従来の窒化化合物半導体レー
ザーのしきい値電流密度を高くする要因になっていると
考えられる。
ザーのしきい値電流密度を高くする要因になっていると
考えられる。
【０００６】また、窒化ガリウム系化合物半導体層を反
応性イオンエッチングによって形成した従来技術のキャ
ビティーミラー面は、平坦性が悪くミラー損失が大きか
った。同様に、へき開によって作製したキャビティーミ
ラー面も、サファイア基板と窒化化合物半導体のへき開
面が一致していないために、平坦なミラー面を形成する
ことが難しかった。
応性イオンエッチングによって形成した従来技術のキャ
ビティーミラー面は、平坦性が悪くミラー損失が大きか
った。同様に、へき開によって作製したキャビティーミ
ラー面も、サファイア基板と窒化化合物半導体のへき開
面が一致していないために、平坦なミラー面を形成する
ことが難しかった。
【０００７】本発明は、このような従来技術の有する問
題点に対処してなされたものであって、共振器ミラー面
の鏡面精度を向上させ、更にｃ面内に異方性歪みを導入
して、しきい値電流密度の低い窒化系化合物半導体レー
ザー素子の製造方法を提供することを目的としている。
題点に対処してなされたものであって、共振器ミラー面
の鏡面精度を向上させ、更にｃ面内に異方性歪みを導入
して、しきい値電流密度の低い窒化系化合物半導体レー
ザー素子の製造方法を提供することを目的としている。
【０００８】上記目的を達成する本発明は次のようであ
る。 １．基板上に絶縁膜を形成する工程と、前記絶縁膜上に
基板に達する少なくとも一対の相対する辺が互いに平行
な開口部を形成する工程と、前記開口部を介し基板面と
略垂直で前記一対の平行する辺と平行な結晶面（０，
０，０，１）を有する窒化ガリウム系化合物半導体層を
選択成長する工程とを有することを特徴とする半導体発
光素子の製造方法。 ２．前記一対の平行な辺が基板面の（１，１−２，０）
方向に平行であることを特徴とする上記１に記載の半導
体発光素子の製造方法。 ３．窒化ガリウム系化合物半導体層が窒化ガリウム、窒
化アルミニウム及び窒化インジウムの中から選ばれた１
種の層、あるいはこれらの中から選ばれた２種以上によ
る混晶の層からなることを特徴とする上記１または２に
記載の半導体発光素子の製造方法。 ４．前記窒化ガリウム系化合物半導体層のｃ軸が基板面
に平行であることを特徴とする上記１乃至３のいずれか
一項に記載の半導体発光素子の製造方法。 ５．前記基板の結晶を選択成長させる面が、サファイア
のｒ面（（１，−１，０，２）面）であることを特徴と
する上記１乃至４のいずれか一項に記載の半導体発光素
子の製造方法。 ６．前記基板の結晶を選択成長させる面が、六方晶炭化
ケイ素の（１，０，−１，０）面であることを特徴とす
る上記１乃至４のいずれか一項に記載の半導体素子の製
造方法。 ７．基板上の絶縁膜に設けられた少なくとも一対の相対
する辺が互いに平行な基板に達する開口部に選択成長さ
れた基板と略垂直で前記一対の相対する互いに平行な結
晶面（０，０，０，１）を有する窒化ガリウム系化合物
半導体層を有し、前記結晶面（０，０，０，１）を光導
波路の端面あるいは共振器ミラー面として用いることを
特徴とする窒化化合物半導体発光素子。 ８．前記一対の平行な辺が基板面の（１，１，−２，
０）方向に平行であることを特徴とする上記７に記載の
窒化化合物半導体発光素子。 ９．窒化ガリウム系化合物半導体層が窒化ガリウム、窒
化アルミニウム及び窒化インジウムの中から選ばれた１
種の層、あるいはこれらの中から選ばれた２種以上によ
る混晶の層からなることを特徴とする上記７または８に
記載の窒化化合物半導体発光素子。 １０．前記窒化ガリウム系化合物半導体層のｃの軸が基
板面に平行であることを特徴とする上記７乃至９のいず
れか一項に記載の窒化化合物半導体発光素子。 １１．前記基板の結晶成長面がサファイアのｒ面
（（１，−１，０，２）面）であることを特徴とする上
記７乃至１０のいずれか一項に記載の窒化化合物半導体
発光素子。 １２．前記基板の結晶成長面が六方晶炭化ケイ素の
（１，０，−１，０）面であることを特徴とする上記７
乃至１０のいずれか一項に記載の窒化化合物半導体発光
素子。
る。 １．基板上に絶縁膜を形成する工程と、前記絶縁膜上に
基板に達する少なくとも一対の相対する辺が互いに平行
な開口部を形成する工程と、前記開口部を介し基板面と
略垂直で前記一対の平行する辺と平行な結晶面（０，
０，０，１）を有する窒化ガリウム系化合物半導体層を
選択成長する工程とを有することを特徴とする半導体発
光素子の製造方法。 ２．前記一対の平行な辺が基板面の（１，１−２，０）
方向に平行であることを特徴とする上記１に記載の半導
体発光素子の製造方法。 ３．窒化ガリウム系化合物半導体層が窒化ガリウム、窒
化アルミニウム及び窒化インジウムの中から選ばれた１
種の層、あるいはこれらの中から選ばれた２種以上によ
る混晶の層からなることを特徴とする上記１または２に
記載の半導体発光素子の製造方法。 ４．前記窒化ガリウム系化合物半導体層のｃ軸が基板面
に平行であることを特徴とする上記１乃至３のいずれか
一項に記載の半導体発光素子の製造方法。 ５．前記基板の結晶を選択成長させる面が、サファイア
のｒ面（（１，−１，０，２）面）であることを特徴と
する上記１乃至４のいずれか一項に記載の半導体発光素
子の製造方法。 ６．前記基板の結晶を選択成長させる面が、六方晶炭化
ケイ素の（１，０，−１，０）面であることを特徴とす
る上記１乃至４のいずれか一項に記載の半導体素子の製
造方法。 ７．基板上の絶縁膜に設けられた少なくとも一対の相対
する辺が互いに平行な基板に達する開口部に選択成長さ
れた基板と略垂直で前記一対の相対する互いに平行な結
晶面（０，０，０，１）を有する窒化ガリウム系化合物
半導体層を有し、前記結晶面（０，０，０，１）を光導
波路の端面あるいは共振器ミラー面として用いることを
特徴とする窒化化合物半導体発光素子。 ８．前記一対の平行な辺が基板面の（１，１，−２，
０）方向に平行であることを特徴とする上記７に記載の
窒化化合物半導体発光素子。 ９．窒化ガリウム系化合物半導体層が窒化ガリウム、窒
化アルミニウム及び窒化インジウムの中から選ばれた１
種の層、あるいはこれらの中から選ばれた２種以上によ
る混晶の層からなることを特徴とする上記７または８に
記載の窒化化合物半導体発光素子。 １０．前記窒化ガリウム系化合物半導体層のｃの軸が基
板面に平行であることを特徴とする上記７乃至９のいず
れか一項に記載の窒化化合物半導体発光素子。 １１．前記基板の結晶成長面がサファイアのｒ面
（（１，−１，０，２）面）であることを特徴とする上
記７乃至１０のいずれか一項に記載の窒化化合物半導体
発光素子。 １２．前記基板の結晶成長面が六方晶炭化ケイ素の
（１，０，−１，０）面であることを特徴とする上記７
乃至１０のいずれか一項に記載の窒化化合物半導体発光
素子。
【０００９】
【発明の実施の形態】本発明の製造による窒化化合物半
導体発光素子が、しきい値電流密度の低いレーザー素子
となることを説明する。窒化化合物半導体レーザーのし
きい値電流密度を低減するためには、価電子帯頂上付近
にほとんど縮退している２つのバンド（一般にＡバン
ド、Ｂバンドと呼ばれる）を***させるように歪みを導
入するのが最も効果的であると考えられる。半導体レー
ザーでは活性層のバンドギャップを両側の層のバンドギ
ャップよりも小さくするために窒化化合物半導体の化学
組成を変化させて、ダブルヘテロ構造や量子井戸構造を
形成する。これに伴い、ヘテロ構造での格子定数の不整
合も生じ、活性層には必然的に二軸性歪みが導入される
ことになる。従来の窒化ガリウム系化合物半導体レーザ
ー構造においては、窒化化合物半導体はウルツ鉱構造の
結晶構造をしており、そのｃ軸は基板面に垂直な方向を
向いている。格子不整合に起因して導入される二軸性歪
みは、基板面内で等方的なものになるので、従来の窒化
化合物半導体レーザー構造において活性層の窒化化合物
半導体に導入される歪みはｃ面内で等方的なものとな
る。堂免らが第４３回応用物理学会関係連合講演会予稿
集Ｎｏ．１（１９９６），ｐ．３３６の中で報告してい
るように、ｃ面内の等方的な歪みでは価電子帯のＡバン
ドとＢバンドの***を大きくすることはほとんどできな
い。ＡバンドとＢバンドの***を大きくして、レーザー
のしきい値電流密度を低減するためには、ｃ面内に異方
的な歪みを活性層に導入することが必要である。
導体発光素子が、しきい値電流密度の低いレーザー素子
となることを説明する。窒化化合物半導体レーザーのし
きい値電流密度を低減するためには、価電子帯頂上付近
にほとんど縮退している２つのバンド（一般にＡバン
ド、Ｂバンドと呼ばれる）を***させるように歪みを導
入するのが最も効果的であると考えられる。半導体レー
ザーでは活性層のバンドギャップを両側の層のバンドギ
ャップよりも小さくするために窒化化合物半導体の化学
組成を変化させて、ダブルヘテロ構造や量子井戸構造を
形成する。これに伴い、ヘテロ構造での格子定数の不整
合も生じ、活性層には必然的に二軸性歪みが導入される
ことになる。従来の窒化ガリウム系化合物半導体レーザ
ー構造においては、窒化化合物半導体はウルツ鉱構造の
結晶構造をしており、そのｃ軸は基板面に垂直な方向を
向いている。格子不整合に起因して導入される二軸性歪
みは、基板面内で等方的なものになるので、従来の窒化
化合物半導体レーザー構造において活性層の窒化化合物
半導体に導入される歪みはｃ面内で等方的なものとな
る。堂免らが第４３回応用物理学会関係連合講演会予稿
集Ｎｏ．１（１９９６），ｐ．３３６の中で報告してい
るように、ｃ面内の等方的な歪みでは価電子帯のＡバン
ドとＢバンドの***を大きくすることはほとんどできな
い。ＡバンドとＢバンドの***を大きくして、レーザー
のしきい値電流密度を低減するためには、ｃ面内に異方
的な歪みを活性層に導入することが必要である。
【００１０】本発明で実現される窒化化合物はｃ軸が基
板面に平行であることを特徴とするのでｃ面が基板面に
垂直となり、基板結晶との格子不整合に伴う歪みはｃ面
内で異方的となり、窒化化合物結晶において価電子帯頂
上付近のＡバンドとＢバンドの***を大きくすることが
でき、価電子帯の状態密度が下がり、それを用いた窒化
化合物半導体レーザー素子構造では、レーザーのしきい
値電流密度を低減することができる。ｃ軸が基板面に平
行となるような成長は、サファイアｒ面や六方晶炭化ケ
イ素の（１，０，−１，０）面などの基板を用いること
によって実現できる。
板面に平行であることを特徴とするのでｃ面が基板面に
垂直となり、基板結晶との格子不整合に伴う歪みはｃ面
内で異方的となり、窒化化合物結晶において価電子帯頂
上付近のＡバンドとＢバンドの***を大きくすることが
でき、価電子帯の状態密度が下がり、それを用いた窒化
化合物半導体レーザー素子構造では、レーザーのしきい
値電流密度を低減することができる。ｃ軸が基板面に平
行となるような成長は、サファイアｒ面や六方晶炭化ケ
イ素の（１，０，−１，０）面などの基板を用いること
によって実現できる。
【００１１】さらに、本発明に関わる窒化化合物のｃ軸
が基板面に平行であることを特徴とする窒化化合物半導
体レーザー素子構造では、窒化化合物結晶では歪みによ
るピエゾ電界の基板面に垂直な成分がゼロになるので、
従来の窒化化合物半導体レーザーのように基板面に垂直
方向のピエゾ電界により電子と正孔の波動関数の重なり
が小さくなって、発光効率が低減するという悪影響を排
除することができる。すなわち、ｃ軸方向に発射される
ＴＥ偏光をレーザー発振に用いることができるので、光
学利得の向上が期待でき、ｃ面を鏡面とするキャビティ
では更にしきい値の低減が期待できる。
が基板面に平行であることを特徴とする窒化化合物半導
体レーザー素子構造では、窒化化合物結晶では歪みによ
るピエゾ電界の基板面に垂直な成分がゼロになるので、
従来の窒化化合物半導体レーザーのように基板面に垂直
方向のピエゾ電界により電子と正孔の波動関数の重なり
が小さくなって、発光効率が低減するという悪影響を排
除することができる。すなわち、ｃ軸方向に発射される
ＴＥ偏光をレーザー発振に用いることができるので、光
学利得の向上が期待でき、ｃ面を鏡面とするキャビティ
では更にしきい値の低減が期待できる。
【００１２】次に、共振面の高平坦性が実現できる効果
について述べる。前述のように従来の窒化化合物半導体
レーザー製造技術では、反応性イオンエッチングあるい
は、へき開によってミラー面を形成していたので、平坦
なキャビティーミラー面を形成することが難しかった。
窒化化合物のｃ面は窒化化合物の結晶面の中で最も安定
で形成されやすい面であるため、結晶成長やエッチング
によって最も平坦な面を形成しやすい面である。従来の
窒化化合物半導体レーザー構造では、窒化化合物のｃ面
が基板面と平行となっているため、ｃ面をキャビティー
ミラー面として利用することはできなかった。本発明の
窒化化合物半導体レーザー素子の製造方法では、選択成
長で形成したファセット面をキャビティーミラー面とし
て用いることによって、ミラー面の平坦性が高まり、ミ
ラー損失の少ないキャビティーが形成される。その結
果、しきい値電流密度の低いレーザー素子が実現でき
る。
について述べる。前述のように従来の窒化化合物半導体
レーザー製造技術では、反応性イオンエッチングあるい
は、へき開によってミラー面を形成していたので、平坦
なキャビティーミラー面を形成することが難しかった。
窒化化合物のｃ面は窒化化合物の結晶面の中で最も安定
で形成されやすい面であるため、結晶成長やエッチング
によって最も平坦な面を形成しやすい面である。従来の
窒化化合物半導体レーザー構造では、窒化化合物のｃ面
が基板面と平行となっているため、ｃ面をキャビティー
ミラー面として利用することはできなかった。本発明の
窒化化合物半導体レーザー素子の製造方法では、選択成
長で形成したファセット面をキャビティーミラー面とし
て用いることによって、ミラー面の平坦性が高まり、ミ
ラー損失の少ないキャビティーが形成される。その結
果、しきい値電流密度の低いレーザー素子が実現でき
る。
【００１３】次に、本発明の実施の形態について、実施
例により図面を参照して説明する。
例により図面を参照して説明する。
【００１４】
【実施例】実施例１ 本発明の第一の実施の形態について述べる。図１は本発
明を適用してサファイアｒ面基板上に形成した窒化化合
物半導体レーザー素子構造の概略斜視図である。図１に
おいて、窒化化合物半導体レーザー素子は、幅２００μ
ｍの線状の開口部をもつ二酸化ケイ素膜１１５を形成し
たサファイアｒ面を表面とするサファイア基板１０１上
に、３０ｎｍの窒化ガリウムバッファ層１０２と、ケイ
素（Ｓｉ）が添加された厚さ３μｍのｎ型窒化ガリウム
層１０３と、ケイ素が添加された厚さ０．１μｍのｎ型
Ｉｎ0.1 Ｇａ0.9 Ｎ層１０４と、ケイ素が添加された厚
さ０．４μｍのｎ型Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ｎ層１０５と、ケ
イ素が添加された厚さ０．１μｍのｎ型窒化ガリウム層
１０６と、厚さ２．５ｎｍのＩｎ0.2 Ｇａ0.8 Ｎ量子井
戸層と厚さ５ｎｍのＩｎ0.05Ｇａ0.95Ｎ障壁層の２６周
期からなる多重量子井戸層１０７と、マグネシウム（Ｍ
ｇ）が添加された厚さ２０ｎｍのｐ型Ａｌ0.2 Ｇａ0.8
Ｎ層１０８と、マグネシウムが添加された厚さ０．１μ
ｍのｐ型窒化ガリウム層１０９と、マグネシウムが添加
された厚さ０．４μｍのｐ型Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ｎ層１１
０と、マグネシウムが添加された厚さ０．５μｍのｐ型
窒化ガリウム層１１１とを、選択成長によって、順次積
層した。
明を適用してサファイアｒ面基板上に形成した窒化化合
物半導体レーザー素子構造の概略斜視図である。図１に
おいて、窒化化合物半導体レーザー素子は、幅２００μ
ｍの線状の開口部をもつ二酸化ケイ素膜１１５を形成し
たサファイアｒ面を表面とするサファイア基板１０１上
に、３０ｎｍの窒化ガリウムバッファ層１０２と、ケイ
素（Ｓｉ）が添加された厚さ３μｍのｎ型窒化ガリウム
層１０３と、ケイ素が添加された厚さ０．１μｍのｎ型
Ｉｎ0.1 Ｇａ0.9 Ｎ層１０４と、ケイ素が添加された厚
さ０．４μｍのｎ型Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ｎ層１０５と、ケ
イ素が添加された厚さ０．１μｍのｎ型窒化ガリウム層
１０６と、厚さ２．５ｎｍのＩｎ0.2 Ｇａ0.8 Ｎ量子井
戸層と厚さ５ｎｍのＩｎ0.05Ｇａ0.95Ｎ障壁層の２６周
期からなる多重量子井戸層１０７と、マグネシウム（Ｍ
ｇ）が添加された厚さ２０ｎｍのｐ型Ａｌ0.2 Ｇａ0.8
Ｎ層１０８と、マグネシウムが添加された厚さ０．１μ
ｍのｐ型窒化ガリウム層１０９と、マグネシウムが添加
された厚さ０．４μｍのｐ型Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ｎ層１１
０と、マグネシウムが添加された厚さ０．５μｍのｐ型
窒化ガリウム層１１１とを、選択成長によって、順次積
層した。
【００１５】本発明者らの研究によると、サファイアｒ
面基板上に窒化化合物を成長すると、窒化化合物はａ面
（（１，１，−２，０）面）を表面として成長するた
め、ｃ軸が基板面に平行となった。本実施例において
も、窒化化合物のｃ軸が基板面に平行となっていること
をＸ線回折によって確認している。そして、最上層の窒
化ガリウム層１１１上に、ニッケル（Ｎｉ）と金（Ａ
ｕ）の２層からなるｐ電極１１２を設け、ｎ型窒化ガリ
ウム層１０３上に、チタン（Ｔｉ）とアルミニウム（Ａ
ｌ）の２層からなるｎ電極１１３を設けている。半導体
結晶層１０２，１０３，１０４，１０５，１０６，１０
７，１０８，１０９，１１０，１１１の形成は有機金属
化学気相成長法によって行われた。本発明者らの研究に
よると、選択成長領域の開口部の一辺の方向を結晶成長
基板面上の［１，１，−２，０］方向にすると、窒化化
合物半導体が柱状に成長し、その側面には最も成長速度
の遅いｃ面のファセット面が形成される。形成されたｃ
面ファセットは非常に平坦な面で、しかも、基板面に垂
直となっているため、優れたキャビティーミラー面とし
て利用することができる。本実施例においては、この現
象を利用し、二酸化ケイ素の開口部を基板面上の［１，
１，−２，０］方向すなわちサファイアａ面１１６の法
線方向にして、基板面に垂直な窒化化合物の平坦なｃ面
ファセットを形成し、キャビティーミラー面１１４とし
ている。このキャビティーミラー面は走査型電子顕微鏡
観察でも非常に平坦なものであることが確認された。ま
た、このレーザー素子において窒化化合物半導体層はｃ
軸が基板面に平行な方向を向くウルツ鉱構造（六方晶）
であるために、量子井戸活性層にはｃ面内に異方的な歪
みが導入され、価電子帯の頂上付近の状態密度が低減さ
れる。また、ピエゾ電界の基板面に垂直方向の成分がゼ
ロとなっているため、電子と正孔の再結合確率の低減も
起こらず、レーザーのしきい値電流密度が低減される。
このレーザー素子においては、７７Ｋでのレーザーの発
振しきい値電流密度は、従来のサファイアｃ面基板上に
形成されたレーザー素子よりも低い値を示した。
面基板上に窒化化合物を成長すると、窒化化合物はａ面
（（１，１，−２，０）面）を表面として成長するた
め、ｃ軸が基板面に平行となった。本実施例において
も、窒化化合物のｃ軸が基板面に平行となっていること
をＸ線回折によって確認している。そして、最上層の窒
化ガリウム層１１１上に、ニッケル（Ｎｉ）と金（Ａ
ｕ）の２層からなるｐ電極１１２を設け、ｎ型窒化ガリ
ウム層１０３上に、チタン（Ｔｉ）とアルミニウム（Ａ
ｌ）の２層からなるｎ電極１１３を設けている。半導体
結晶層１０２，１０３，１０４，１０５，１０６，１０
７，１０８，１０９，１１０，１１１の形成は有機金属
化学気相成長法によって行われた。本発明者らの研究に
よると、選択成長領域の開口部の一辺の方向を結晶成長
基板面上の［１，１，−２，０］方向にすると、窒化化
合物半導体が柱状に成長し、その側面には最も成長速度
の遅いｃ面のファセット面が形成される。形成されたｃ
面ファセットは非常に平坦な面で、しかも、基板面に垂
直となっているため、優れたキャビティーミラー面とし
て利用することができる。本実施例においては、この現
象を利用し、二酸化ケイ素の開口部を基板面上の［１，
１，−２，０］方向すなわちサファイアａ面１１６の法
線方向にして、基板面に垂直な窒化化合物の平坦なｃ面
ファセットを形成し、キャビティーミラー面１１４とし
ている。このキャビティーミラー面は走査型電子顕微鏡
観察でも非常に平坦なものであることが確認された。ま
た、このレーザー素子において窒化化合物半導体層はｃ
軸が基板面に平行な方向を向くウルツ鉱構造（六方晶）
であるために、量子井戸活性層にはｃ面内に異方的な歪
みが導入され、価電子帯の頂上付近の状態密度が低減さ
れる。また、ピエゾ電界の基板面に垂直方向の成分がゼ
ロとなっているため、電子と正孔の再結合確率の低減も
起こらず、レーザーのしきい値電流密度が低減される。
このレーザー素子においては、７７Ｋでのレーザーの発
振しきい値電流密度は、従来のサファイアｃ面基板上に
形成されたレーザー素子よりも低い値を示した。
【００１６】第一の実施の形態は、図１に示される構造
の半導体層のみに限定されるものではなく、窒化インジ
ウム、窒化アルミニウム、窒化ガリウムの任意の組成の
混晶を成長層に含む場合にも適用可能である。
の半導体層のみに限定されるものではなく、窒化インジ
ウム、窒化アルミニウム、窒化ガリウムの任意の組成の
混晶を成長層に含む場合にも適用可能である。
【００１７】実施例２ 本発明の第二の実施の形態について述べる。図２は本発
明を適用して６Ｈタイプ炭化ケイ素（１，０，−１，
０）面基板上に形成した窒化化合物半導体レーザー素子
構造の概略斜視図である。図２において、窒化化合物半
導体レーザー素子は、幅２００μｍの線状の開口部をも
つ二酸化ケイ素膜１１５を形成した６Ｈタイプ炭化ケイ
素（１，０，−１，０）面を表面とする６Ｈタイプ炭化
ケイ素基板２０１上に、３０ｎｍの窒化ガリウムバッフ
ァ層１０２と、ケイ素（Ｓｉ）が添加された厚さ３μｍ
のｎ型窒化ガリウム層１０３と、ケイ素が添加された厚
さ０．１μｍのｎ型Ｉｎ0.1 Ｇａ0.9 Ｎ層１０４と、ケ
イ素が添加された厚さ０．４μｍのｎ型Ａｌ0.15Ｇａ
0.85Ｎ層１０５と、ケイ素が添加された厚さ０．１μｍ
のｎ型窒化ガリウム層１０６と、厚さ２．５ｎｍのＩｎ
0.2 Ｇａ0.8 Ｎ量子井戸層と厚さ５ｎｍのＩｎ0.05Ｇａ
0.95Ｎ障壁層の２６周期からなる多重量子井戸層１０７
と、マグネシウム（Ｍｇ）が添加された厚さ２０ｎｍの
ｐ型Ａｌ0.2 Ｇａ0.8 Ｎ層１０８と、マグネシウムが添
加された厚さ０．１μｍのｐ型窒化ガリウム層１０９
と、マグネシウムが添加された厚さ０．４μｍのｐ型Ａ
ｌ0.15Ｇａ0.85Ｎ層１１０と、マグネシウムが添加され
た厚さ０．５μｍのｐ型窒化ガリウム層１１１とを、選
択成長によって、順次積層した。
明を適用して６Ｈタイプ炭化ケイ素（１，０，−１，
０）面基板上に形成した窒化化合物半導体レーザー素子
構造の概略斜視図である。図２において、窒化化合物半
導体レーザー素子は、幅２００μｍの線状の開口部をも
つ二酸化ケイ素膜１１５を形成した６Ｈタイプ炭化ケイ
素（１，０，−１，０）面を表面とする６Ｈタイプ炭化
ケイ素基板２０１上に、３０ｎｍの窒化ガリウムバッフ
ァ層１０２と、ケイ素（Ｓｉ）が添加された厚さ３μｍ
のｎ型窒化ガリウム層１０３と、ケイ素が添加された厚
さ０．１μｍのｎ型Ｉｎ0.1 Ｇａ0.9 Ｎ層１０４と、ケ
イ素が添加された厚さ０．４μｍのｎ型Ａｌ0.15Ｇａ
0.85Ｎ層１０５と、ケイ素が添加された厚さ０．１μｍ
のｎ型窒化ガリウム層１０６と、厚さ２．５ｎｍのＩｎ
0.2 Ｇａ0.8 Ｎ量子井戸層と厚さ５ｎｍのＩｎ0.05Ｇａ
0.95Ｎ障壁層の２６周期からなる多重量子井戸層１０７
と、マグネシウム（Ｍｇ）が添加された厚さ２０ｎｍの
ｐ型Ａｌ0.2 Ｇａ0.8 Ｎ層１０８と、マグネシウムが添
加された厚さ０．１μｍのｐ型窒化ガリウム層１０９
と、マグネシウムが添加された厚さ０．４μｍのｐ型Ａ
ｌ0.15Ｇａ0.85Ｎ層１１０と、マグネシウムが添加され
た厚さ０．５μｍのｐ型窒化ガリウム層１１１とを、選
択成長によって、順次積層した。
【００１８】本発明者らの研究によると、６Ｈタイプ炭
化ケイ素（１，０，−１，０）面基板上に窒化化合物を
成長すると、窒化化合物はｍ面（（１，０，−１，０）
面）を表面として成長するため、ｃ軸が基板面に平行と
なる。本実施例の素子構造においても、窒化化合物のｃ
軸が基板面に平行となっていることをＸ線回折によって
確認している。そして、最上層の窒化ガリウム層１１１
上に、ニッケル（Ｎｉ）と金（Ａｕ）の２層からなるｐ
電極１１２を設け、ｎ型窒化ガリウム層１０３上に、チ
タン（Ｔｉ）とアルミニウム（Ａｌ）の２層からなるｎ
電極１１３を設けている。半導体結晶層１０２，１０
３，１０４，１０５，１０６，１０７，１０８，１０
９，１１０，１１１の形成は有機金属化学気相成長法に
よって行われた。本発明者らの研究によると、線状の選
択成長領域の開口部の一辺の方向を結晶成長基板面上の
［１，１，−２，０］方向にすると、窒化化合物半導体
が柱状に成長し、横側には最も成長速度の遅いｃ面のフ
ァセット面が形成される。形成されたｃ面ファセットは
非常に平坦な面で、しかも、基板面に垂直となっている
ため、優れたキャビティーミラー面として利用すること
ができる。本実施例においては、この現象を利用し、二
酸化ケイ素の開口部を基板面に垂直な炭化ケイ素（１，
１，−２，０）面２１６の法線方向にすることによっ
て、窒化化合物の平坦なｃ面ファセットを形成し、キャ
ビティーミラー面１１４としている。このキャビティー
ミラー面は走査型電子顕微鏡観察でも非常に平坦なもの
であることが確認された。また、このレーザー素子にお
いて窒化化合物半導体層はｃ軸が基板面に平行な方向を
向くウルツ鉱構造（六方晶）であるために、量子井戸活
性層にはｃ面内で異方的な歪みが導入され、価電子帯の
頂上付近の状態密度が低減される。また、ピエゾ電界の
基板面に垂直方向の成分がゼロとなっているため、電子
と正孔の再結合確率の低減も起こらず、レーザーのしき
い値電流密度が低減される。このレーザー素子において
は、７７Ｋでのレーザーの発振しきい値電流密度は、従
来のサファイアｃ面基板上に形成したレーザー素子より
も低い値を示した。
化ケイ素（１，０，−１，０）面基板上に窒化化合物を
成長すると、窒化化合物はｍ面（（１，０，−１，０）
面）を表面として成長するため、ｃ軸が基板面に平行と
なる。本実施例の素子構造においても、窒化化合物のｃ
軸が基板面に平行となっていることをＸ線回折によって
確認している。そして、最上層の窒化ガリウム層１１１
上に、ニッケル（Ｎｉ）と金（Ａｕ）の２層からなるｐ
電極１１２を設け、ｎ型窒化ガリウム層１０３上に、チ
タン（Ｔｉ）とアルミニウム（Ａｌ）の２層からなるｎ
電極１１３を設けている。半導体結晶層１０２，１０
３，１０４，１０５，１０６，１０７，１０８，１０
９，１１０，１１１の形成は有機金属化学気相成長法に
よって行われた。本発明者らの研究によると、線状の選
択成長領域の開口部の一辺の方向を結晶成長基板面上の
［１，１，−２，０］方向にすると、窒化化合物半導体
が柱状に成長し、横側には最も成長速度の遅いｃ面のフ
ァセット面が形成される。形成されたｃ面ファセットは
非常に平坦な面で、しかも、基板面に垂直となっている
ため、優れたキャビティーミラー面として利用すること
ができる。本実施例においては、この現象を利用し、二
酸化ケイ素の開口部を基板面に垂直な炭化ケイ素（１，
１，−２，０）面２１６の法線方向にすることによっ
て、窒化化合物の平坦なｃ面ファセットを形成し、キャ
ビティーミラー面１１４としている。このキャビティー
ミラー面は走査型電子顕微鏡観察でも非常に平坦なもの
であることが確認された。また、このレーザー素子にお
いて窒化化合物半導体層はｃ軸が基板面に平行な方向を
向くウルツ鉱構造（六方晶）であるために、量子井戸活
性層にはｃ面内で異方的な歪みが導入され、価電子帯の
頂上付近の状態密度が低減される。また、ピエゾ電界の
基板面に垂直方向の成分がゼロとなっているため、電子
と正孔の再結合確率の低減も起こらず、レーザーのしき
い値電流密度が低減される。このレーザー素子において
は、７７Ｋでのレーザーの発振しきい値電流密度は、従
来のサファイアｃ面基板上に形成したレーザー素子より
も低い値を示した。
【００１９】第二の実施の形態は、図２に示される構造
の半導体層のみに限定されるものではなく、窒化インジ
ウム、窒化アルミニウム、窒化ガリウムの任意の組成の
混晶を成長層に含む場合にも適用できる。
の半導体層のみに限定されるものではなく、窒化インジ
ウム、窒化アルミニウム、窒化ガリウムの任意の組成の
混晶を成長層に含む場合にも適用できる。
【００２０】
【発明の効果】以上説明したように、本発明の窒化化合
物半導体発光素子の製造方法では、窒化化合物のｃ軸を
基板面に平行とし、窒化化合物のｃ面ファセット面をキ
ャビティーミラー面に用いることにより、ミラー面の平
坦精度が向上し、さらにｃ面異方性歪みが導入されて状
態密度が下がり、かつ最も光学利得の大きくなる偏光成
分をＴＥ偏光としてレーザー発振に用いることができ、
しきい値電流密度を低減できるという効果がある。
物半導体発光素子の製造方法では、窒化化合物のｃ軸を
基板面に平行とし、窒化化合物のｃ面ファセット面をキ
ャビティーミラー面に用いることにより、ミラー面の平
坦精度が向上し、さらにｃ面異方性歪みが導入されて状
態密度が下がり、かつ最も光学利得の大きくなる偏光成
分をＴＥ偏光としてレーザー発振に用いることができ、
しきい値電流密度を低減できるという効果がある。
【図１】本発明を適用してサファイアｒ面基板上に作製
したレーザー素子の概略斜視図である。
したレーザー素子の概略斜視図である。
【図２】本発明を適用して６Ｈタイプ炭化ケイ素（１，
−１，０，０）基板上に作製したレーザー素子の概略斜
視図である。
−１，０，０）基板上に作製したレーザー素子の概略斜
視図である。
【図３】従来技術によってサファイアｃ面基板上に作製
したレーザー素子の断面の概略図である。
したレーザー素子の断面の概略図である。
１０１ ｒ面を表面とするサファイア基板 １０２ 窒化ガリウム層バッファ層 １０３ ケイ素が添加されたｎ型窒化ガリウム層 １０４ ケイ素が添加されたｎ型Ｉｎ0.1 Ｇａ0.9 Ｎ
層 １０５ ケイ素が添加されたｎ型Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ｎ
層 １０６ ケイ素が添加されたｎ型窒化ガリウム層 １０７ Ｉｎ0.2 Ｇａ0.8 Ｎ量子井戸層とＩｎ0.05Ｇ
ａ0.95Ｎ障壁層の２６周期からなる多重量子井戸層 １０８ マグネシウムが添加されたｐ型Ａｌ0.2 Ｇａ
0.8 Ｎ層 １０９ マグネシウムが添加されたｐ型窒化ガリウム
層 １１０ マグネシウムが添加されたｐ型Ａｌ0.15Ｇａ
0.85Ｎ層 １１１ マグネシウムが添加されたｐ型窒化ガリウム
層 １１２ ニッケルと金の２層からなるｐ電極 １１３ チタンとアルミニウムの２層からなるｎ電極 １１４ 窒化化合物のｃ面ファセットからなるキャビ
ティーミラー面 １１５ 線状の開口部をもつ二酸化ケイ素膜 １１６ サファイアａ面 ２０１ （１，−１，０，０）面を表面とする６Ｈタ
イプ炭化ケイ素基板 ２１６ 炭化ケイ素（１，１，−２，０）面 ３０１ ｃ面を表面とするサファイア基板
層 １０５ ケイ素が添加されたｎ型Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ｎ
層 １０６ ケイ素が添加されたｎ型窒化ガリウム層 １０７ Ｉｎ0.2 Ｇａ0.8 Ｎ量子井戸層とＩｎ0.05Ｇ
ａ0.95Ｎ障壁層の２６周期からなる多重量子井戸層 １０８ マグネシウムが添加されたｐ型Ａｌ0.2 Ｇａ
0.8 Ｎ層 １０９ マグネシウムが添加されたｐ型窒化ガリウム
層 １１０ マグネシウムが添加されたｐ型Ａｌ0.15Ｇａ
0.85Ｎ層 １１１ マグネシウムが添加されたｐ型窒化ガリウム
層 １１２ ニッケルと金の２層からなるｐ電極 １１３ チタンとアルミニウムの２層からなるｎ電極 １１４ 窒化化合物のｃ面ファセットからなるキャビ
ティーミラー面 １１５ 線状の開口部をもつ二酸化ケイ素膜 １１６ サファイアａ面 ２０１ （１，−１，０，０）面を表面とする６Ｈタ
イプ炭化ケイ素基板 ２１６ 炭化ケイ素（１，１，−２，０）面 ３０１ ｃ面を表面とするサファイア基板
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平８−64912（ＪＰ，Ａ) 特開 平８−316582（ＪＰ，Ａ) Ｓｏｌｉｄ−Ｓｔａｔｅ Ｅｌｅｃｔ ｒｏｎｉｃｓ 41［２］（1997）ｐ. 255−261 1997年（平成９年）秋季第58回応用物 理学会学術講演会予稿集 ２ｐ−Ｑ−13 ｐ．265 Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．70 ［８］（1997）ｐ．987−989 (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H01S 5/00 - 5/50 H01L 33/00 ＪＩＣＳＴファイル（ＪＯＩＳ)
Claims (6)
- 【請求項１】 基板の結晶を選択成長させる面が、サフ
ァイアのｒ面（（１，−１，０，２）面）または六方晶
炭化ケイ素の（１，０，−１，０）面である前記基板上
に絶縁膜を形成する工程と、前記絶縁膜上に基板に達す
る少なくとも一対の相対する辺が基板面の（１，１−
２，０）方向に互いに平行な開口部を形成する工程と、
前記開口部を介し基板面と略垂直で前記一対の平行する
辺と平行な結晶面（０，０，０，１）を有する窒化ガリ
ウム系化合物半導体層を選択成長する工程とを有するこ
とを特徴とする半導体発光素子の製造方法。 - 【請求項２】 窒化ガリウム系化合物半導体層が窒化ガ
リウム、窒化アルミニウム及び窒化インジウムの中から
選ばれた１種の層、あるいはこれらの中から選ばれた２
種以上による混晶の層からなることを特徴とする請求項
１または２に記載の半導体発光素子の製造方法。 - 【請求項３】 前記窒化ガリウム系化合物半導体層のｃ
軸が基板面に平行であることを特徴とする請求項１また
は２に記載の半導体発光素子の製造方法。 - 【請求項４】 基板の結晶を選択成長させる面が、サフ
ァイアのｒ面（（１，−１，０，２）面）または六方晶
炭化ケイ素の（１，０，−１，０）面である前記基板上
の絶縁膜に設けられた少なくとも一対の相対する辺が互
いに平行な基板に達する開口部に選択成長された基板と
略垂直で前記一対の相対する互いに基板面の（１，１，
−２，０）方向に平行な結晶面（０，０，０，１）を有
する窒化ガリウム系化合物半導体層を有し、前記結晶面
（０，０，０，１）を光導波路の端面あるいは共振器ミ
ラー面として用いることを特徴とする窒化化合物半導体
発光素子。 - 【請求項５】 窒化ガリウム系化合物半導体層が窒化ガ
リウム、窒化アルミニウム及び窒化インジウムの中から
選ばれた１種の層、あるいはこれらの中から選ばれた２
種以上による混晶の層からなることを特徴とする請求項
５または６に記載の窒化化合物半導体発光素子。 - 【請求項６】 前記窒化ガリウム系化合物半導体層のｃ
の軸が基板面に平行であることを特徴とする請求項５ま
たは６に記載の窒化化合物半導体発光素子。
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|---|---|---|---|
| JP31545197A JP3180743B2 (ja) | 1997-11-17 | 1997-11-17 | 窒化化合物半導体発光素子およびその製法 |
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