JP3670927B2

JP3670927B2 - 窒化物系半導体発光素子

Info

Publication number: JP3670927B2
Application number: JP2000096126A
Authority: JP
Inventors: 康彦野村; 雅幸畑
Original assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Current assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Priority date: 2000-03-31
Filing date: 2000-03-31
Publication date: 2005-07-13
Anticipated expiration: 2020-03-31
Also published as: JP2001284736A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は窒化物系の半導体層を有する半導体レーザ、発光ダイオード等の窒化物系半導体素子、及び窒化物系半導体素子に用いられる窒化物系半導体基板に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、光ディスクシステムの高容量化が伸展しつつある。これに対応するために、光源の短波長化、すなわち青色又は紫色の光を発する窒化物系半導体レーザの研究開発が活発化している。
【０００３】
従来、この種の窒化物系半導体レーザは、サファイア基板上に作成されている。しかし、サファイア基板とその上に形成される窒化物系半導体層とは結晶学的方位が異なるため、へき開面が一致せず、良好な共振器面を形成することが困難であるという問題がる。
【０００４】
この問題を解決するものとして、ＧａＮ基板上に窒化物系半導体層を形成した窒化物系半導体レーザが研究開発されている。
【０００５】
しかしながら、このＧａＮ基板上を用いた窒化物系半導体レーザにおいては、超高速パルス駆動時における光出力の立上り、立下りに時間を要し、立上り、立下り特性が悪いという問題がある。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上記従来例の欠点に鑑み為されたものであり、高速動作が可能な窒化物系半導体発光素子を提供することを目的とするものである。
【０００７】
また、本発明は、高速動作が可能な窒化物系半導体発光素子を形成するのに適した窒化物系半導体基板を提供することを目的とするものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、少なくともＧａとＮを含有する窒化物系半導体基板上に、窒化物半導体層が形成されてなる窒化物系半導体発光素子おいて、前記窒化物系半導体基板に含まれるＣｌの濃度がパルス駆動時における光出力の立上り、立下り時間に影響を及ぼすことを見出すことにより為し得たものである。
【０００９】
具体的には、本発明の窒化物系半導体発光素子は、少なくともＧａとＮを含有する窒化物系半導体基板上に、窒化物半導体層が形成されてなる窒化物系半導体発光素子において、前記窒化物系半導体基板にＣｌが含まれ、そのＣｌの濃度が１×１０^１５ｃｍ^−３以下であると共に、前記窒化物半導体層は、前記窒化物系半導体基板上に形成されたｎ型ＩｎＧａＮからなるクラック防止層と、該クラック防止層上に形成されたｎ型ＡｌＧａＮからなる第１クラッド層と、該第１クラッド層上に形成された発光層と、該発光層上に形成されたｐ型ＡｌＧａＮからなる第２クラッド層と、該第２クラッド層上に形成されたｐ型コンタクト層とを含むことを特徴とする。尚、窒化物系半導体層は、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＩｎＮ、ＢＮ若しくはＴｌＮ又はこれらの混晶等のIII−Ｖ族系半導体からなる化合物半導体層である。
【００１０】
このような構成の窒化物系半導体発光素子では、パルス駆動時における立上り、立下り時間が十分に短くなる。
【００１２】
この理由は定かではないが、窒化物系半導体基板に含まれているＣｌの濃度が低くなることにより、窒化物系半導体素子の抵抗成分或いは容量が低下するためと推測される。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態について詳細に説明する。
【００１７】
図１は本発明の実施の形態である一実施例の半導体レーザの構成を示す断面図である。
【００１８】
本実施例の半導体レーザ装置は、リッジ導波型の半導体レーザ装置であり、後述するｎ型ＧａＮ基板１の（０００１）面からわずかに傾斜した面上に、ＯＭＶＰＥ法（有機金属気相エピタキシー法）により、Ｓｉドープのｎ型ＧａＮからなる厚さ３μｍの第１コンタクト層２、Ｓｉドープのｎ型Ｉｎ_0.1Ｇａ_0.9Ｎからなる厚さ０．１μｍのクラック防止層３、Ｓｉドープのｎ型Ａｌ_0.07Ｇａ_0.93Ｎからなる厚さ１．５μｍの第１クラッド層４、後述する多重量子井戸構造の発光層５、Ｍｇドープのｐ型Ａｌ_0.07Ｇａ_0.93Ｎからなる厚さ１．５μｍの第２クラッド層６、Ｍｇドープのｐ型ＧａＮからなる厚さ０．０５μｍの第２コンタクト層７が順に積層された半導体ウエハにより構成されている。
【００１９】
上記半導体ウエハには、反応性イオンエッチング又は反応性イオンビームエッチングにより第２クラッド層６を所定の厚さ（例えば０．０５μｍ）を残して除去されてストライプ状のリッジ部８が形成される。尚、リッジ部８の幅は１．５〜５．０μｍである。
【００２０】
また、リッジ部８の両側面から第２クラッド層６の平坦面には厚さ０．５μｍのｎ型Ａｌ_0.12Ｇａ_0.88Ｎからなる電流阻止層９が形成されている。
【００２１】
さらに、第２コンタクト層７の上面から電流阻止層９の上面にわたって、Ｍｇドープのｐ型ＧａＮからなる厚さ０．５μｍの第３コンタクト層１０が形成されている。
【００２２】
また、第３コンタクト層１０上にはｐ型電極１１が形成され、ＧａＮ基板１の裏面にはｎ型電極１２が形成されている。
【００２３】
図２は発光層５の構造を示す断面図である。発光層５は第１クラッド層４上に形成されたＳｉドープのｎ型ＧａＮからなる厚さ０．１μｍの第１光ガイド層５１と、その上に形成されたＳｉドープのｎ型Ｉｎ_0.02Ｇａ_0.98Ｎからなる厚さ６ｎｍのバリア層５２１と、Ｓｉドープのｎ型Ｉｎ_0.10Ｇａ_0.90Ｎからなる厚さ３ｎｍの井戸層５２２と、Ｓｉドープのｎ型Ｉｎ_0.02Ｇａ_0.98Ｎからなる厚さ６ｎｍのバリア層５２３と、Ｓｉドープのｎ型Ｉｎ_0.10Ｇａ_0.90Ｎからなる厚さ３ｎｍの井戸層５２４と、Ｓｉドープのｎ型Ｉｎ_0.02Ｇａ_0.98Ｎからなる厚さ６ｎｍのバリア層５２５と、Ｓｉドープのｎ型Ｉｎ_0.10Ｇａ_0.90Ｎからなる厚さ３ｎｍの井戸層５２６と、Ｓｉドープのｎ型Ｉｎ_0.02Ｇａ_0.98Ｎからなる厚さ６ｎｍのバリア層５２７とが順に積層された多重量子井戸構造の活性層５２と、その上に形成されたＭｇドープのｐ型ＧａＮからなる厚さ０．１μmの第２光ガイド層５３とからなる。
【００２４】
上記窒化物化合物半導体各層２〜７、９、１０は、ＯＭＶＰＥ法により形成される。原料ガスとして、例えばトリメチルアルミニウム（ＴＭＡｌ）、トリメチルガリウム（ＴＭＧａ）、トリメチルインジウム（ＴＭＩｎ）、ＮＨ₃、ＳｉＨ₄、シクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ₂Ｍｇ）を用いる。
【００２５】
次に、本実施例の半導体レーザで用いたＧａＮ基板１の製造方法について、図３を用いて説明する。
【００２６】
まず、図３（ａ）に示すように、厚さ４００μｍのサファイア基板２１上にアンドープのＡｌ_0.5Ｇａ_0.5Ｎからなる低温バッファ層２２を例えば６００℃で成長させ、その上に例えば１０５０℃でアンドープの第１ＧａＮ層２３を成長させ、更にその上にストライプ状のＳｉＯ₂膜２４を形成する。
【００２７】
次に、図３（ｂ）に示すように、ストライプ状のＳｉＯ₂膜２４間に露出したＧａＮ層２３上にアンドープの第２ＧａＮ層２５を選択成長させる。
【００２８】
続いて、第２ＧａＮ層２５上にＭｇドープのＧａＮ層を成長させることにより、図３（ｃ）に示すように、ＳｉＯ₂膜２４上およびＳｉＯ₂膜２４間の第２ＧａＮ層２５上に、上面が平坦である第３ＧａＮ層２６を形成する。
【００２９】
尚、第３ＧａＮ層２６をアンドープのＧａＮ層により形成することも可能であるが、この場合、上面を平坦化するためには、Ｍｇドープとする場合より厚いＧａＮ層を成長させる必要がある。
【００３０】
また、上記図３（ａ）〜（ｃ）の工程において、窒化物化合物半導体各層２２、２３、２５、２６は、ＯＭＶＰＥ法により形成される。この時、原料ガスとして、例えばトリメチルアルミニウム（ＴＭＡｌ）、トリメチルガリウム（ＴＭＧａ）、アンモニア（ＮＨ₃）、シクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ₂Ｍｇ）を用いる。
【００３１】
次に、塩化ガリウム（ＧａＣｌ）、ＮＨ₃、ＳｉＨ₄を原料とするハイドライドＶＰＥ法により、図３（ｄ）に示すように、Ｓｉドープの第４ＧａＮ層２７を成長させる。
【００３２】
尚、塩化ガリウムは、ハイドライドＶＰＥ装置の反応管内において、サファイア基板２１上に上述の各層が形成された図３（ｃ）に示すウエハよりも上流側に設置されたボート内の金属Ｇａと、その更に上流側から供給される塩化水素（ＨＣｌ）とが反応することによって生成される。
【００３３】
また、この図３（ｄ）の工程において第４ＧａＮ層２７を成長する際のサファイア基板２１の温度や、ＨＣｌの流量によって、第４ＧａＮ層２７に含まれる塩素（Ｃｌ）濃度が変化する。
【００３４】
次に、サファイア基板２１側から図３（ｄ）に示す破線ａ−ａ’まで、研磨またはエッチングを行うことにより、サファイア基板２１、Ａｌ_0.5Ｇａ_0.5バッファ層２２、第１ＧａＮ層２３、ＳｉＯ₂膜２４、第２ＧａＮ層２５、第３ＧａＮ層２６の全部、および第４ＧａＮ層２７の一部を除去する。この除去により残った第４ＧａＮ層がｎ型のＧａＮ基板１となる。
【００３５】
ｎ型のＧａＮ基板１は上面が（０００１）面であり、この（０００１）面から［２−１−１０］方向に所定角度（本実施例では０．５°）傾斜させて研磨することにより、微傾斜基板を作製することができる。
【００３６】
図１に示す本実施例の半導体レーザは、このようにして作製された微傾斜のＧａＮ基板１の表面上に、上述したようにＯＭＶＰＥ法による結晶成長、エッチングによるリッジ形成、さらに埋め込み成長、および電極の蒸着を行うことにより作製される。
【００３７】
次に、この半導体レーザにおいて、ＧａＮ基板１中に含まれるＣｌ濃度の異なる基板面上に半導体レーザを作製し、超高速パルス駆動時の半導体レーザの光出力の立上り、立下り時間に及ぼすＣｌ濃度の影響を調べた。その結果を図４に示す。
【００３８】
尚、ＧａＮ基板１中に含まれるＣｌ濃度は、上述したようにＧａＮ基板１を作製する図３（ｄ）の工程において、第４ＧａＮ層２７を成長する際のサファイア基板２１の温度及びＨＣｌの流量を変化させることによって行った。
【００３９】
具体的には、サファイア基板２１の温度を１０００℃、ＨＣｌ流量を３０μｍｏｌ／ｍｉｎとすることにより、ＧａＮ基板１中のＣｌ濃度は、１×１０¹⁶ｃｍ^-3となり、サファイア基板２１の温度を１０２０℃、ＨＣｌ流量を３０μｍｏｌ／ｍｉｎとすることにより、ＧａＮ基板１中のＣｌ濃度は、５×１０¹⁵ｃｍ^-3となり、サファイア基板２１の温度を１０４０℃、ＨＣｌ流量を３０μｍｏｌ／ｍｉｎとすることにより、ＧａＮ基板１中のＣｌ濃度は、３×１０¹⁵ｃｍ^-3となり、サファイア基板２１の温度を１０４０℃、ＨＣｌ流量を２０μｍｏｌ／ｍｉｎとすることにより、ＧａＮ基板１中のＣｌ濃度は、２×１０¹⁵ｃｍ^-3となり、サファイア基板２１の温度を１０６０℃、ＨＣｌ流量を３０μｍｏｌ／ｍｉｎとすることにより、ＧａＮ基板１中のＣｌ濃度は、１×１０¹⁵ｃｍ^-3となり、サファイア基板２１の温度を１０６０℃、ＨＣｌ流量を１５μｍｏｌ／ｍｉｎとすることにより、ＧａＮ基板１中のＣｌ濃度は、５×１０¹⁴ｃｍ^-3となった。
【００４０】
また、ＧａＮ基板１に含有されるＣｌ濃度は、二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ）により測定した。具体的には、上述の手順で作製されたＧａＮ基板１の表面側からＣｌ（質量数３５及び３７）の深さプロファイルを得る。イオン源（一次イオン）には、Ｃｓ⁺イオンを用い加速電圧１４．４ｋｅＶとする。Ｃｌ濃度の校正には、別途用意したアンドープＧａＮ単結晶層中に１×１０¹³ｃｍ^-2のドーズ量でＣｌがイオン注入された試料を標準試料として、上述と同一条件でＳＩＭＳ分析を行い比較することにより行った。
【００４１】
尚、サファイア基板２１の温度を１０６０℃、ＨＣｌ流量を１５μｍｏｌ／ｍｉｎとした場合（図４の括弧内のデータ）、ＧａＮ基板１中のＣｌ濃度は、前述の二次イオン質量分析法では検出限界以下となったが、ＨＣｌ供給量とＧａＮ基板中のＣｌ濃度がほぼ比例する関係にあり、サファイア基板２１が１０６０℃、ＨＣｌ流量が３０μｍｏｌ／ｍｉｎであるときＧａＮ基板１中のＣｌ濃度が１×１０¹⁵ｃｍ^-3であることから、５×１０¹⁴ｃｍ^-3程度であると推察した。
【００４２】
また、立上り時間は、パルス幅２０ｎｓ、デューティー比５０％（周波数２５ＭＨｚ）で半導体レーザを駆動したときに、光出力が１０％から９０％に増加するのに要する時間と定義した。また、立下り時間は、立上り時間とは逆に、パルス幅１０ｎｓ、デューティー比５０％（周波数５０ＭＨｚ）で半導体レーザを駆動したときに、光出力が９０％から１０％に減少するのに要する時間と定義した。尚、光出力１００％とは、１０ｍＷに対応する。
【００４３】
図４から判るように、ｎ型ＧａＮ基板１中のＣｌ濃度の低下とともに光出力の立上り、立下り時間が減少し、Ｃｌ濃度を３×１０¹⁵ｃｍ^-3にすることにより、立上り、立下り時間が大幅に短くなり、特にＣｌ濃度を１×１０¹⁵ｃｍ^-3にすることにより、立上り時間０．７ｎｓ、立下り時間１ｎｓと高速動作が可能である。
【００４４】
尚、本発明は上述の構成以外の発光素子においても適用可能なことは当然であり、例えば、電流阻止層９を、第２クラッド層６に接する側からｉ型のＡｌ_0.12Ｇａ_0.88Ｎとｎ型Ａｌ_0.12Ｇａ_0.88Ｎを順に形成した２層からなる電流阻止層としても良い。
【００４５】
また、少なくともＧａとＮを含有する窒化物系半導体基板として、上述の実施例では、ＧａＮ基板を用いたが、ＧａＮにＡｌ、Ｉｎ、Ｂ、Ｔｌ等の元素を更に含んでも良い。
【００４６】
【発明の効果】
本発明に依れば、高速動作可能な窒化物系半導体発光素子を提供し得る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の半導体レーザの全体構成を示す断面図である。
【図２】本発明の半導体レーザの発光層の構成を示す断面図である。
【図３】本発明の半導体レーザの製造方法を示す図である。
【図４】本発明の半導体レーザにおけるＧａＮ基板に含まれるＣｌ濃度とパルス駆動時の立上り、立下り時間との関係を示す図である。
【符号の説明】
１ＧａＮ基板（窒化物系半導体基板）
４第１クラッド層（窒化物系半導体層）
５発光層（窒化物系半導体層）
６第２クラッド層（窒化物系半導体層）

Claims

少なくともＧａとＮを含有する窒化物系半導体基板上に、窒化物半導体層が形成されてなる窒化物系半導体発光素子において、前記窒化物系半導体基板にＣｌが含まれ、そのＣｌの濃度が１×１０^１５ｃｍ^−３以下であると共に、前記窒化物半導体層は、前記窒化物系半導体基板上に形成されたｎ型ＩｎＧａＮからなるクラック防止層と、該クラック防止層上に形成されたｎ型ＡｌＧａＮからなる第１クラッド層と、該第１クラッド層上に形成された発光層と、該発光層上に形成されたｐ型ＡｌＧａＮからなる第２クラッド層と、該第２クラッド層上に形成されたｐ型コンタクト層とを含むことを特徴とする窒化物系半導体発光素子。
前記窒化物系半導体基板がハイドライドＶＰＥ法により形成された層であることを特徴とする請求項１記載の窒化物系半導体発光素子。