JP3696182B2

JP3696182B2 - Semiconductor laser element

Info

Publication number: JP3696182B2
Application number: JP2002161782A
Authority: JP
Inventors: 雄三郎伴
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2001-06-06
Filing date: 2002-06-03
Publication date: 2005-09-14
Anticipated expiration: 2022-06-03
Also published as: JP2003060318A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＧａＮ系青紫色半導体レーザ素子、紫外から赤色領域までの発光が可能なＧａＮ系発光ダイオード素子、又はＧａＮ系高周波電子デバイス等のＧａＮ系半導体素子と、該半導体素子の形成に用いられるＧａＮ系化合物半導体エピタキシャル成長ウェハに関する。
【０００２】
【従来の技術】
Ｖ族元素に窒素（Ｎ）を含む窒化物半導体は、そのバンドギャップが比較的に大きいことから、短波長発光素子の材料として有望視されている。なかでも、一般式Ａｌ_x Ｇａ_y Ｉｎ_z Ｎ（但し、０≦ｘ，ｙ，ｚ≦１，ｘ＋ｙ＋ｚ＝１である）で表わされる窒化ガリウム（ＧａＮ）系化合物半導体は、その研究が盛んに行なわれており、青色発光ダイオード（ＬＥＤ）素子、緑色発光ダイオード素子が既に実用化されている。
【０００３】
また、ＨＤ−ＤＶＤ（ＨｉｇｈＤｅｆｉｎｉｔｉｏｎＤｅｇｉｔａｌＶｅｒｓａｔｉｌｅＤｉｓｋ）等の次世代高密度光ディスク用光源として、発振波長が４００ｎｍ付近の青紫色半導体レーザ素子が熱望されており、窒化ガリウム系半導体材料を用いた半導体レーザ素子の研究開発も盛んに行なわれている。
【０００４】
図５は従来の窒化ガリウム系化合物半導体デバイスに用いられるエピタキシャル成長ウェハ（以下、エピウェハと略称する）を部分的に拡大した斜視図である。
【０００５】
図５に示すように、窒化ガリウム（ＧａＮ）からなる基板１０１の主面の面方位は、（０００１）面から晶帯軸の＜１−１００＞方向に０．２°のオフ角を有している。基板１０１の主面上には、エピタキシャル成長した窒化ガリウム系半導体からなる素子層１０２が形成されている。
【０００６】
素子層１０２の表面形態（表面モホロジー）は、基板１０１の表面の段差（図示せず）の影響を受け、それと同一方向（＝＜１−１００＞方向）に現われる複数の段差を有している。すなわち、基板１０１の主面の面方位に対するオフ角を持たせた方向に複数の段差が形成されている。なお、本願明細書において、面方位又は晶帯軸の指数に付した負符号”−”は該負符号に続く一の指数の反転を便宜的に表わしている。
【０００７】
このようなエピウェハを用いて半導体レーザ素子を作製する場合には、導波路を構成する共振器におけるレーザ共振方向と段差方向（＝＜１−１００＞方向）とがほぼ垂直となるように形成されている。ここで、仮に、基板１０１の段差方向（オフ角方向）に共振器の共振方向（ストライプ方向）を合わせると、各段差によって共振器における互いに対向する端面同士の高さがずれてしまうため、内部損失（導波損失）が大きくなる。このため、レーザ素子の閾値電流が増大し、その結果、信頼性も低くなる。
【０００８】
ところで、特開２０００−１５６３４８号公報には、互いに隣接する段差同士に挟まれてなる平坦部（テラス部）の幅が数百〜数千μｍの段差を有する素子層が形成されたＧａＮ系化合物半導体エピウェハが記載されている。
【０００９】
前記公報においては、ＧａＮの（１−１００）Ｍ面で劈開可能なように、段差方向と平行な方向に共振方向を設定している。このため、テラス部の幅は、少なくともチップとして切り出すことが可能な、そのチップの一辺の長さ寸法よりも大きくする必要がある。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記公報に係るＧａＮ系化合物半導体エピウェハは、レーザチップを得られる程度のテラス部が形成されるように、そのオフ角を０．３°〜０．５°程度と極めて小さくする必要がある。
【００１１】
従って、例えば、オフ角を１°よりも大きくすることができないため、該エピウェハの表面モホロジーが劣化したり、結晶の配向性の指標となるＸ線ロッキングカーブの半値幅が増大したりして、高品質な結晶性を持つ素子層を得ることができないという問題がある。そのため、前記従来のＧａＮ系化合物半導体エピウェハを用いて作製された半導体デバイスの特性も不十分である。
【００１２】
本発明は、前記従来の問題を解決し、オフ角を持つＧａＮ系化合物半導体エピウェハにおけるエピタキシャル層（素子層）に高品質な結晶性を得られるようにすることを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
前記の目的を達成するため、本発明に係るＧａＮ系化合物半導体エピウェハは、六方晶系に属する第１の窒化物半導体からなる基板と、基板の主面上に成長により形成され、半導体素子を形成するための六方晶系に属する第２の窒化物半導体からなる素子層とを備え、基板の主面の面方位は（０００１）面から一の方向にオフ角を有し、素子層は一の方向に対してほぼ平行に延びる縞状の表面形態を有している。
【００１４】
本発明のＧａＮ系化合物半導体エピウェハによると、素子層がオフ角を持たせた一の方向に対してほぼ平行に延びる縞状の表面形態を有しているため、基板のオフ角を１°以上と大きくしても、縞同士の幅（テラス部の幅）は決して狭まることがない。このため、素子層の表面形態（表面モホロジー）は良好となり、結晶性に優れた素子層を得ることができる。なお、縞状の表面形態とは、素子層の表面に現われた１〜２層の原子層によって形成された段差である。
【００１５】
本発明のＧａＮ系化合物半導体エピウェハにおいて、一の方向が晶帯軸の＜１−１００＞方向であることが好ましい。
【００１６】
本発明のＧａＮ系化合物半導体エピウェハにおいて、オフ角が１°以上で且つ１０°以下であることことが好ましい。
【００１７】
本発明に係る半導体素子は、六方晶系に属する第１の窒化物半導体からなる基板と、基板の主面上に成長により形成され、半導体素子を形成するための六方晶系に属する第２の窒化物半導体からなる素子層とを有するＧａＮ系化合物半導体エピウェハを用いた半導体素子を対象とし、基板の主面の面方位は（０００１）面から一の方向にオフ角を有し、素子層は一の方向に対してほぼ平行に延びる縞状の表面形態を有している。
【００１８】
本発明の半導体素子によると、素子層がオフ角を持たせた一の方向に対してほぼ平行に延びる縞状の表面形態を有しているため、基板のオフ角を１°以上と大きくしても、縞同士の幅は狭くなることがないため、素子層の表面モホロジーは良好となり、結晶性に優れた素子層を得ることができる。
【００１９】
本発明の半導体素子において、一の方向が晶帯軸の＜１−１００＞方向であることが好ましい。
【００２０】
本発明の半導体素子において、オフ角が１°以上で且つ１０°以下であることが好ましい。
【００２１】
本発明の半導体素子がレーザ素子であることが好ましい。
【００２２】
この場合に、レーザ素子が、一の方向に対してほぼ平行に形成された共振器を有していることが好ましい。
【００２３】
この場合のオフ角が１°以上で且つ１０°以下であり、共振器の端面が劈開により形成されていることが好ましい。
【００２４】
また、本発明の半導体素子が発光ダイオード素子であることが好ましい。
【００２５】
【発明の実施の形態】
（第１の実施形態）
本発明の第１の実施形態について図面を参照しながら説明する。
【００２６】
図１は本発明の第１の実施形態に係るＧａＮ系化合物半導体エピウェハを部分的に拡大した斜視図である
図１に示すように、第１の実施形態に係るエピウェハ１０は、結晶系が六方晶系に属し、その主面が（０００１）面から晶帯軸の＜１−１００＞方向に約５°だけ傾斜したオフ角を持つ窒化ガリウム（ＧａＮ）からなる基板１１と、該基板１１の主面上に、有機金属熱分解気相成長（ＭＯＶＰＥ：ＭｅｔａｌｏｒｇａｎｉｃＶａｐｏｒＰｈａｓｅＥｐｉｔａｘｙ）法等によりエピタキシャル成長した、半導体素子を形成するための六方晶系に属するＧａＮ系化合物半導体からなる素子層１２とを有している。
【００２７】
素子層１２の表面モホロジーは、晶帯軸の＜１−１００＞方向にほぼ平行に延びる縞状であり、縞同士の間隔は１０μｍ〜２０μｍ程度である。
【００２８】
なお、基板１１は、液相、気相又は固層成長のいずれにも限られないが、ここでは、例えば、高温高圧法、ＭＯＶＰＥ法、又はハイドライド気相成長（ＨＶＰＥ：ＨｙｄｒｉｄｅＶａｐｏｒＰｈａｓｅＥｐｉｔａｘｙ）法等により形成されている。
【００２９】
素子層１２を有するエピウェハ１０のＸ線ロッキングカーブを測定したところ、その半値幅は約１００秒以下であることを確認している。従来のエピウェハは、前述したように主面のオフ角が１°よりも小さく、この場合のＸ線ロッキングカーブの半値幅は約２００秒〜３００秒である。従って、第１の実施形態に係るエピウェハ１０は、従来のオフ角が１°よりも小さいエピウェハと比べて結晶性が大きく向上していることが分かる。
【００３０】
このように、窒化ガリウムからなる基板１１のオフ角を数度程度、例えば１°以上且つ１０°以下の範囲に設定することにより、該基板１１上にエピタキシャル成長してなる素子層１２の表面モホロジーは、オフ角方向の＜１−１００＞方向とほぼ平行して延びる縞状となり、その結果、素子層１２の結晶性が著しく向上することを確認している。
【００３１】
なお、第１の実施形態においては、素子層１２を形成するエピタキシャル成長法としてＭＯＶＰＥ法を用いたが、これに限られず、他のエピタキシャル成長法、例えば分子線エピタキシ（ＭＢＥ：ＭｏｌｅｃｕｌａｒＢｅａｍＥｐｉｔａｘｙ）法又はＨＶＰＥ法を用いても、本発明を実現できることはいうまでもない。
【００３２】
（第２の実施形態）
以下、本発明の第２の実施形態について図面を参照しながら説明する。
【００３３】
図２は本発明の第２の実施形態に係るＧａＮ系化合物半導体エピウェハの部分的な断面構成を示している。
【００３４】
図２において、第２の実施形態に係るＧａＮ系化合物半導体からなる素子層１２は、紫色光を発光可能な半導体レーザ構造を有するエピタキシャル層である。
【００３５】
図２に示すように、ＧａＮ系化合物半導体エピウェハ１０は、主面が（０００１）面から晶帯軸の＜１−１００＞方向に約２°だけ傾斜したオフ角を持つ窒化ガリウム（ＧａＮ）からなる基板１１の主面上に、ｎ型ＧａＮからなるｎ型半導体層２１と、ｎ型窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）からなるｎ型クラッド層２２と、ｎ型ＧａＮからなるｎ型光ガイド層２３と、窒化インジウム（ＩｎＧａＮ）からなる井戸層及びＧａＮからなるバリア層が複数層積層されてなる多重量子井戸（ＭＱＷ）活性層２４と、ｐ型ＡｌＧａＮからなるｐ型キャップ層２５と、ｐ型ＧａＮからなるｐ型光ガイド層２６と、ｐ型ＡｌＧａＮからなるｐ型クラッド層２７と、ｐ型ＧａＮからなるｐ型コンタクト層２８とが順次エピタキシャル成長により積層された構造を有している。
【００３６】
ｎ型クラッド層２２及びｐ型クラッド層２７は、ＭＱＷ活性層２４に注入されるキャリアと該キャリアによる再結合光とを閉じ込め、ｎ型光ガイド層２３及びｐ型光ガイド層２６は、キャリア及び再結合光の閉じ込め効率を向上させる。また、ｐ型キャップ層２５は、ｎ型半導体層２１から注入される電子がＭＱＷ活性層２４に注入されずにｐ型光ガイド層２６にリークしてしまうことを防止するバリア層として機能する。
【００３７】
半導体レーザ構造に設ける共振器の劈開端面が、窒化ガリウムの結晶面のＭ面となるように、共振器の共振方向（長手方向）を該Ｍ面に対して垂直な方向、すなわち晶帯軸の＜１−１００＞方向とする。
【００３８】
ここで、基板１１のオフ角方向も＜１−１００＞方向であるため、基板１１上にエピタキシャル成長してなる素子層１２の表面モホロジーは、前述したように、オフ角方向（＜１−１００＞方向）とほぼ平行な方向に延びる縞状パターンとなるので、共振器の長手方向、いわゆるストライプ方向と、縞状パターンが延びる方向とが一致する。従って、互いに隣接する縞同士の間（テラス部）の幅は１０μｍ〜２０μｍであり、通常、共振器幅は２μｍ〜３μｍ程度であるため、テラス部には共振器を確実に形成することができる。
【００３９】
なお、第２の実施形態においては、基板１１の主面におけるオフ角を約２°としたが、１°以上且つ１０°以下であれば良い。
【００４０】
また、ＭＱＷ活性層２４は、井戸層をＩｎＧａＮとし且つバリア層ＧａＮとしたが、これに代えて、井戸層をＧａＮとし且つバリア層をＡｌＧａＮとしてもよい。
【００４１】
また、ｎ型クラッド層２２及びｐ型クラッド層２７は、ＡｌＧａＮの単層構造とする代わりに、ＡｌＧａＮ層とＧａＮ層との積層体からなる超格子クラッド層としても良い。ここで、超格子クラッド層を用いる場合には、ｎ型ドーパントであるシリコン（Ｓｉ）又はｐ型ドーパントであるマグネシウム（Ｍｇ）等の不純物ドーピングは、ＡｌＧａＮ層及びＧａＮ層のうちの少なく一方に対して行なえばよい。
【００４２】
（第３の実施形態）
以下、本発明の第３の実施形態について図面を参照しながら説明する。
【００４３】
図３は本発明の第３の実施形態に係るＧａＮ系化合物半導体エピウェハの部分的な断面構成を示している。
【００４４】
図３において、第３の実施形態に係るＧａＮ系化合物半導体からなる素子層１２は、青色光を発光可能な発光ダイオード構造を有するエピタキシャル層である。
【００４５】
図３に示すように、ＧａＮ系化合物半導体エピウェハ１０は、主面が（０００１）面から晶帯軸の＜１−１００＞方向に約２°だけ傾斜したオフ角を持つ窒化ガリウム（ＧａＮ）からなる基板１１の主面上に、ｎ型ＧａＮからなるｎ型半導体層４１と、ｎ型ＩｎＧａＮ層及びｎ型ＧａＮ層の積層体からなるｎ型超格子クラッド層４２と、ＩｎＧａＮからなる井戸層及びＧａＮからなるバリア層が複数層積層されてなる多重量子井戸（ＭＱＷ）活性層４３と、ｐ型ＡｌＧａＮからなるｐ型キャップ層４４と、ｐ型ＡｌＧａＮ層及びｐ型ＧａＮ層の積層体からなるｐ型超格子クラッド層４５と、ｐ型ＧａＮからなるｐ型コンタクト層４６とが順次エピタキシャル成長により積層された構造を有している。
【００４６】
第３の実施形態においても、素子層１２の表面モホロジーは、オフ角方向（＜１−１００＞方向）とほぼ平行な方向に延びる縞状パターンとなり、且つＸ線ロッキングカーブの半値幅が約８０秒と小さくなって、従来と比べて結晶性が格段に向上する。その結果、第３の実施形態に係るエピウェハを用いて作製されたＧａＮ系青色発光ダイオード素子の発光効率が大幅に増大することを確認している。
【００４７】
なお、第３の実施形態においても、基板１１の主面におけるオフ角を約２°としたが、１°以上且つ１０°以下であればよい。
【００４８】
また、ＭＱＷ活性層４３は、井戸層をＩｎＧａＮとし且つバリア層ＧａＮとする代わりに、井戸層をＧａＮとし且つバリア層をＡｌＧａＮとしても良い。
【００４９】
また、ｎ型クラッド層４２は、ｎ型ＩｎＧａＮ層とｎ型ＧａＮ層との積層体からなる超格子構造としたが、これに代えて、ｎ型ＡｌＧａＮ層とｎ型ＧａＮ層との超格子構造、又はｎ型ＧａＮ若しくはｎ型ＡｌＧａＮからなる単層構造としてもよい。
【００５０】
また、ｐ型クラッド層４５は、ｐ型ＡｌＧａＮ層とｐ型ＧａＮ層との積層体からなる超格子構造としたが、これに代えて、ｐ型ＧａＮ又はｐ型ＡｌＧａＮからなる単層構造としてもよい。
【００５１】
なお、ここでも、第２の実施形態と同様に、各クラッド層を超格子構造とする場合には、ｎ型ドーパント又はｐ型ドーパントの不純物ドーピングは、超格子構造における井戸層及びバリア層のうちの少なく一方に対して行なえばよい。
【００５２】
【実施例】
（第１実施例）
以下、本発明の第１実施例について図面を参照しながら説明する。
【００５３】
図４は本発明の第１実施例であって、第２の実施形態に係るＧａＮ系化合物半導体エピウェハを用いて作製した紫色半導体レーザ素子の斜視図である。
【００５４】
第１実施例は、素子層の結晶成長方法に、成長圧力を減圧状態である３００Ｔｏｒｒ（１Ｔｏｒｒ＝１３３．３２２Ｐａ）としたＭＯＶＰＥ法を用いる。
【００５５】
III 族源には、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡｌ：（ＣＨ₃)₃ Ａｌ）、トリメチルガリウム（ＴＭＧａ：（ＣＨ₃)₃ Ｇａ）又はトリメチルインジウム（ＴＭＩｎ：（ＣＨ₃)₃ Ｉｎ）からなる原料ガスを用いる。また、Ｖ族源にはアンモニア（ＮＨ₃ ）ガスを用いる。ｎ型の不純物原料には、例えばモノシラン（ＳｉＨ₄ ）を用い、ｐ型の不純物原料には、例えばシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ₂ Ｍｇ：（Ｃ₅Ｈ₅)₂Ｍｇ）を用いる。これらの原料ガスのキャリアガスには、水素（Ｈ₂ ）ガス及び窒素（Ｎ₂ ）ガスを用いる。
【００５６】
また、素子層の基板には、主面が（０００１）面から＜１−１００＞方向に約２°だけ傾斜したオフ角を持つ窒化ガリウム（ＧａＮ）からなる基板１１を用いる。
【００５７】
まず、図２に示した素子層１２の成長プロセスの一例を説明する。
【００５８】
基板１１をＭＯＶＰＥ装置の反応室に投入した後、該基板１１を素子層１２の成長温度である約１０５０℃にまで加熱する。ここで、基板１１の表面に熱による変成が生じないように、基板温度が４００℃程度に達した時点で、ＮＨ₃ ガスの供給を開始する。基板温度が約１０５０℃にまで到達し、さらに数分が経過した後に、ＴＭＧａとＳｉＨ₄ ガスとの供給を開始して、基板１１に主面上に、厚さが約３μｍのｎ型ＧａＮからなるｎ型半導体層２１を成長する。続いて、ＴＭＡｌの供給を開始して、ｎ型半導体層２１の上に、厚さが約０．７μｍのｎ型ＡｌＧａＮからなるｎ型クラッド層２２を成長する。続いて、ＴＭＡｌの供給を停止して、厚さが約１０ｎｍのｎ型ＧａＮからなるｎ型光ガイド層２３を成長する。
【００５９】
その後、成長温度を約８００℃にまで降温した後、ｎ型光ガイド層２３の上にＭＱＷ活性層２４を成長する。具体的には、ＴＭＧａ、ＴＭＩｎ及びＮＨ₃ を供給することにより、膜厚が約３ｎｍのＩｎＧａＮからなる井戸層を成長し、ＴＭＧａ及びＮＨ₃ を供給することにより、厚さが約７．５ｎｍのＧａＮからなる障壁層を成長し、これら井戸層及び障壁層を交互に積層して３対のＭＱＷ活性層２４を得る。
【００６０】
続いて、成長温度を１０００℃にまで昇温した後、ＴＭＡｌ、ＴＭＧａ、ＮＨ₃ 及びＣｐ₂ Ｍｇを供給することにより、ＭＱＷ活性層２４の上に、厚さが約２ｎｍのｐ型ＡｌＧａＮからなるｐ型キャップ層２５を成長する。その後、ＴＭＡｌの供給を停止して、ｐ型キャップ層２５の上に、厚さが約１０ｎｍのｐ型ＧａＮからなるｐ型光ガイド層２６を成長する。その後、ＴＭＡｌの供給を再度開始して、ｐ型光ガイド層２６の上に、厚さが約０．５μｍのｐ型ＡｌＧａＮからなるｐ型クラッド層２７を成長する。続いて、ＴＭＡｌの供給を停止して、ｐ型クラッド層２７の上に、厚さが約０．２μｍのｐ型ＧａＮからなるｐ型コンタクト層２８を成長する。
【００６１】
続いて、ｐ型コンタクト層２８を成長した後、原料ガスであるＴＭＧａ、ＣＰ₂ Ｍｇ及びＮＨ₃ の供給を停止して、Ｎ₂ 及びＨ₂ からなるキャリアガスをそのまま供給しながら室温にまで冷却し、その後、エピウェハ１０を反応室から取り出す。
【００６２】
このようにして形成された、第１実施例に係るエピウェハ１０の表面モホロジーは、図１に示したように、基板１１の主面のオフ角の方向、すなわち晶帯軸の＜１−１００＞方向にほぼ平行な方向に延びる縞状パターンを示す。
【００６３】
また、エピウェハ１０から得られたＸ線ロッキングカーブの半値幅は約８０秒である。
【００６４】
次に、図４に示す紫色半導体レーザ素子の製造方法の一例について図面を参照しながら説明する。
【００６５】
まず、スパッタ法又はＣＶＤ法により、ｐ型コンタクト層２８上の全面に、酸化シリコン（ＳｉＯ₂ ）からなるマスク形成膜（図示せず）を堆積した後、リソグラフィ法により、マスク形成膜をリッジストライプ形状にパターニングして、マスク形成膜からドライエッチング用のマスク膜を形成する。続いて、反応性イオンエッチング法により、形成したマスク膜を用いてｐ型コンタクト層２８及びｐ型クラッド層２７をｐ型光ガイド層２６が露出する程度にエッチングして、ｐ型コンタクト層２８及びｐ型クラッド層２７にマスク膜のリッジストライプ形状を転写する。
【００６６】
次に、マスク膜を除去した後、エッチングされたｐ型コンタクト層２８及びｐ型クラッド層２７の上面及び側面と、露出したｐ型光ガイド層２６の上に、酸化シリコンからなる保護絶縁膜２９を堆積し、その後、リソグラフィ法及びドライエッチング法により、保護絶縁膜２９にｐ型コンタクト層２８を露出する開口部を選択的に形成する。
【００６７】
次に、リソグラフィ法により、ｐ型コンタクト層２８の露出領域に開口部を持つレジストパターンを形成する。続いて、蒸着法等により、ニッケル（Ｎｉ）及び金（Ａｕ）を順次蒸着した後、リフトオフ法により、Ｎｉ及びＡｕの積層体からなり、ｐ型コンタクト層２８とオーミック接触するｐ側電極３０を形成する。
【００６８】
次に、基板１１における素子層１２の反対側の面（裏面）に対して、その厚さが１００μｍ程度となるまで研磨を行なう。その後、蒸着法等により、裏面にチタン（Ｔｉ）及びアルミニウム（Ａｌ）を順次蒸着して、Ｔｉ及びＡｌの積層体からなり、基板１１とオーミック接触するｎ側電極３１を形成する。
【００６９】
次に、エピウェハ１０をＭ面で劈開することにより、複数の共振器を含み、且つ各共振器端面を露出したバー状の半導体積層体を形成する。その後、劈開面のうちの反射端面（後面）には反射率が約８０％の誘電体膜からなる高反射膜をコーティングし、その対向面である出射端面（前面）には、反射率が約２０％の誘電体膜からなる低反射膜をコーティングする。その後、バー状の半導体積層体を少なくとも１つの共振器を含むようにチップ状に分割する。
【００７０】
このようにして作製されたＧａＮ系紫色半導体レーザ素子は、発振波長が４０５ｎｍであり、レーザ光の出力特性及び電流特性を評価したところ、しきい値電流が約４５ｍＡで、しきい値電圧が約４．５Ｖという良好な特性を得られている。これにより、光出力が３０ｍＷ時における動作電流及び動作電圧も低減できるため、注入電力が小さくなるので、信頼性が向上して長寿命化を達成することができる。
【００７１】
なお、ＭＱＷ活性層２４は、ＩｎＧａＮからなる井戸層と、ＧａＮからなる障壁層とにより構成したが、これに代えて、ＧａＮ又はＡｌＧａＮからなる井戸層と、ｎ型ＡｌＧａＮからなる障壁層とにより構成すると、紫外領域の発振波長を持つレーザ光を得ることができる。
【００７２】
また、第１実施例においては、ＭＱＷ活性層２４の井戸層及び活性層のいずれにもｎ型不純物をドープしてはいないが、成長時のｎ型光ガイド層２３からの拡散によりｎ型の導電性を示すことがある。但し、ＭＱＷ活性層２４の成長時に、井戸層及び活性層の少なくとも一方に不純物を積極的にドープしてもよい。
【００７３】
（第２実施例）
以下、本発明の第２実施例について図面を参照しながら説明する。
【００７４】
第２実施例は、第２の実施形態に係るＧａＮ系化合物半導体エピウェハを用いて作製した青色発光ダイオード素子の製造方法の一例を示す。
【００７５】
ここでも、素子層の結晶成長方法に、成長圧力を減圧状態である３００ＴｏｒｒとしたＭＯＶＰＥ法を用いる。
【００７６】
III 族源には、第１実施例と同様に、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡｌ）、トリメチルガリウム（ＴＭＧａ）又はトリメチルインジウム（ＴＭＩｎ）からなる原料ガスを用いる。また、Ｖ族源にはアンモニア（ＮＨ₃ ）ガスを用いる。ｎ型の不純物原料には、例えばモノシラン（ＳｉＨ₄ ）を用い、ｐ型の不純物原料には、例えばシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ₂ Ｍｇ）を用いる。また、これらの原料ガスのキャリアガスには、水素ガス及び窒素ガスを用いる。
【００７７】
素子層を成長する基板には、主面が（０００１）面から＜１−１００＞方向に約５°だけ傾斜したオフ角を持つ窒化ガリウム（ＧａＮ）からなる基板１１を用いる。
【００７８】
まず、基板１１をＭＯＶＰＥ装置の反応室に投入した後、該基板１１を素子層１２の成長温度である約１０５０℃にまで加熱する。ここで、基板１１の表面に熱による変成が生じないように、基板温度が４００℃程度に達した時点で、ＮＨ₃ ガスの供給を開始する。基板温度が約１０５０℃にまで到達し、さらに数分が経過した後に、ＴＭＧａとＳｉＨ₄ ガスとの供給を開始して、基板１１に主面上に、厚さが約３μｍのｎ型ＧａＮからなるｎ型半導体層４１を成長する。
【００７９】
続いて、ｎ型半導体層４１の上に、ｎ型ＧａＮ／アンドープＩｎＧａＮからなるｎ型超格子クラッド層４２を成長する。具体的には、ＴＭＧａ、ＮＨ₃ 及びＳｉＨ₄ を供給することにより、膜厚が約２．５ｎｍのｎ型ＧａＮからなる障壁層を成長し、ＴＭＧａ、ＴＭＩｎ及びＮＨ₃ を供給することにより、厚さが約２．５ｎｍでアンドープのＩｎＧａＮからなる井戸層を成長し、さらにこれら障壁層と井戸層とを交互に積層する。
【００８０】
その後、成長温度を約８００℃にまで降温した後、ｎ型超格子クラッド層４２の上に、ＭＱＷ活性層４３を成長する。具体的には、ＴＭＧａ、ＴＭＩｎ及びＮＨ₃ を供給することにより、膜厚が約３ｎｍのＩｎＧａＮからなる井戸層を成長し、ＴＭＧａ、ＮＨ₃ 及びＳｉＨ₄ を供給することにより、厚さが約７．５ｎｍのｎ型ＧａＮからなる障壁層を成長し、これら井戸層及び障壁層を交互に積層して５対のＭＱＷ活性層４３を得る。
【００８１】
続いて、成長温度を１０００℃にまで昇温した後、ＴＭＡｌ、ＴＭＧａ、ＮＨ₃ 及びＣｐ₂ Ｍｇを供給することにより、ＭＱＷ活性層４３の上に、厚さが約２ｎｍのｐ型ＡｌＧａＮからなるｐ型キャップ層４４を成長する。
【００８２】
続いて、ｐ型キャップ層４４の上に、ｐ型ＡｌＧａＮ／アンドープＧａＮからなるｐ型超格子クラッド層４５を成長する。具体的には、ＴＭＧａ、ＴＭＡｌ、ＮＨ₃ 及びＣｐ₂ Ｍｇを供給することにより、膜厚が約２．５ｎｍのｐ型ＡｌＧａＮからなる障壁層を成長し、ＴＭＧａ及びＮＨ₃ を供給することにより、厚さが約２．５ｎｍのＧａＮからなる井戸層を成長し、さらにこれら障壁層と井戸層とを交互に積層する。
【００８３】
次に、ＴＭＧａ、ＮＨ₃ 及びＣｐ₂ Ｍｇを供給することにより、ｐ型超格子クラッド層４５の上に、厚さが約０．２μｍのｐ型ＧａＮからなるｐ型コンタクト層４６を成長する。
【００８４】
次に、図示はしていないが、ｐ型コンタクト層の上にｐ側電極を形成し、基板１１における素子層１２の反対側の面上にｎ側電極を形成し、その後、基板１１を所望の大きさのチップに分割する。
【００８５】
このようにして形成された、第２実施例に係るエピウェハ１０の表面モホロジーは、図１に示したように、基板１１の主面のオフ角の方向、すなわち＜１−１００＞方向にほぼ平行な方向に延びる縞状パターンを示す。
【００８６】
また、エピウェハ１０から得られたＸ線ロッキングカーブの半値幅は約８０秒であり、良好な結晶性を示すことが分かる。
【００８７】
なお、ｎ型超格子クラッド層４２は、障壁層であるＧａＮ層にのみ不純物をドープし、ｐ型超格子クラッド層４５も、障壁層であるＡｌＧａＮ層にのみ不純物をドープしたが、障壁層及び井戸層のうち少なくとも一方にドープすればよい。
【００８８】
また、ＭＱＷ活性層４３は、障壁層であるＧａＮ層にのみ不純物をドープしたが、障壁層及び井戸層のうち少なくとも一方にドープすればよく、また、障壁層及び井戸層の両方をアンドープとしてもよい。
【００８９】
なお、前述したように、超格子層４２、４５及びＭＱＷ活性層４３は、結晶成長時には不純物を実質的にドープしていない。しかしながら、これらのアンドープ層と隣接し且つ不純物がドープされた半導体層から、結晶成長時又は成長後に不純物が拡散することにより、該不純物がアンドープ層に含まれることがある。従って、本願明細書においては、アンドープ層とは、結晶成長時に不純物を実質的にドープしていない半導体層に限らず、隣接する半導体層に含まれる不純物を拡散の結果として有している半導体層をもいう。
【００９０】
【発明の効果】
本発明のＧａＮ系化合物半導体エピウェハ及び該エピウェハを用いて作製された半導体素子によると、基板のオフ角を１°以上に大きくしても、縞同士の幅が狭くなることがないため、素子層の表面モホロジーは良好となり、結晶性に優れた素子層を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態に係るＧａＮ系化合物半導体エピウェハを示す部分的な拡大斜視図である
【図２】本発明の第２の実施形態に係るＧａＮ系化合物半導体エピウェハにおける部分的な構成断面図である。
【図３】本発明の第３の実施形態に係るＧａＮ系化合物半導体エピウェハにおける部分的な構成断面図である。
【図４】本発明の第１実施例に係るＧａＮ系化合物半導体エピウェハを用いて作製した紫色半導体レーザ素子を示す斜視図である。
【図５】従来のＧａＮ系化合物半導体エピウェハを示す部分的な拡大斜視図である。
【符号の説明】
１０エピウェハ
１１基板
１２素子層
２１ｎ型半導体層
２２ｎ型クラッド層
２３ｎ型光ガイド層
２４多重量子井戸（ＭＱＷ）活性層
２５ｐ型キャップ層
２６ｐ型光ガイド層
２７ｐ型クラッド層
２８ｐ型コンタクト層
２９保護絶縁膜
３０ｐ側電極
３１ｎ側電極
４１ｎ型半導体層
４２ｎ型超格子クラッド層
４３多重量子井戸（ＭＱＷ）活性層
４４ｐ型キャップ層
４５ｐ型超格子クラッド層
４６ｐ型コンタクト層[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention is used for forming a GaN-based semiconductor device such as a GaN-based blue-violet semiconductor laser device, a GaN-based light-emitting diode device capable of emitting light from the ultraviolet to the red region, or a GaN-based high-frequency electronic device, and the semiconductor device. The present invention relates to a GaN-based compound semiconductor epitaxial growth wafer.
[0002]
[Prior art]
A nitride semiconductor containing nitrogen (N) as a group V element is considered promising as a material for a short-wavelength light-emitting element because of its relatively large band gap. Above all, the general formula Al _x Ga _y In _z A gallium nitride (GaN) -based compound semiconductor represented by N (where 0 ≦ x, y, z ≦ 1, x + y + z = 1) has been actively studied, and a blue light-emitting diode (LED) device Green light-emitting diode elements have already been put into practical use.
[0003]
Further, as a light source for next-generation high-density optical discs such as HD-DVD (High Definition Digital Versatile Disk), a blue-violet semiconductor laser element having an oscillation wavelength of around 400 nm is eagerly desired, and a semiconductor laser using a gallium nitride based semiconductor material Research and development of devices are also actively conducted.
[0004]
FIG. 5 is a partially enlarged perspective view of an epitaxial growth wafer (hereinafter abbreviated as an epi wafer) used in a conventional gallium nitride compound semiconductor device.
[0005]
As shown in FIG. 5, the plane orientation of the main surface of the substrate 101 made of gallium nitride (GaN) has an off angle of 0.2 ° from the (0001) plane in the <1-100> direction of the zone axis. ing. On the main surface of the substrate 101, an element layer 102 made of an epitaxially grown gallium nitride semiconductor is formed.
[0006]
The surface form (surface morphology) of the element layer 102 is affected by a step (not shown) on the surface of the substrate 101 and has a plurality of steps appearing in the same direction (= <1-100> direction). . That is, a plurality of steps are formed in a direction having an off angle with respect to the surface orientation of the main surface of the substrate 101. In the specification of the present application, the minus sign “−” attached to the index of the plane orientation or the zone axis represents the inversion of one index following the minus sign for convenience.
[0007]
When a semiconductor laser device is manufactured using such an epi-wafer, the laser resonance direction and the step direction (= <1-100> direction) in the resonator constituting the waveguide are formed so as to be substantially perpendicular. ing. Here, if the resonance direction (stripe direction) of the resonator is aligned with the step direction (off-angle direction) of the substrate 101, the heights of the end faces facing each other in the resonator are shifted due to the respective steps. Loss (waveguide loss) increases. For this reason, the threshold current of the laser element increases, and as a result, the reliability also decreases.
[0008]
By the way, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2000-156348 discloses a GaN compound in which an element layer having a step of several hundred to several thousand μm in width of a flat portion (terrace portion) sandwiched between adjacent steps is formed. A semiconductor epi-wafer is described.
[0009]
In the above publication, the resonance direction is set in a direction parallel to the step direction so that it can be cleaved on the (1-100) M plane of GaN. For this reason, it is necessary to make the width of the terrace portion larger than the length dimension of one side of the chip that can be cut at least as a chip.
[0010]
[Problems to be solved by the invention]
However, the GaN-based compound semiconductor epiwafer according to the above publication needs to have an extremely small off-angle of about 0.3 ° to 0.5 ° so that a terrace portion capable of obtaining a laser chip is formed. .
[0011]
Therefore, for example, since the off angle cannot be made larger than 1 °, the surface morphology of the epi-wafer is deteriorated, or the half width of the X-ray rocking curve that is an index of crystal orientation is increased. There is a problem that an element layer having high quality crystallinity cannot be obtained. For this reason, the characteristics of a semiconductor device manufactured using the conventional GaN-based compound semiconductor epiwafer are also insufficient.
[0012]
An object of the present invention is to solve the above-described conventional problems and to obtain high-quality crystallinity in an epitaxial layer (element layer) in a GaN-based compound semiconductor epiwafer having an off angle.
[0013]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, a GaN-based compound semiconductor epi-wafer according to the present invention is formed by growing a first nitride semiconductor belonging to a hexagonal system and a main surface of the substrate to form a semiconductor element. A device layer made of a second nitride semiconductor belonging to a hexagonal system, the plane orientation of the main surface of the substrate has an off angle in one direction from the (0001) plane, It has a striped surface configuration extending substantially parallel to the direction.
[0014]
According to the GaN-based compound semiconductor epi-wafer of the present invention, since the element layer has a striped surface form extending substantially parallel to one direction having an off-angle, the off-angle of the substrate is 1 ° or more. However, the width between the stripes (the width of the terrace portion) never narrows. For this reason, the surface form (surface morphology) of an element layer becomes favorable, and the element layer excellent in crystallinity can be obtained. The striped surface form is a step formed by one or two atomic layers appearing on the surface of the element layer.
[0015]
In the GaN-based compound semiconductor epi-wafer of the present invention, it is preferable that one direction is the <1-100> direction of the zone axis.
[0016]
In the GaN-based compound semiconductor epi-wafer of the present invention, the off angle is preferably 1 ° or more and 10 ° or less.
[0017]
A semiconductor device according to the present invention includes a substrate made of a first nitride semiconductor belonging to a hexagonal system, and a second material belonging to the hexagonal system that is formed on the main surface of the substrate by growth and belongs to the hexagonal system for forming the semiconductor device. Targeting a semiconductor element using a GaN-based compound semiconductor epi-wafer having an element layer made of a nitride semiconductor, the plane orientation of the main surface of the substrate has an off angle in one direction from the (0001) plane, and the element layer is It has a striped surface form extending substantially parallel to one direction.
[0018]
According to the semiconductor element of the present invention, since the element layer has a striped surface form extending substantially parallel to one direction having an off angle, the off angle of the substrate is increased to 1 ° or more. However, since the width between the stripes does not become narrow, the surface morphology of the element layer is good, and an element layer having excellent crystallinity can be obtained.
[0019]
In the semiconductor device of the present invention, it is preferable that one direction is a <1-100> direction of the crystal zone axis.
[0020]
In the semiconductor element of the present invention, the off angle is preferably 1 ° or more and 10 ° or less.
[0021]
The semiconductor element of the present invention is preferably a laser element.
[0022]
In this case, it is preferable that the laser element has a resonator formed substantially parallel to one direction.
[0023]
In this case, the off-angle is preferably 1 ° or more and 10 ° or less, and the end face of the resonator is preferably formed by cleavage.
[0024]
The semiconductor element of the present invention is preferably a light emitting diode element.
[0025]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
(First embodiment)
A first embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
[0026]
FIG. 1 is a partially enlarged perspective view of a GaN-based compound semiconductor epiwafer according to the first embodiment of the present invention.
As shown in FIG. 1, the epitaxial wafer 10 according to the first embodiment has a crystal system belonging to the hexagonal system, and its main surface is about 5 ° from the (0001) plane in the <1-100> direction of the zone axis. A substrate 11 made of gallium nitride (GaN) having an off-angle inclined by an angle, and a semiconductor element epitaxially grown on the main surface of the substrate 11 by a metalorganic thermal vapor phase epitaxy (MOVPE) method or the like And an element layer 12 made of a GaN-based compound semiconductor belonging to a hexagonal system.
[0027]
The surface morphology of the element layer 12 is a stripe extending substantially parallel to the <1-100> direction of the crystal zone axis, and the interval between the stripes is about 10 μm to 20 μm.
[0028]
The substrate 11 is not limited to liquid phase, vapor phase, or solid layer growth. Here, for example, a high temperature high pressure method, a MOVPE method, or a hydride vapor phase epitaxy (HVPE) method is used. Etc. are formed.
[0029]
When the X-ray rocking curve of the epi-wafer 10 having the element layer 12 was measured, it was confirmed that the half width was about 100 seconds or less. As described above, the conventional epi-wafer has a main surface with an off-angle smaller than 1 °, and the half width of the X-ray rocking curve in this case is about 200 seconds to 300 seconds. Therefore, it can be seen that the epi-wafer 10 according to the first embodiment has greatly improved crystallinity as compared with the conventional epi-wafer having an off-angle smaller than 1 °.
[0030]
Thus, by setting the off angle of the substrate 11 made of gallium nitride to about several degrees, for example, in the range of 1 ° to 10 °, the surface morphology of the element layer 12 epitaxially grown on the substrate 11 is As a result, it has been confirmed that the stripes extend substantially parallel to the <1-100> direction in the off-angle direction, and as a result, the crystallinity of the element layer 12 is remarkably improved.
[0031]
In the first embodiment, the MOVPE method is used as an epitaxial growth method for forming the element layer 12, but the present invention is not limited to this, and other epitaxial growth methods such as a molecular beam epitaxy (MBE) method or an HVPE method are used. It goes without saying that the present invention can be realized even if the method is used.
[0032]
(Second Embodiment)
Hereinafter, a second embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
[0033]
FIG. 2 shows a partial cross-sectional configuration of a GaN-based compound semiconductor epi-wafer according to the second embodiment of the present invention.
[0034]
In FIG. 2, an element layer 12 made of a GaN-based compound semiconductor according to the second embodiment is an epitaxial layer having a semiconductor laser structure capable of emitting violet light.
[0035]
As shown in FIG. 2, the GaN-based compound semiconductor epi-wafer 10 is made of gallium nitride (GaN) whose main surface is inclined from the (0001) plane by about 2 ° in the <1-100> direction of the zone axis. An n-type semiconductor layer 21 made of n-type GaN, an n-type cladding layer 22 made of n-type aluminum gallium nitride (AlGaN), and an n-type light guide layer 23 made of n-type GaN are formed on the main surface of the substrate 11. A multiple quantum well (MQW) active layer 24 in which a plurality of well layers made of indium nitride (InGaN) and a barrier layer made of GaN are stacked, a p-type cap layer 25 made of p-type AlGaN, and p-type GaN. A p-type light guide layer 26, a p-type cladding layer 27 made of p-type AlGaN, and a p-type contact layer 28 made of p-type GaN are sequentially stacked by epitaxial growth. And it has a structure.
[0036]
The n-type cladding layer 22 and the p-type cladding layer 27 confine the carriers injected into the MQW active layer 24 and the recombination light by the carriers, and the n-type light guide layer 23 and the p-type light guide layer 26 are carriers and Improve the confinement efficiency of recombination light. The p-type cap layer 25 functions as a barrier layer that prevents electrons injected from the n-type semiconductor layer 21 from leaking into the p-type light guide layer 26 without being injected into the MQW active layer 24.
[0037]
The resonance direction (longitudinal direction) of the resonator is the direction perpendicular to the M plane, that is, the crystal axis of the crystal so that the cleaved end face of the resonator provided in the semiconductor laser structure is the M plane of the gallium nitride crystal plane. The <1-100> direction is assumed.
[0038]
Here, since the off angle direction of the substrate 11 is also the <1-100> direction, the surface morphology of the element layer 12 formed by epitaxial growth on the substrate 11 is, as described above, the off angle direction (<1-100>). Therefore, the longitudinal direction of the resonator, the so-called stripe direction, and the direction in which the stripe pattern extends coincide with each other. Accordingly, the width between adjacent stripes (terrace portion) is 10 μm to 20 μm, and the resonator width is usually about 2 μm to 3 μm. Therefore, the resonator can be reliably formed on the terrace portion. .
[0039]
In the second embodiment, the off angle on the main surface of the substrate 11 is about 2 °, but it may be 1 ° or more and 10 ° or less.
[0040]
In the MQW active layer 24, the well layer is InGaN and the barrier layer GaN. Alternatively, the well layer may be GaN and the barrier layer may be AlGaN.
[0041]
Further, the n-type clad layer 22 and the p-type clad layer 27 may be superlattice clad layers made of a laminate of an AlGaN layer and a GaN layer, instead of an AlGaN single layer structure. Here, when the superlattice cladding layer is used, impurity doping such as silicon (Si) as an n-type dopant or magnesium (Mg) as a p-type dopant is applied to at least one of the AlGaN layer and the GaN layer. Just do it.
[0042]
(Third embodiment)
Hereinafter, a third embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
[0043]
FIG. 3 shows a partial cross-sectional structure of a GaN-based compound semiconductor epiwafer according to the third embodiment of the present invention.
[0044]
In FIG. 3, an element layer 12 made of a GaN-based compound semiconductor according to the third embodiment is an epitaxial layer having a light emitting diode structure capable of emitting blue light.
[0045]
As shown in FIG. 3, the GaN-based compound semiconductor epiwafer 10 is made of gallium nitride (GaN) having an off-angle whose main surface is inclined by about 2 ° in the <1-100> direction of the crystal zone axis from the (0001) plane. An n-type semiconductor layer 41 made of n-type GaN, an n-type superlattice clad layer 42 made of a laminate of an n-type InGaN layer and an n-type GaN layer, a well layer made of InGaN, A multiple quantum well (MQW) active layer 43 in which a plurality of GaN barrier layers are laminated, a p-type cap layer 44 made of p-type AlGaN, and a p-type made of a laminate of a p-type AlGaN layer and a p-type GaN layer. A type superlattice cladding layer 45 and a p-type contact layer 46 made of p-type GaN are sequentially stacked by epitaxial growth.
[0046]
Also in the third embodiment, the surface morphology of the element layer 12 is a striped pattern extending in a direction substantially parallel to the off-angle direction (<1-100> direction), and the half width of the X-ray rocking curve is about 80. As the time becomes smaller, the crystallinity is remarkably improved as compared with the conventional case. As a result, it has been confirmed that the light emission efficiency of the GaN-based blue light-emitting diode element manufactured using the epi-wafer according to the third embodiment is greatly increased.
[0047]
In the third embodiment, the off angle on the main surface of the substrate 11 is about 2 °, but it may be 1 ° or more and 10 ° or less.
[0048]
Further, in the MQW active layer 43, the well layer may be GaN and the barrier layer may be AlGaN instead of the well layer being InGaN and the barrier layer GaN.
[0049]
In addition, the n-type cladding layer 42 has a superlattice structure composed of a stacked body of an n-type InGaN layer and an n-type GaN layer, but instead, a superlattice structure of an n-type AlGaN layer and an n-type GaN layer. Or a single layer structure made of n-type GaN or n-type AlGaN.
[0050]
In addition, the p-type cladding layer 45 has a superlattice structure composed of a stacked body of a p-type AlGaN layer and a p-type GaN layer. Alternatively, a single-layer structure composed of p-type GaN or p-type AlGaN may be used. Good.
[0051]
Also here, as in the second embodiment, when each cladding layer has a superlattice structure, the impurity doping of the n-type dopant or the p-type dopant is the well layer and the barrier layer in the superlattice structure. This can be done for one of the least.
[0052]
【Example】
(First embodiment)
Hereinafter, a first embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
[0053]
FIG. 4 shows a first example of the present invention, and is a perspective view of a violet semiconductor laser device fabricated using a GaN-based compound semiconductor epiwafer according to the second embodiment.
[0054]
In the first embodiment, a MOVPE method in which the growth pressure is 300 Torr (1 Torr = 133.322 Pa), which is a reduced pressure state, is used as the crystal growth method for the element layer.
[0055]
Group III sources include trimethylaluminum (TMAl: (CH _Three ) _Three Al), trimethylgallium (TMGa: (CH _Three ) _Three Ga) or trimethylindium (TMIn: (CH _Three ) _Three A source gas composed of In) is used. In addition, group V sources include ammonia (NH _Three ) Use gas. Examples of n-type impurity materials include monosilane (SiH _Four For example, cyclopentadienyl magnesium (Cp) ₂ Mg: (C _Five H _Five ) ₂ Mg) is used. The carrier gas for these source gases includes hydrogen (H ₂ ) Gas and nitrogen (N ₂ ) Use gas.
[0056]
Further, as the substrate of the element layer, a substrate 11 made of gallium nitride (GaN) having a main surface inclined by about 2 ° in the <1-100> direction from the (0001) plane is used.
[0057]
First, an example of the growth process of the element layer 12 shown in FIG. 2 will be described.
[0058]
After the substrate 11 is put into the reaction chamber of the MOVPE apparatus, the substrate 11 is heated to about 1050 ° C., which is the growth temperature of the element layer 12. Here, when the temperature of the substrate reaches about 400 ° C., NH is prevented so that the surface of the substrate 11 is not transformed by heat. _Three Start supplying gas. After the substrate temperature reaches about 1050 ° C. and a few minutes have passed, TMGa and SiH _Four Supply of gas is started, and an n-type semiconductor layer 21 made of n-type GaN having a thickness of about 3 μm is grown on the main surface of the substrate 11. Subsequently, supply of TMAl is started, and an n-type cladding layer 22 made of n-type AlGaN having a thickness of about 0.7 μm is grown on the n-type semiconductor layer 21. Subsequently, the supply of TMAl is stopped, and an n-type light guide layer 23 made of n-type GaN having a thickness of about 10 nm is grown.
[0059]
Thereafter, the growth temperature is lowered to about 800 ° C., and then an MQW active layer 24 is grown on the n-type light guide layer 23. Specifically, TMGa, TMIn and NH _Three , A well layer made of InGaN having a thickness of about 3 nm is grown, and TMGa and NH _Three , A barrier layer made of GaN having a thickness of about 7.5 nm is grown, and these well layers and barrier layers are alternately stacked to obtain three pairs of MQW active layers 24.
[0060]
Subsequently, after raising the growth temperature to 1000 ° C., TMAl, TMGa, NH _Three And Cp ₂ By supplying Mg, a p-type cap layer 25 made of p-type AlGaN having a thickness of about 2 nm is grown on the MQW active layer 24. Thereafter, the supply of TMAl is stopped, and a p-type light guide layer 26 made of p-type GaN having a thickness of about 10 nm is grown on the p-type cap layer 25. Thereafter, the supply of TMAl is restarted, and a p-type cladding layer 27 made of p-type AlGaN having a thickness of about 0.5 μm is grown on the p-type light guide layer 26. Subsequently, the supply of TMAl is stopped, and a p-type contact layer 28 made of p-type GaN having a thickness of about 0.2 μm is grown on the p-type cladding layer 27.
[0061]
Subsequently, after the p-type contact layer 28 is grown, the source gases TMGa, CP ₂ Mg and NH _Three The supply of N ₂ And H ₂ While the carrier gas consisting of is supplied as it is, it is cooled to room temperature, and then the epi-wafer 10 is taken out from the reaction chamber.
[0062]
The surface morphology of the epitaxial wafer 10 according to the first example formed in this way is, as shown in FIG. 1, the direction of the off angle of the main surface of the substrate 11, that is, <1-100> of the crystallographic axis. A striped pattern extending in a direction substantially parallel to the direction is shown.
[0063]
The half width of the X-ray rocking curve obtained from the epi-wafer 10 is about 80 seconds.
[0064]
Next, an example of a method for manufacturing the violet semiconductor laser device shown in FIG. 4 will be described with reference to the drawings.
[0065]
First, silicon oxide (SiO 2) is deposited on the entire surface of the p-type contact layer 28 by sputtering or CVD. ₂ After the mask forming film (not shown) is deposited, the mask forming film is patterned into a ridge stripe shape by lithography to form a dry etching mask film from the mask forming film. Subsequently, the p-type contact layer 28 and the p-type cladding layer 27 are etched by a reactive ion etching method to the extent that the p-type light guide layer 26 is exposed using the formed mask film, and the p-type contact layer 28 and The ridge stripe shape of the mask film is transferred to the p-type cladding layer 27.
[0066]
Next, after removing the mask film, a protective insulating film 29 made of silicon oxide is formed on the upper and side surfaces of the etched p-type contact layer 28 and p-type cladding layer 27 and the exposed p-type light guide layer 26. Then, an opening for exposing the p-type contact layer 28 is selectively formed in the protective insulating film 29 by lithography and dry etching.
[0067]
Next, a resist pattern having an opening in the exposed region of the p-type contact layer 28 is formed by lithography. Subsequently, after sequentially depositing nickel (Ni) and gold (Au) by an evaporation method or the like, a p-side electrode 30 made of a laminate of Ni and Au and in ohmic contact with the p-type contact layer 28 is formed by a lift-off method. Form.
[0068]
Next, the surface of the substrate 11 opposite to the element layer 12 (back surface) is polished until its thickness becomes about 100 μm. Thereafter, titanium (Ti) and aluminum (Al) are sequentially deposited on the back surface by a vapor deposition method or the like to form an n-side electrode 31 made of a laminate of Ti and Al and in ohmic contact with the substrate 11.
[0069]
Next, the epi-wafer 10 is cleaved at the M plane to form a bar-shaped semiconductor laminate including a plurality of resonators and exposing the end faces of the resonators. After that, the reflective end face (rear face) of the cleavage plane is coated with a highly reflective film made of a dielectric film having a reflectivity of about 80%, and the opposite end face (front face) has a reflectivity of about A low-reflection film made of 20% dielectric film is coated. Thereafter, the bar-shaped semiconductor laminate is divided into chips so as to include at least one resonator.
[0070]
The GaN-based violet semiconductor laser device fabricated in this way has an oscillation wavelength of 405 nm. When the output characteristics and current characteristics of the laser beam are evaluated, the threshold current is about 45 mA and the threshold voltage is about Good characteristics of 4.5V are obtained. As a result, since the operating current and operating voltage when the optical output is 30 mW can be reduced, the injected power is reduced, so that the reliability is improved and the life can be extended.
[0071]
The MQW active layer 24 is composed of a well layer composed of InGaN and a barrier layer composed of GaN. Instead, the MQW active layer 24 is composed of a well layer composed of GaN or AlGaN and a barrier layer composed of n-type AlGaN. Then, a laser beam having an oscillation wavelength in the ultraviolet region can be obtained.
[0072]
In the first embodiment, neither the well layer nor the active layer of the MQW active layer 24 is doped with an n-type impurity, but the n-type impurity is diffused by the diffusion from the n-type light guide layer 23 during growth. May show conductivity. However, at the time of growing the MQW active layer 24, at least one of the well layer and the active layer may be positively doped with impurities.
[0073]
(Second embodiment)
Hereinafter, a second embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
[0074]
The second example shows an example of a method for manufacturing a blue light-emitting diode element manufactured using the GaN-based compound semiconductor epiwafer according to the second embodiment.
[0075]
Also here, the MOVPE method in which the growth pressure is 300 Torr which is a reduced pressure state is used as the crystal growth method of the element layer.
[0076]
As in the first embodiment, a source gas made of trimethylaluminum (TMAl), trimethylgallium (TMGa) or trimethylindium (TMIn) is used as the group III source. In addition, group V sources include ammonia (NH _Three ) Use gas. Examples of n-type impurity materials include monosilane (SiH _Four For example, cyclopentadienyl magnesium (Cp) ₂ Mg) is used. Further, hydrogen gas and nitrogen gas are used as carrier gases for these source gases.
[0077]
As the substrate on which the element layer is grown, a substrate 11 made of gallium nitride (GaN) having a main surface inclined by about 5 ° in the <1-100> direction from the (0001) plane is used.
[0078]
First, after the substrate 11 is put into the reaction chamber of the MOVPE apparatus, the substrate 11 is heated to about 1050 ° C., which is the growth temperature of the element layer 12. Here, when the temperature of the substrate reaches about 400 ° C., NH is prevented so that the surface of the substrate 11 is not transformed by heat. _Three Start supplying gas. After the substrate temperature reaches about 1050 ° C. and a few minutes have passed, TMGa and SiH _Four Supply of gas is started, and an n-type semiconductor layer 41 made of n-type GaN having a thickness of about 3 μm is grown on the main surface of the substrate 11.
[0079]
Subsequently, an n-type superlattice cladding layer 42 made of n-type GaN / undoped InGaN is grown on the n-type semiconductor layer 41. Specifically, TMGa, NH _Three And SiH _Four To grow a barrier layer made of n-type GaN having a film thickness of about 2.5 nm, and TMGa, TMIn and NH _Three , A well layer made of undoped InGaN having a thickness of about 2.5 nm is grown, and these barrier layers and well layers are alternately stacked.
[0080]
Thereafter, the growth temperature is lowered to about 800 ° C., and then an MQW active layer 43 is grown on the n-type superlattice cladding layer 42. Specifically, TMGa, TMIn and NH _Three , A well layer made of InGaN having a thickness of about 3 nm is grown, and TMGa, NH _Three And SiH _Four , A barrier layer made of n-type GaN having a thickness of about 7.5 nm is grown, and these well layers and barrier layers are alternately stacked to obtain five pairs of MQW active layers 43.
[0081]
Subsequently, after raising the growth temperature to 1000 ° C., TMAl, TMGa, NH _Three And Cp ₂ By supplying Mg, a p-type cap layer 44 made of p-type AlGaN having a thickness of about 2 nm is grown on the MQW active layer 43.
[0082]
Subsequently, a p-type superlattice cladding layer 45 made of p-type AlGaN / undoped GaN is grown on the p-type cap layer 44. Specifically, TMGa, TMAl, NH _Three And Cp ₂ By supplying Mg, a barrier layer made of p-type AlGaN having a thickness of about 2.5 nm is grown, and TMGa and NH _Three , A well layer made of GaN having a thickness of about 2.5 nm is grown, and these barrier layers and well layers are alternately stacked.
[0083]
Next, TMGa, NH _Three And Cp ₂ By supplying Mg, a p-type contact layer 46 made of p-type GaN having a thickness of about 0.2 μm is grown on the p-type superlattice cladding layer 45.
[0084]
Next, although not shown, a p-side electrode is formed on the p-type contact layer, an n-side electrode is formed on the surface of the substrate 11 opposite to the element layer 12, and then the substrate 11 is formed as desired. Divide into chips of size.
[0085]
The surface morphology of the epitaxial wafer 10 according to the second embodiment formed in this way is substantially parallel to the off-angle direction of the main surface of the substrate 11, that is, the <1-100> direction, as shown in FIG. A striped pattern extending in various directions is shown.
[0086]
Moreover, the half-value width of the X-ray rocking curve obtained from the epi-wafer 10 is about 80 seconds, and it can be seen that good crystallinity is exhibited.
[0087]
The n-type superlattice cladding layer 42 is doped with impurities only in the GaN layer that is the barrier layer, and the p-type superlattice cladding layer 45 is also doped with impurities only in the AlGaN layer that is the barrier layer. What is necessary is just to dope at least one among well layers.
[0088]
In addition, the MQW active layer 43 is doped with impurities only in the GaN layer which is a barrier layer, but it may be doped in at least one of the barrier layer and the well layer, and both the barrier layer and the well layer may be undoped. Good.
[0089]
As described above, the superlattice layers 42 and 45 and the MQW active layer 43 are not substantially doped with impurities during crystal growth. However, impurities may be included in the undoped layer due to diffusion of impurities from the semiconductor layer adjacent to these undoped layers and doped with impurities during or after crystal growth. Therefore, in this specification, an undoped layer is not limited to a semiconductor layer that is not substantially doped with impurities during crystal growth, but a semiconductor layer that has impurities contained in an adjacent semiconductor layer as a result of diffusion. Also say.
[0090]
【The invention's effect】
According to the GaN-based compound semiconductor epiwafer of the present invention and a semiconductor device fabricated using the epiwafer, the width of the stripes is not reduced even when the off-angle of the substrate is increased to 1 ° or more. The surface morphology of the film becomes good, and an element layer having excellent crystallinity can be obtained.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a partially enlarged perspective view showing a GaN-based compound semiconductor epiwafer according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a partial cross-sectional view of a GaN-based compound semiconductor epiwafer according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a partial cross-sectional view of a GaN-based compound semiconductor epiwafer according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a perspective view showing a violet semiconductor laser device fabricated using a GaN-based compound semiconductor epiwafer according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a partially enlarged perspective view showing a conventional GaN-based compound semiconductor epi-wafer.
[Explanation of symbols]
10 Epi wafer
11 Substrate
12 element layers
21 n-type semiconductor layer
22 n-type cladding layer
23 n-type light guide layer
24 Multiple quantum well (MQW) active layer
25 p-type cap layer
26 p-type light guide layer
27 p-type cladding layer
28 p-type contact layer
29 Protective insulating film
30 p-side electrode
31 n-side electrode
41 n-type semiconductor layer
42 n-type superlattice cladding layer
43 Multiple quantum well (MQW) active layer
44 p-type cap layer
45 p-type superlattice cladding layer
46 p-type contact layer

Claims

六方晶系に属する第１の窒化物半導体からなる基板と、
前記基板の主面上に成長により形成され、半導体素子を形成するための六方晶系に属する第２の窒化物半導体からなる素子層とを有するＧａＮ系化合物半導体エピウェハを用いた半導体レーザ素子であって、
前記基板の主面の面方位は、（０００１）面から一の方向に、１°以上で且つ１０°以下の以下のオフ角を有し、
前記素子層は、前記一の方向に対してほぼ平行に延びる縞状の表面形態を有し、
共振方向（長手方向）が前記一の方向に対してほぼ平行である共振器を有している半導体レーザ素子。A substrate made of a first nitride semiconductor belonging to a hexagonal system;
A semiconductor laser device using a GaN-based compound semiconductor epi-wafer having a device layer made of a second nitride semiconductor belonging to a hexagonal system and formed by growth on the main surface of the substrate. hand,
The plane orientation of the principal surface of the substrate has an off angle of 1 ° or more and 10 ° or less in one direction from the (0001) plane,
The element layer have a stripe-like surface morphology extending substantially parallel to said one direction,
Semiconductors laser devices resonance direction (longitudinal direction) has a cavity which is substantially parallel to said one direction.

前記一の方向は、晶帯軸の＜１−１００＞方向である請求項１に記載の半導体レーザ素子。The one direction, the semiconductor laser device according to claim 1 <1-100> Ru direction Der the zone axis.