JP3705047B2 - Nitride semiconductor light emitting device - Google Patents

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明はＬＥＤ、ＬＤ（レーザダイオード）等の発光デバイス、またはフォトダイオード等の受光デバイスに利用される窒化物半導体（Ａｌ_XＩｎ_YＧａ_1-X-YＮ、０≦Ｘ、０≦Ｙ、Ｘ＋Ｙ≦１）よりなる素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
我々はＧａＮ基板の上に、活性層を含む窒化物半導体レーザ素子を作製して、世界で初めて室温での連続発振１万時間以上を達成したことを発表した（INCS'97 予稿集,October 27-31,1997,P444-446、及びJpn.J.Appl.Phys.Vol.36(1997)pp.L1568-L1571,Part2,No.12A,1 December 1997)。さらに、前記レーザ素子よりサファイア基板を除去してＧａＮ単独とすることにより、５ｍＷ出力でも１万時間以上の連続発振に成功したことを発表した(Jpn.J.Appl.Phys.Vol.37(1998)pp.L309-L312,及びAppl.Phys.Lett.Vol.72(1998)No.16,2014-2016)。
【０００３】
最近のレーザ素子の構造は、基本的に異種基板上、又はＧａＮ基板上に成長されたｎ型ＧａＮの上にＩｎＧａＮからなるクラック防止層、クラック防止層に接して形成されたＡｌＧａＮを含む超格子構造からなるｎ側クラッド層、ｎ側クラッド層上部に量子井戸構造からなる活性層とｐ側クラッド層を含むダブルへテロ構造を有する(詳細はJpn.J.Appl.Phys.Vol.37(1998)pp.L309-L312参照)。このレーザ素子は７０ｍＡ、閾値電流密度５ｋＡ／ｃｍ²において、４０８．５ｎｍのシングルモードで発振する。閾値における電圧は６Ｖである。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
従来までの活性層は、ＩｎＧａＮからなる井戸層を井戸層よりバンドギャップエネルギーの大きい障壁層で挟んだ量子井戸構造を用い、井戸層と障壁層を繰り返し積層した多重量子井戸構造が発光効率を高めるためには好ましく用いられている。また、これらのＩｎＧａＮからなる井戸層上に混晶比あるいは組成の違うＡｌＧａＩｎＮからなる障壁層を形成するには結晶性の問題から成長温度をそれぞれにあった温度で成長させなければならなく、この場合井戸層よりバンドギャップエネルギーの大きい障壁層の成長温度は井戸層の成長温度より高くしなければならない。
【０００５】
しかしながら井戸層を成長後、障壁層を成長させるために温度を昇温した際、井戸層のＩｎが井戸層の全面にわたって分解してしまい、鋭い発光ピークが得られないという問題があった。また、障壁層を井戸層と同一の温度で成長させても活性層上に続けて窒化物半導体を形成させる際に温度を昇温するため同様の問題があった。これらは多重量子井戸を用いた窒化物半導体発光素子においては無視することのできない大きな問題のひとつである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
そこで本発明はこのような問題を解決するためになされたものであり、本発明の第１の目的は、窒化物半導体レーザ素子の発光効率を良くすることを目的とし、量子井戸からなるインジウムを含む窒化物半導体からなる井戸層を有する活性層の井戸層と障壁層の間に障壁層よりバンドギャップエネルギーの大きい中間層を井戸層の上に形成する。このように中間層を形成した後、障壁層の成長温度まで昇温したとき、井戸層のＩｎの分解が部分的に起こり、闘値電圧を下げることが可能となった。また、本発明の第２の目的は、窒化物半導体発光素子の発光効率を良くすることを目的とし、量子井戸からなるインジウムを含む窒化物半導体からなる井戸層を有する活性層の井戸層と障壁層の間に障壁層よりバンドギャップエネルギーの大きいＡｌＧａＮからなる中間層を井戸層の上に形成する。このように中間層を形成した後、障壁層の成長温度まで昇温したとき、井戸層のＩｎの分解が部分的に起こり、駆動電圧や闘値電圧を下げることが可能となった。さらに中間層を形成後、障壁層の成長温度まで昇温したときの中間層の表面形態の違いによって、駆動電圧や闘値電圧を大幅に下げることが可能となった。
【０００７】
本願発明に係る窒化物半導体発光素子は、ｎ型窒化物半導体層とｐ型窒化物半導体層の間にインジウムを含む窒化物半導体からなる井戸層を有する多重量子井戸又は単一量子井戸構造の活性層を備えた窒化物半導体レーザ素子において、闘値電圧を下げる目的として、
前記障壁層よりバンドギャップエネルギーの大きい少なくとも１つの中間層が前記井戸層の上に成長されているものである。
【０００８】
すなわち、請求項１の窒化物半導体発光素子は、ｎ型窒化物半導体層とｐ型窒化物半導体層の間の前記ｎ型窒化物半導体層上にインジウムを含む窒化物半導体からなる井戸層と障壁層とを有する多重量子井戸構造の活性層を備えた窒化物半導体発光素子において、
前記活性層の前記井戸層と障壁層の間に、前記障壁層よりバンドギャップエネルギーが大きい少なくとも１つのＡｌ_ＺＧａ_１−ＺＮ（０≦Ｚ≦１）からなる中間層を有し、かつ該中間層が前記井戸層の上に成長されており、
前記中間層は前記障壁層よりも膜厚が薄いことを特徴とする。
【０００９】
請求項２の窒化物半導体発光素子は、請求項１に記載の窒化物半導体発光素子において、前記活性層において、すべての井戸層上にそれぞれ中間層が形成されていることを特徴とする。
【００１０】
請求項３記載の窒化物半導体発光素子は、請求項１または２に記載の窒化物半導体発光素子は、前記障壁層の膜厚は、１０オングストローム以上４００オングストローム以下である。
【００１１】
請求項４記載の窒化物半導体発光素子は、請求項１乃至３のうちのいずれか１つに記載の窒化物半導体発光素子において、前記中間層の膜厚は、一原子層以上１００オングストローム以下である。
【００１２】
請求項５記載の窒化物半導体発光素子は、請求項１乃至４のうちのいずれか１つに記載の窒化物半導体発光素子において、前記障壁層は、ＩｎＧａＮからなるものである。
【００１３】
請求項６記載の窒化物半導体発光素子は、請求項１乃至５のいずれか１つに記載の窒化物半導体発光素子において、前記中間層は、前記井戸層に接しているとしたものである。
【００１４】
請求項７記載の窒化物半導体発光素子は、Ａｌ_ｂＧａ_１−ｂＮ（０≦ｂ≦１）からなるｎ型クラッド層とＡｌ_ＣＧａ_１−ＣＮ（０≦Ｃ≦１）からなるｐ型クラッド層の間の前記ｎ型クラッド層上にインジウムを含む窒化物半導体からなる井戸層を有する活性層を備えた窒化物半導体発光素子において、
前記活性層は１つの井戸層と障壁層とを備えた単一量子井戸構造であって、前記井戸層と前記障壁層の間に該障壁層よりバンドギャップエネルギーの大きい少なくとも１つのＡｌ_ＺＧａ_１−ＺＮ（０≦Ｚ≦１）からなる中間層を有し、かつ該中間層が前記井戸層の上に成長されており、
前記中間層は前記障壁層よりも膜厚が薄いことを特徴とする。
【００１５】
請求項８の窒化物半導体発光素子は、請求項７に記載の窒化物半導体発光素子において前記障壁層の膜厚は、１０オングストローム以上４００オングストローム以下であるとしたものである。
【００１６】
請求項９記載の窒化物半導体発光素子は、請求項７または８に記載の窒化物半導体発光素子において、前記中間層の膜厚は、一原子層以上１００オングストローム以下であるとしたものである。
【００１７】
請求項１０の窒化物半導体発光素子は、請求項７乃至９のいずれか１つに記載の窒化物半導体発光素子において、前記障壁層は、ＩｎＧａＮからなるとしたものである。
【００１８】
請求項１１の窒化物半導体発光素子は、請求項７乃至１０のいずれかに記載の窒化物半導体発光素子において、前記中間層は、前記井戸層に接しているとしたものである。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の主要な要素である活性層の構成について図を用いて詳細に説明する。実施の形態１では窒化物半導体レーザ素子について、実施の形態２では窒化物半導体ＬＥＤ素子について説明する。また図１は単一量子井戸からなる活性層１０６（２０７）を、図２は多重量子井戸からなる活性層１０６（２０７）を示した図である。
【００２０】
（実施の形態１）
本発明に係る実施の形態１の発光素子は図４に示す構造を有する窒化物半導体レーザ素子であって、ｎ型光ガイド層１０５とｐ型光ガイド層１０８に挟まれたインジウムを含む窒化物半導体からなる井戸層を有する活性層１０６を備えている。本実施の形態１では、量子井戸からなる活性層１０６が井戸層１１、中間層１２、障壁層１３で形成され、中間層１２のバンドギャップエネルギーは図３に示すように障壁層１３のバンドギャップエネルギーより大きく設定されかつ、中間層１２はかならず井戸層１１を形成後、井戸層１１に接して形成されていることを特徴としている。なお、この中間層１２は活性層１０６のどの井戸層１１上にあっても良く、少なくとも井戸層１１と障壁層１３の間に中間層１２を有する構成を１つ含んでいればよい。しかしながら中間層１２は、活性層１０６のすべての井戸層１１上に形成されていることが最も望ましく、このようにするとさらに闘値電圧を下げることができる。
【００２１】
このように本実施の形態１の窒化物半導体レーザ素子において、中間層１２は障壁層１３のバンドギャップエネルギーより大きく、即ち活性層１０６中では最もバンドギャップが大きくなるように構成することにより、闘値電圧を大幅に下げることができる。もし中間層１２のバンドギャップエネルギーが障壁層１３より小さく井戸層１１より大きいと、井戸層１１と障壁層１３との間の井戸型ポテンシャルが成り立たなくなり、本発明のように閾値電圧を大幅に下げることは不可能である。
【００２２】
また、中間層１２の膜厚は障壁層１３の膜厚より薄く、一原子層以上１００オングストローム以下とすることが好ましい。１００オングストロームより厚くなってしまうと、中間層１２と井戸層１１との間でミニバンドが形成されてしまい発光効率が悪くなってしまう。また、この中間層はできるだけ薄いことが望ましい。
【００２３】
また、障壁層１３の膜厚は１０オングストローム以上４００オングストローム以下とすることができ、また井戸層１１の膜厚は１０オングストローム以上７０オングストローム以下とする。
【００２４】
また、活性層１０６の成長温度は障壁層１３の成長温度（以下、第１の温度という。）については７５０℃以上１１００℃以下、井戸層１１の成長温度（以下、第２の温度という。）については第１の温度より低く、７５０℃以上８８０℃以下。中間層１２の成長温度（以下、第３の温度という。）については井戸層１１と同温度の第２の温度か、それ以上で第１の温度よりは低い、７５０℃以上８８０℃以下とする。しかし、中間層１２についてはあまり成長温度が高くなると、井戸層の全面にわたってＩｎが分解してしまうので、本発明の課題の解決に反してしまう。従って中間層１２の成長温度は、最も好ましくは井戸層１１の成長温度と同温度とする。また、これらの温度は窒化物半導体素子を作成の際、発光させる波長によって井戸層１１のＩｎの混晶比は変わってくるので、そのＩｎの混晶比に対応させて最適な温度を決める必要がある。
【００２５】
活性層１０６は本実施の形態のようにＳｉなどのｎ型不純物及び／又はＭｇなどのｐ型不純物をドープしてもよいし、またアンドープでも良い。不純物は井戸層、障壁層両方にドープしても良く、井戸層のみにドープしてもよい。また中間層にドープしても良い。なお障壁層にのみｎ型不純物をドープすると閾値をより低下させることができ好ましい。
【００２６】
また、本発明で用いている窒化物半導体であるＩｎ_YＧａ_1-YＮ（０≦Ｙ≦１）のＩｎの混晶比ＹはバンドギャップエネルギーＥｇとの関係式、Ｅｇ＝３．４＊（１−Ｙ）＋１．９５＊Ｙ−Ａ＊Ｙ＊（１−Ｙ）において、Ａ＝１としたときに概算された値であり、またＡｌ_XＧａ_1-XＮ（０≦Ｘ≦１）のＡｌの混晶比ＸはバンドギャップエネルギーＥｇとの関係式、Ｅｇ＝３．４＊（１−Ｘ）＋６．２＊Ｘ−Ａ＊Ｘ＊（１−Ｘ）において、Ａ＝１としたときに概算された値である。上記２つの関係式の第１項と第２項の係数はそれぞれ、３．４はＧａＮのバンドギャップエネルギー（ｅＶ）を、１．９５はＩｎＮのバンドギャップエネルギー（ｅＶ）を、６．２はＡｌＮのバンドギャップエネルギー（ｅＶ）を示している。
【００２７】
なお、これらの活性層の特徴は図１のような単一量子井戸の場合であっても同様であることはいうまでもない。
【００２８】
次に、実施の形態１として活性層１０６以外の窒化物半導体層などの他の構成について説明する。いうまでもないが、本発明は以下の構成に限られるものではない。
基板１０１としてはサファイアなどの異種基板、または公知の方法によって得られたＧａＮ基板を用いることができる。また基板１０１上には、ＧａＮよりなるバッファ層１０２を形成することが好ましく、これによって後に基板上に形成する窒化物半導体の結晶性を良好にすることができる。このバッファ層１０２は異種基板上に窒化物半導体を形成するときに特に有効である。なお、異種基板とは窒化物半導体とは異なる材料からなる基板のことをいう。
【００２９】
ｎ型コンタクト層１０３はｎ側電極を形成するための層であって、Ｓｉなどのｎ型不純物をドープすることで、オーミック性が良好となるようにする。この層は、ｐ側層を形成した後にｐ側層からエッチングしてｎ型コンタクト層の一部を露出させて、露出させたｎ型コンタクト層１０３上にｎ側電極を形成する。
【００３０】
ｎ型コンタクト層１０３上に形成するクラック防止層はアンドープとすることで基板側からのクラックを低減させるために形成されている。またこのクラック防止層は、ＩｎＧａＮなどで形成し、上部ｎ型クラッド層との屈折率差を設けることで、発光層から発せられた光が異種基板に当たって反射して再び窒化物半導体層に戻ってくるのを防ぐ層として機能させることができる。またこの層は省略してもよい。
【００３１】
ｎ型クラッド層１０４は発光層への電子の供給層であると共にキャリアおよび光を活性層に閉じこめる層としてはたらき、Ｓｉなどのｎ型不純物をドープした単層、また例えばアンドープ層とｎ型不純物ドープ層とを交互に積層した超格子構造とすることができる。
【００３２】
ｎ型光ガイド層１０５は、多重量子井戸構造などの膜厚が薄くなった活性層１０６の膜厚を補うことで、活性層１０６とともに光導波路を構成するものである。従って、上部活性層１０６と屈折率差があまりなく、ｎ型クラッド層１０４との屈折率差を十分に設けるような組成とする。またこの層は、ｎ型不純物をドープしてもよく、アンドープでもよく、ｎ型不純物がドープされた層とアンドープの層との超格子としてもよい。
【００３３】
活性層１０６上にあるｐ側キャップ層１０７はＭｇなどのｐ型不純物を高ドープとすることで活性層１０６に供給されるｎ側からの電子に対して不足しがちな正孔を補うことができる。またｐ型光ガイド層１０８、ｐ型クラッド層１０９よりもｐ型不純物濃度を高くすることで、ｐ側キャップ層１０７上に形成されるｐ側層にｐ型不純物が拡散するようになり好ましい。さらにこの層は活性層１０６のＩｎの分解を抑える効果もあり、その機能を主として発揮させる場合はアンドープでもよい。また、このｐ側キャップ層１０７は省略することもできる。
【００３４】
ｐ型光ガイド層１０８はＭｇなどのｐ型不純物が含まれた層であるが、意図的にｐ型不純物をドープして形成するのはものはもちろんのこと、ｐ側キャップ層１０７をｐ型不純物をドープして形成した場合はｐ型不純物がｐ側キャップ層１０７から拡散されるので、アンドープで形成してもよい。このｐ型光ガイド層１０８はｎ型光ガイド層１０５と同様に、光導波路を設けるための層で、下部活性層１０６と屈折率差があまりなく、ｐ型クラッド層１０９との屈折率差を十分に設けるような組成とする。
【００３５】
ｐ型クラッド層１０９は発光層への正孔の供給層としてはたらき、例えばＭｇなどのｐ型不純物をドープした単層、また例えばアンドープ層とｐ型不純物ドープ層とを交互に積層した超格子構造を用いて構成することができる。
【００３６】
ｐ型コンタクト層１１０はｐ側電極を形成する層であり、Ｍｇなどのｐ型不純物を比較的多くドープすることで、ｐ側電極とのオーミック性が良好となるようにする。
【００３７】
さらに窒化物半導体レーザ素子においては、ｐ側クラッド層１０９とｐ側光ガイド層１０８との界面付近までエッチングを行い、幅１．５μｍのストライプ状の導波路を形成する。このように、活性層１０６よりも上部にある層をストライプ状のリッジ形状とすることにより、活性層１０６の発光がストライプリッジの下に集中するようになって閾値を低下させることができる。特にｐ側クラッド層以上の層をリッジ形状とすることが望ましい。
【００３８】
ｐ側電極はｐ型コンタクト層１１０のリッジ最表面にｐ側オーミック電極１２０、さらにその上にｐ側パッド電極１２１があり、ｐ型コンタクト層１１０と好ましいオーミックが得られるｐ側オーミック電極１２０の材料としては、例えばＮｉ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｎｉ／Ａｕ、Ｎｉ／Ｔｉ／Ａｕ、Ｐｔ／Ａｕ、Ｐｄ／Ａｕ等を挙げることができる。またｐ側パッド電極１２１は実質的なｐ側オーミック電極１２０の表面積を広げて、ｐ電極側をワイヤーボンディング、ダイボンディングできるようにするためのものでＡｕなどが挙げられる。
【００３９】
ｎ側電極はｎ型コンタクト層１０３上にｎ側オーミック電極１２２、さらにその上にｎ側パッド電極１２３があり、ｎ型コンタクト層１０３と好ましいオーミックが得られるｎ側オーミック電極１２２の材料としてはＡｌ、Ｔｉ、Ｗ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｓｎ、Ｉｎ等の金属もしくは合金が挙げられる。またｎ側パッド電極１２３はｎ側オーミック電極１２２の剥がれを防止する作用がありＡｕなどが挙げられる。
【００４０】
（実施の形態２）
本発明に係る実施の形態２の発光素子は、図５に示すように、ｎ型クラッド層であるｎ型第２多層膜層２０６とｐ型クラッド層であるｐ型多層膜層２０８に挟まれたインジウムを含む窒化物半導体からなる井戸層を有する活性層２０７を備えた窒化物半導体ＬＥＤ素子である。実施の形態２の活性層２０７は、実施の形態１で記されている活性層１０６と同様の形態であるか、さらに中間層１２を以下のような組成としている。
【００４１】
すなわち中間層１２の組成はＡｌ_ZＧａ_1-ZＮ（０≦Ｚ≦１）とし、好ましくはＡｌ_ZＧａ_1-ZＮ（０．３０≦Ｚ≦１）とする。本実施の形態２の素子は中間層１２におけるＡｌの混晶比を０．３０以上とすることで、この中間層を設ける効果がさらに顕著に現れること、およびその効果は中間層１２を成長後、障壁層１３の成長温度まで温度を上昇させたときの中間層１２の表面形態と大きな関連があることを見いだし、ＬＥＤ素子に適用したものである。図６〜図９は中間層１２を８２０℃で形成後、温度を１０５０℃まで昇温した際の中間層１２の表面形態をＡＦＭ（原子間力顕微鏡）で観察したものである。図６はＡｌの混晶比Ｚ＝０．１５、図７はＺ＝０．３０、図８はＺ＝０．４５、図９はＺ＝０．６０であり、図を見てもわかるようにＡｌの混晶比がＺ≧０．３０になると、中間層１２の表面が陥没または貫通した複数の領域を有する網目構造となる。これは中間層１２であるＡｌＧａＮを低温で形成しているため、このＡｌＧａＮの結晶性および膜厚が不均一であり、中間層１２を成長後、障壁層１３の成長温度まで温度を上昇させたとき、ＡｌＧａＮの結晶性の悪いところおよび／または膜厚の薄いところで井戸層１１の一部のＩｎが分解してしまい、中間層１２の表面が陥没または貫通し、井戸層１１の表面の一部などが露出したものと考えられる。さらにこの陥没または貫通した領域は中間層１２の表面積の１割以上となるＡｌ混晶比Ｚが０．３０以上の時、駆動電圧が大きく低下することがわかった。この結果を図１０に本発明の窒化物半導体ＬＥＤ素子におけるＡｌ混晶比に対する駆動電圧の変化をして示す。
【００４２】
なお、本発明の実施の形態２における活性層の各層の好ましい膜厚等は実施の形態１と同様である。
【００４３】
また、これらの活性層の特徴は図１のような単一量子井戸の場合であっても同様であることは言うまでもない。
【００４４】
すなわち量子井戸からなる活性層２０７が井戸層１１、中間層１２、障壁層１３で形成され、中間層１２のバンドギャップエネルギーは図３に示すように障壁層１３のバンドギャップエネルギーより大きく設定されかつ、中間層１２はかならず井戸層１１を形成後、井戸層１１に接して形成されていることを特徴としている。なお、この中間層１２は活性層２０７のどの井戸層１１上にあっても良く、少なくとも井戸層１１と障壁層１３の間に中間層１２を有する構成を１つ含んでいればよい。しかしながら中間層１２は、活性層２０７のすべての井戸層１１上に形成されていることが最も望ましく、このようにするとさらに闘値電圧を下げることができる。
【００４５】
また、中間層１２の膜厚は障壁層１３の膜厚より薄く、一原子層以上１００オングストローム以下とすることが好ましい。１００オングストロームより厚くなってしまうと、中間層１２と井戸層１１との間でミニバンドが形成されてしまい発光効率が悪くなってしまう。また、この中間層はできるだけ薄いことが望ましい。
【００４６】
また、障壁層１３の膜厚は１０オングストローム以上４００オングストローム以下とすることができ、また井戸層１１の膜厚は１０オングストローム以上７０オングストローム以下とする。
【００４７】
次に、実施の形態２として活性層２０７以外の窒化物半導体層などの他の構成について説明する。いうまでもないが、本発明は以下の構成に限られるものではない。
基板２０１としてはサファイアなどの異種基板、または公知の方法によって得られたＧａＮ基板を用いることができる。また、基板２０１上にはＧａＮよりなるバッファ層２０２を形成することが好ましく、これによって後に基板上に形成する窒化物半導体の結晶性を良好にすることができる。このバッファ層２０２は異種基板上に窒化物半導体を形成するときに特に有効であり、基板の種類、成長方法等によっては省略もできる。また、このバッファ層はＡｌの割合の小さいＡｌＧａＮを用いることもできる。
【００４８】
第１のアンドープＧａＮ層２０３はバッファ層２０２よりも高温でアンドープのＧａＮを形成したものであり、この層を設けることでバッファ層２０２と同じく窒化物半導体の結晶性を良好にすることができる。
【００４９】
ｎ型コンタクト層２０４はｎ側電極を形成するための層であって、Ｓｉなどのｎ型不純物をドープすることでオーミック性を良好となるようにする。この層は、後にｐ側層からエッチングしてｎ型コンタクト層２０４の一部を露出させて、露出させたｎ型コンタクト層２０４上にｎ側電極を形成する。
【００５０】
ｎ型第１多層膜層２０５は静電耐圧を低下させる目的で、ｎ型第２多層膜層２０６はアンドープの超格子構造とすることで発光出力を良好にする目的で形成され、ｎ型第２の多層膜層２０６のみ、またはｎ型第２の多層膜層２０６およびｎ型第１の多層膜層２０５とで、公知のｎ型クラッド層を構成するものである。
【００５１】
ｐ型多層膜層２０８は例えばＭｇなどのｐ型不純物をドープした超格子構造とすることで公知のｐ型クラッド層のはたらきをする。
【００５２】
ｐ型コンタクト層２０９はｐ側電極を形成する層であり、例えばＭｇなどのｐ型不純物を比較的多くドープすることで、ｐ側電極とのオーミック性が良好となるようにする。
【００５３】
また、ｐ側電極、ｎ側電極に関しては第１の実施に記されている構成と同じである。
また、実施の形態２は窒化物半導体ＬＥＤ素子を例に説明したものであるが、ＬＥＤ素子に限られず、窒化物半導体レーザ素子でもよい。
【００５４】
【実施例】
図４は本発明の一実施例の係るレーザ素子の構造を示す模式的な断面図である。以下、この図を元に実施例１について説明する。なお本発明の発光素子は図４の構造に限定されるものではない。
［実施例１］
（バッファ層１０２）
２インチφ、Ｃ面を主面とするサファイア上に公知の方法によって得られたＧａＮ基板１０１をＭＯＶＰＥ反応容器内にセットし、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）、アンモニア（ＮＨ₃）を用い、ＧａＮよりなる第１のバッファ層を２００オングストロームの膜厚で成長させる。第１のバッファ層成長後、昇温して同じくＧａＮよりなる第２のバッファ層を１．５μｍの膜厚で成長させる。
【００５５】
（ｎ側コンタクト層１０３）
次にアンモニアとＴＭＧ、不純物ガスとしてシランガスを用い、Ｓｉを１×１０¹⁸／ｃｍ³ドープしたＧａＮよりなるｎ側コンタクト層１０３を４μｍの膜厚で成長させる。
【００５６】
（クラック防止層）
次に、ＴＭＧ、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を０．１５μｍの膜厚で成長させる。
【００５７】
（ｎ側クラッド層１０４）
続いて、ＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）、ＴＭＧ、アンモニアを用い、１０５０℃でアンドープＡｌ_0.16Ｇａ_0.84Ｎよりなる層を２５オングストロームの膜厚で成長させ、続いてＴＭＡを止めて、シランガスを流し、Ｓｉを１×１０¹⁹／ｃｍ³ドープしたｎ型ＧａＮよりなる層を２５オングストロームの膜厚で成長させる。それらの層を交互積層して超格子層を構成し、総膜厚１．２μｍの超格子よりなるｎ側クラッド層１０４を成長させる。
【００５８】
（ｎ側光ガイド層１０５）
次に、原料ガスにＴＭＧ及びアンモニアを用い、同様の温度で、アンドープのＧａＮよりなるｎ型光ガイド層１０５を７５０オングストロームの膜厚で成長させる。
【００５９】
（活性層１０６）
次に、温度を８８０℃にして、原料ガスにＴＭＩ、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Ｉｎ_0.01Ｇａ_0.99Ｎよりなる障壁層１３を１００オングストロームの膜厚で成長させる。続いて、温度を８２０℃に下げ、シランガスを止め、アンドープのＩｎ_0.3Ｇａ_0.7Ｎよりなる井戸層１１を５０オングストロームの膜厚で成長させる。さらに、同温度でＴＭＡを用い、Ａｌ_0.3Ｇａ_0.7Ｎよりなる中間層１２を１０オングストロームの膜厚で成長させる。この障壁層１３、井戸層１１、中間層１２の３層構造をさらに２回繰り返して積層し、最後に障壁層１３を形成して、総膜厚５８０オングストロームの多重量子井戸（ＭＱＷ）からなる活性層１０６を成長させる。
【００６０】
（ｐ側キャップ層１０７）
次にＴＭＩを止め、Ｃｐ₂Ｍｇを流し、Ｍｇを１×１０²⁰／ｃｍ³ドープしたｐ型ＧａＮよりなるｐ側キャップ層１０７を１００オングストロームの膜厚で成長させる。
【００６１】
（ｐ側光ガイド層１０８）
続いてＣｐ₂Ｍｇ、ＴＭＡを止め、１０５０℃で、アンドープＧａＮよりなるｐ側光ガイド層１０８を０．１μｍの膜厚で成長させる。このｐ型光ガイド層１０８は、アンドープとして成長させるが、ｐ側キャップ層１０７からのＭｇの拡散により、Ｍｇ濃度が５×１０¹⁶／ｃｍ³となりｐ型を示す。
【００６２】
（ｐ側クラッド層１０９）
続いてＣｐ２Ｍｇを止め、ＴＭＡを流し、１０５０℃でアンドープＡｌ_0.2Ｇａ_0.8Ｎよりなる層を２５オングストロームの膜厚で成長させ、続いてＴＭＡを止め、Ｃｐ₂Ｍｇを流し、Ｍｇ濃度が１×１０¹⁹／ｃｍ³からなるアンドープＧａＮよりなる層を２５オングストロームの膜厚で成長させ、総膜厚０．６μｍの超格子層よりなるｐ側クラッド層１０９を成長させる。
【００６３】
（ｐ側コンタクト層１１０）
最後に、ｐ側クラッド層１０９の上に、Ｍｇを１×１０²⁰／ｃｍ³ドープしたｐ型ＧａＮよりなるｐ側コンタクト層１１０を１５０オングストロームの膜厚で成長させる。
【００６４】
以上のようにして窒化物半導体を成長させたウエハーを反応容器から取り出し、最上層のｐ側コンタクト層１１０の表面に、所定の形状のマスクを介して、幅１．５μｍのストライプからなるＳｉＯ₂よりなる保護膜を作製する。保護膜形成後、ＲＩＥ（反応性イオンエッチング）を用い、図４に示すように、ｐ側クラッド層１０９とｐ側光ガイド層１０８との界面付近までエッチングを行い、幅１．５μｍのストライプ状の導波路を形成する。
【００６５】
ストライプ導波路形成後、ＳｉＯ₂マスクをつけたまま、窒化物半導体層の表面にＺｒＯ₂よりなる絶縁膜を形成する。絶縁膜形成後、バッファードフッ酸に浸潰して、ｐ側コンタクト層１１０上に形成したＳｉＯ₂を溶解除去し、リフトオフ法によりＳｉＯ₂と共に、ｐ側コンタクト１１０層上にあるＺｒＯ₂を除去する。
【００６６】
次にリッジ表面にＳｉＯ₂マスクを形成し、ＲＩＥにてエッチングを行い、ｎ側コンタクト層１０３の表面を露出させる。
【００６７】
次にｐ側コンタクト層１１０のリッジ最表面にＮｉとＡｕよりなるｐ側オーミック電極１２０をストライプ状に形成する。
【００６８】
一方、ＴｉとＡｌよりなるｎ側オーミック電極１２２を先ほど露出させたｎ側コンタクト層１０３の表面にストライプ状に形成する。
【００６９】
次に図４に示すようにｐ側オーミック電極１２０と、ｎ側オーミック電極１２２との間に露出した窒化物半導体層の表面にＳｉＯ₂よりなる絶縁膜１３０を形成し、この絶縁膜１３０を介してｐ側オーミック電極１２０と電気的に接続したｐ側パッド電極１２１、およびｎ側オーミック電極１２２と電気的に接続したｎ側パッド電極１２３を形成する。
【００７０】
以上のようにして、ｐ、ｎ両パッド電極形成後、サファイア基板のＡ面に沿った、窒化物半導体のＭ面（窒化物半導体を六角柱で表した場合にその六角柱の側面に相当する面）でＧａＮを劈開してウエハーをバー状とし、そのバーの劈開面に共振面を作製する。共振面作製後、さらに共振面に垂直な方向でバー状のウエハーを切断してレーザチップとした。
【００７１】
次にそれぞれの電極をワイヤーボンディングして、室温でレーザ発振を試みたところ、Ｉｎの分解を押さえることができ、鋭い発光ピークが得られ、室温において閾値電流密度２．０ｋＡ／ｃｍ²、発振波長４５０ｎｍの連続発振が確認され、１０００時間以上の寿命を示した。また闘値電圧も４．０Ｖと大きく下げることができた。
【００７２】
［比較例１］
実施例１と比較するために活性層を以下のようにしてレーザ素子を作製した。
（活性層）
温度を８８０℃にして、原料ガスにＴＭＩ、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Ｉｎ_0.01Ｇａ_0.99Ｎよりなる障壁層を１００オングストロームの膜厚で成長させる。続いて、温度を８２０℃に下げ、シランガスを止め、アンドープのＩｎ_0.3Ｇａ_0.7Ｎよりなる井戸層を５０オングストロームの膜厚で成長させる。この障壁層、井戸層をさらに２回繰り返して積層し、最後に障壁層を形成して、総膜厚５５０オングストロームの多重量子井戸（ＭＱＷ）からなる活性層を成長させる。
以上のようにした他は実施例１と同様に作製したところ発光ピークはブロードしており、闘値電圧は４．６Ｖであった。
【００７３】
［実施例２］
実施例１において、活性層１０６を以下のようにした。
（活性層１０６）
温度を８８０℃にして、原料ガスに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ＧａＮよりなる障壁層１３を１００オングストロームの膜厚で成長させる。続いて、温度を８２０℃に下げ、アンドープのＩｎ_0.4Ｇａ_0.6Ｎよりなる井戸層１１を５０オングストロームの膜厚で成長させる。さらに、同温度でＴＭＡを用い、Ａｌ_0.3Ｇａ_0.7Ｎよりなる中間層１２を１０オングストロームの膜厚で成長させる。この障壁層１３、井戸層１１、中間層１２の３層構造をさらに２回繰り返して積層し、最後に障壁層１３を形成して、総膜厚５８０オングストロームの多重量子井戸（ＭＱＷ）からなる活性層１０６を成長させる。
以上のようにした他は実施例１と同様にしてレーザ素子を作製したところ、発光ピークも鋭く、室温において闘値電流密度２．０ｋＡ／ｃｍ²、閾値電圧４．０Ｖで、発振波長４８０ｎｍの連続発振が確認され、１０００時間以上の寿命を示した。
【００７４】
［実施例３］
実施例１において、活性層１０６を以下のようにした。
（活性層１０６）
温度を８８０℃にして、原料ガスにＴＭＩ、ＴＭＧ及びアンモニアを用い、アンドープのＩｎ_0.28Ｇａ_0.72Ｎよりなる障壁層１３を１００オングストロームの膜厚で成長させる。続いて、温度を８２０℃に下げ、アンドープのＩｎ_0.50Ｇａ_0.50Ｎよりなる井戸層１１を５０オングストロームの膜厚で成長させる。さらに、同温度でＴＭＡを用い、Ａｌ_0.3Ｇａ_0.7Ｎよりなる中間層１２を１０オングストロームの膜厚で成長させる。この障壁層１３、井戸層１１、中間層１２の３層構造をさらに２回繰り返して積層し、最後に障壁層１３を形成して、総膜厚５８０オングストロームの多重量子井戸（ＭＱＷ）からなる活性層１０６を成長させる。
以上のようにした他は実施例１と同様にしてレーザ素子を作製したところ、発光ピークも鋭く、室温において闘値電流密度２．０ｋＡ／ｃｍ²、閾値電圧４．０Ｖで、発振波長５１０ｎｍの連続発振が確認され、５００時間以上の寿命を示した。
【００７５】
［実施例４］
実施例１において、活性層１０６を以下のようにした。
（活性層１０６）
温度を８２０℃にして、原料ガスにＴＭＩ、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Ｉｎ_0.01Ｇａ_0.99Ｎよりなる障壁層１３を１００オングストロームの膜厚で成長させる。続いて、同温度でシランガスを止め、アンドープのＩｎ_0.3Ｇａ_0.7Ｎよりなる井戸層１１を５０オングストロームの膜厚で成長させる。さらに、同温度でＴＭＡを用い、Ａｌ_0.3Ｇａ_0.7Ｎよりなる中間層１２を１０オングストロームの膜厚で成長させる。この障壁層１３、井戸層１１、中間層１２の３層構造をさらに２回繰り返して積層し、最後に障壁層１３を形成して、総膜厚５８０オングストロームの多重量子井戸（ＭＱＷ）からなる活性層１０６を成長させる。
以上のように障壁層１３の成長温度を井戸層１１と同じにした他は実施例１と同様にしてレーザ素子を作製したところ、発光ピークも鋭く、室温において閾値電流密度２．０ｋＡ／ｃｍ²、閾値電圧４．２Ｖで、発振波長４５０ｎｍの連続発振が確認され、１０００時間以上の寿命を示した。
【００７６】
［実施例５］
実施例１において、活性層１０６を以下のようにした。
（活性層１０６）
温度を８８０℃にして、原料ガスにＴＭＩ、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Ｉｎ_0.01Ｇａ_0.99Ｎよりなる障壁層１３を１００オングストロームの膜厚で成長させる。続いて、温度を８２０℃に下げ、シランガスを止め、アンドープのＩｎ_0.3Ｇａ_0.7Ｎよりなる井戸層１１を５０オングストロームの膜厚で成長させる。さらに、同温度でＴＭＡを用い、Ａｌ_0.45Ｇａ_0.55Ｎよりなる中間層１２を１０オングストロームの膜厚で成長させる。この障壁層１３、井戸層１１、中間層１２の３層構造をさらに２回繰り返して積層し、最後に障壁層１３を形成して、総膜厚５８０オングストロームの多重量子井戸（ＭＱＷ）からなる活性層１０６を成長させる。
以上のように中間層１２のＡｌの混晶比を０．４５とした他は実施例１と同様にしてレーザ素子を作製したところ、実施例１とほぼ同等の特性を得ることができた。
【００７７】
［実施例６］
実施例１において、活性層１０６の中間層１２をＡｌ_0.15Ｇａ_0.85Ｎとした他は同様にしてレーザ素子を作製したところ、鋭い発光ピークが得られ、Ｉｎの分解を押さえることができたが、闘値電圧は４．４Ｖと大きく下げることはできなかったが、中間層を形成しないときと比べて低下がみられた。
【００７８】
［実施例７］
実施例１において、活性層１０６を以下のようにした。
（活性層１０６）
温度を８８０℃にして、原料ガスにＴＭＩ、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Ｉｎ_0.02Ｇａ_0.98Ｎよりなる障壁層１３を６０オングストロームの膜厚で成長させる。続いて、温度を８２０℃に下げ、シランガスを止め、アンドープのＩｎ_0.4Ｇａ_0.6Ｎよりなる井戸層１１を３０オングストロームの膜厚で成長させる。さらに、同温度でＴＭＡを用い、ＧａＮよりなる中間層１２を１０オングストロームの膜厚で成長させる。この障壁層１３、井戸層１１、中間層１２の３層構造をさらに５回繰り返して積層し、最後に障壁層１３を形成して、総膜厚６６０オングストロームの多重量子井戸（ＭＱＷ）からなる活性層１０６を成長させる。
以上のようにした他は実施例１と同様にしてレーザ素子を作製したところ、発光ピークも鋭く、室温において闘値電流密度２．０ｋＡ／ｃｍ²、閾値電圧４．２Ｖで、発振波長４８０ｎｍの連続発振が確認され、５００時間以上の寿命を示した。
【００７９】
［実施例８］
図５は本発明の一実施例に係る窒化物半導体ＬＥＤ素子の構造を示す模式的な断面図である。以下、この図を元に実施例８について説明する。なお本発明の発光素子は図５の構造に限定されるものではない。
（バッファ層２０２）
２インチφ、Ｃ面を主面とするサファイア上に公知の方法によって得られたＧａＮ基板２０１（サファイア基板でもよい）をＭＯＶＰＥの反応容器内にセットし、ＴＭＧとアンモニアを用い、ＧａＮ基板２０１上にＧａＮよりなるバッファ層２０２を約２００オングストロームの膜厚で成長させる。
【００８０】
（第１のアンドープＧａＮ層２０３）
バッファ層２０２成長後、ＴＭＧのみ止めて、温度を１０５０℃まで上昇させる。１０５０℃になったら、同じく原料ガスにＴＭＧ、アンモニアガスを用い、第１のアンドープＧａＮ層２０３を１μｍの膜厚で成長させる。
【００８１】
（ｎ型コンタクト層２０４）
続いて１０５０℃で、同じく原料ガスにＴＭＧ、アンモニアガス、不純物ガスにシランガスを用い、Ｓｉを３×１０¹⁹／ｃｍ³ドープしたＧａＮよりなるｎ型コンタクト層２０４を４μｍの膜厚で成長させる。
【００８２】
（ｎ型第１多層膜層２０５）
次にシランガスのみを止め、１０５０℃で、ＴＭＧ、アンモニアガスを用い、アンドープＧａＮからなる下層を３０００オングストロームの膜厚で成長させ、続いて同温度にてシランガスを追加しＳｉを４．５×１０¹⁸／ｃｍ³ドープしたＧａＮからなる中層を３００オングストロームの膜厚で成長させ、更に続いてシランガスのみを止め、同温度にてアンドープＧａＮからなる上層を５０オングストロームの膜厚で成長させ、３層からなる総膜厚３３５０オングストロームのｎ型第１多層膜層２０５を成長させる。
【００８３】
（ｎ型第２多層膜層２０６）
次に、同様の温度で、アンドープＧａＮよりなる第２の窒化物半導体層を４０オングストローム成長させ、次に温度を８００℃にして、ＴＭＧ、ＴＭＩ、アンモニアを用い、アンドープＩｎ_0.13Ｇａ_0.87Ｎよりなる第１の窒化物半導体層を２０オングストローム成長させる。そしてこれらの操作を繰り返し、第２＋第１の順で交互に１０層づつ積層させ、最後にＧａＮよりなる第２の窒化物半導体層を４０オングストローム成長さた超格子構造の多層膜よりなるｎ型第２多層膜層２０６を６４０オングストロームの膜厚で成長させる。
【００８４】
（活性層２０７）
ＴＭＧ、ＴＭＩ、アンモニア、シランガスを用い、１０５０℃でＳｉを５×１０¹⁷／ｃｍ³ドープしたＩｎ_0.1Ｇａ_0.9Ｎよりなる障壁層１３を２００オングストロームの膜厚で成長させ、続いて温度を８２０℃にして、ＴＭＧ、ＴＭＩ、アンモニアを用い、Ｉｎ_0.3Ｇａ_0.7Ｎよりなる井戸層１１を３０オングストロームの膜厚で成長させる。さらにＴＭＧ、ＴＭＡ、アンモニアを用い、アンドープのＡｌ_0.3Ｇａ_0.7Ｎよりなる中間層１２を１０オングストロームの膜厚で成長させる。この障壁層１３、井戸層１１、中間層１２の３層構造をさらに４回繰り返して積層し、最後に障壁層１３を形成して、総膜厚１４００オングストロームの多重量子井戸（ＭＱＷ）からなる活性層２０７を成長させる。
【００８５】
（ｐ型多層膜層２０８）
次に、温度１０５０℃でＴＭＧ、ＴＭＡ、アンモニア、Ｃｐ₂Ｍｇ（シクロペンタジエニルマグネシウム）を用い、Ｍｇを５×１０¹⁹／ｃｍ³ドープしたｐ型Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8Ｎよりなる第３の窒化物半導体層を４０オングストロームの膜厚で成長させ、続いて温度を８００℃にして、ＴＭＧ、ＴＭＩ、アンモニア、Ｃｐ₂Ｍｇを用いＭｇを５×１０¹⁹／ｃｍ³ドープしたＩｎ_0.02Ｇａ_0.98Ｎよりなる第４の窒化物半導体層を２５オングストロームの膜厚で成長させる。そしてこれらの操作を繰り返し、第３＋第４の順で交互に５層ずつ積層し、最後に第３の窒化物半導体層を４０オングストロームの膜厚で成長させた超格子構造の多層膜よりなるｐ型多層膜層２０８を３６５オングストロームの膜厚で成長させる。
【００８６】
（ｐ型コンタクト層２０９）
続いて１０５０℃で、ＴＭＧ、アンモニア、Ｃｐ₂Ｍｇを用い、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２０９を７００オングストロームの膜厚で成長させる。
【００８７】
反応終了後、温度を室温まで下げ、さらに窒素雰囲気中、ウェーハを反応容器内において、７００℃でアニーリングを行い、ｐ型層をさらに低抵抗化する。さらにアニーリング後、ウェーハを反応容器から取り出し、最上層のｐ型コンタクト層２０９の表面に所定の形状のマスクを形成し、ＲＩＥ（反応性イオンエッチング）装置でｐ型コンタクト層側からエッチングを行い、図５に示すようにｎ型コンタクト層２０４の表面を露出させる。
【００８８】
エッチング後、最上層にあるｐ型コンタクト層２０９のほぼ全面に膜厚２００オングストロームのＮｉとＡｕを含む透光性のｐ側電極２１０と、エッチングにより露出させたｎ型コンタクト層２０４の表面にはＷとＡｌを含むｎ側電極２１１を形成してＬＥＤ素子とした。
【００８９】
このＬＥＤ素子は順方向電圧２０ｍＡにおいて、４７０ｎｍの青色発光を示し、駆動電圧は３．０Ｖであった。また、障壁層の成長温度まで昇温時の中間層１２の表面形態は図７であった。
【００９０】
［比較例２］
実施例８と比較するために活性層を以下のようにしてＬＥＤ素子を作製した。
（活性層）
ＴＭＧ、ＴＭＩ、アンモニア、シランガスを用い、１０５０℃でＳｉを５×１０¹⁷／ｃｍ³ドープしたＩｎ_0.1Ｇａ_0.9Ｎよりなる障壁層を２００オングストロームの膜厚で成長させ、続いて温度を８２０℃にして、ＴＭＧ、ＴＭＩ、アンモニアを用い、Ｉｎ_0.3Ｇａ_0.7Ｎよりなる井戸層を３０オングストロームの膜厚で成長させる。さらにこの障壁層、井戸層を４回繰り返して積層し、最後に障壁層を形成して、総膜厚１３５０オングストロームの多重量子井戸（ＭＱＷ）からなる活性層を成長させる。
以上のようにした他は実施例８と同様に作製したところ発光ピークはブロードしており、駆動電圧は３．８Ｖであった。
【００９１】
［比較例３］
実施例８と比較するために活性層を以下のようにしてＬＥＤ素子を作製した。
（活性層）
ＴＭＧ、ＴＭＩ、アンモニア、シランガスを用い、１０５０℃でＳｉを５×１０¹⁷／ｃｍ³ドープしたＩｎ_0.1Ｇａ_0.9Ｎよりなる障壁層を２００オングストロームの膜厚で成長させ、続いて温度を８２０℃にして、ＴＭＧ、ＴＭＩ、アンモニアを用い、Ｉｎ_0.3Ｇａ_0.7Ｎよりなる井戸層を３０オングストロームの膜厚で成長させる。さらにバンドギャップエネルギーが障壁層と井戸層との間にあるアンドープのＩｎ_0.15Ｇａ_0.85Ｎよりなる中間層を１０オングストロームの膜厚で成長させる。この障壁層、井戸層、中間層の３層構造をさらに４回繰り返して積層し、最後に障壁層を形成して、総膜厚１４００オングストロームの多重量子井戸（ＭＱＷ）からなる活性層を成長させる。以上のように中間層のバンドギャップエネルギーを障壁層より小さく、井戸層よりも大きくした他は実施例８と同様に作製したところ、駆動電圧は下がることなく４．０Ｖであった。
【００９２】
［実施例９］
実施例８において、活性層２０７の中間層１２をＡｌ_0.45Ｇａ_0.55Ｎとした他は同様にしてＬＥＤ素子を作製した。
このＬＥＤ素子は順方向電圧２０ｍＡにおいて、４７０ｎｍの青色発光を示し、駆動電圧は３．０Ｖであった。また、障壁層の成長温度まで昇温時の中間層１２の表面形態は図８であった。
【００９３】
［実施例１０］
実施例８において、活性層２０７の中間層１２をＡｌ_0.60Ｇａ_0.40Ｎとした他は同様にしてＬＥＤ素子を作製した。
このＬＥＤ素子は順方向電圧２０ｍＡにおいて、４７０ｎｍの青色発光を示し、駆動電圧は２．８Ｖであった。また、障壁層の成長温度まで昇温時の中間層１２の表面形態は図９であった。
【００９４】
［実施例１１］
実施例８において、活性層２０７の中間層１２をＡｌ_0.15Ｇａ_0.85Ｎとした他は同様にしてＬＥＤ素子を作製した。
このＬＥＤ素子は順方向電圧２０ｍＡにおいて、４７０ｎｍの青色発光を示し、駆動電圧は３．６Ｖであった。また、障壁層の成長温度まで昇温時の中間層１２の表面形態は図６であった。
【００９５】
［実施例１２］
実施例８において、活性層２０７を以下のようにした。
（活性層２０７）
ＴＭＧ、ＴＭＩ、アンモニア、シランガスを用い、１０５０℃でＳｉを５×１０¹⁷／ｃｍ³ドープしたＩｎ_0.1Ｇａ_0.9Ｎよりなる障壁層１３を２００オングストロームの膜厚で成長させ、続いて温度を８２０℃にして、ＴＭＧ、ＴＭＩ、アンモニアを用い、Ｉｎ_0.8Ｇａ_0.2Ｎよりなる井戸層１１を３０オングストロームの膜厚で成長させる。さらにＴＭＧ、ＴＭＡ、アンモニアを用い、アンドープのＡｌ_0.3Ｇａ_0.7Ｎよりなる中間層１２を１０オングストロームの膜厚で成長させる。この障壁層１３、井戸層１１、中間層１２の３層構造をさらに４回繰り返して積層し、最後に障壁層１３を形成して、総膜厚１４００オングストロームの多重量子井戸（ＭＱＷ）からなる活性層２０７を成長させる。
以上のように井戸層１１のＩｎの混晶比を０．８とした他は実施例８と同様にしてＬＥＤ素子を作製したところ、順方向電圧２０ｍＡにおいて、５７０ｎｍの黄色発光を示し、駆動電圧は２．９Ｖと、同条件で中間層１２を形成しないときの駆動電圧３．７Ｖと比べて大きな低下が見られた。
【００９６】
【発明の効果】
以上説明したように、量子井戸からなるインジウムを含む窒化物半導体からなる井戸層を有する活性層の井戸層と障壁層の間に障壁層よりバンドギャップエネルギーの大きい中間層を井戸層の上に形成することで、発光効率を良くすることができた。特に多重量子井戸構造を用いた窒化物半導体レーザ素子で閾値電圧を大幅に下げることができ、さらにレーザ素子のみならずＬＥＤ素子でも駆動電圧を大幅に下げることができた。また、これらは中間層を成長後、障壁層の成長温度まで温度を上昇させたときの中間層の表面形態に大きな特徴があり、中間層のＡｌ混晶比をＺ≧０．３０としたときに大きな効果が現れることがわかった。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明における単一量子井戸からなる活性層近傍の構造を模式的に示した断面図。
【図２】 本発明における多重量子井戸からなる活性層近傍の構造を模式的に示した断面図。
【図３】 本発明における活性層近傍のエネルギーレベルの相関を示した図。
【図４】 本発明の一実施例に係る窒化物半導体レーザ素子の構造を示す模式的な断面図。
【図５】 本発明の他の実施例に係る窒化物半導体ＬＥＤ素子の構造を示す模式的な断面図。
【図６】 本発明の一実施の製造工程で見られる中間層の表面形態を示したＡＦＭ像。
【図７】 本発明の他の実施の製造工程で見られる中間層の表面形態を示したＡＦＭ像。
【図８】 本発明の他の実施の製造工程で見られる中間層の表面形態を示したＡＦＭ像。
【図９】 本発明の他の実施の製造工程で見られる中間層の表面形態を示したＡＦＭ像。
【図１０】 Ａｌ混晶比Ｚと、駆動電圧との関係を示す図。
【符号の簡単な説明】
１１・・・井戸層、
１２・・・中間層、
１３・・・障壁層、
１０１・・・ＧａＮ基板（またはサファイア基板）、
１０２・・・バッファ層、
１０３・・・ｎ型コンタクト層、
１０４・・・ｎ型クラッド層、
１０５・・・ｎ型光ガイド層、
１０６・・・活性層、
１０７・・・ｐ側キャップ層、
１０８・・・ｐ型光ガイド層、
１０９・・・ｐ型クラッド層、
１１０・・・ｐ型コンタクト層、
１２０・・・ｐ側オーミック電極、
１２１・・・ｐ側パッド電極、
１２２・・・ｎ側オーミック電極、
１２３・・・ｎ側パッド電極、
１３０・・・絶縁膜、
２０１・・・ＧａＮ基板（またはサファイア基板）、
２０２・・・バッファ層、
２０３・・・アンドープＧａＮ層、
２０４・・・ｎ型コンタクト層、
２０５・・・ｎ型第１多層膜層、
２０６・・・ｎ型第２多層膜層、
２０７・・・活性層、
２０８・・・ｐ型多層膜層、
２０９・・・ｐ型コンタクト層、
２１０・・・ｐ側電極、
２１１・・・ｎ側電極。[0001]
[Industrial application fields]
The present invention relates to a nitride semiconductor (Al) used in a light emitting device such as an LED or LD (laser diode) or a light receiving device such as a photodiode._XIn_YGa_1-XYN, 0 ≦ X, 0 ≦ Y, X + Y ≦ 1).
[0002]
[Prior art]
We have fabricated a nitride semiconductor laser device including an active layer on a GaN substrate, and have announced the world's first continuous oscillation at room temperature of over 10,000 hours (INCS'97 Proceedings, October 27) -31, 1997, P444-446, and Jpn. J. Appl. Phys. Vol. 36 (1997) pp. L1568-L1571, Part2, No. 12A, 1 December 1997). Furthermore, by removing the sapphire substrate from the laser element and using GaN alone, it has been announced that continuous oscillation of 10,000 hours or more was achieved even at 5 mW output (Jpn. J. Appl. Phys. Vol. 37 (1998). pp. L309-L312, and Appl. Phys. Lett. Vol. 72 (1998) No. 16, 2014-2016).
[0003]
The structure of a recent laser device is basically a superlattice containing AlGaN formed in contact with a crack prevention layer made of InGaN on a heterogeneous substrate or n-type GaN grown on a GaN substrate. An n-side cladding layer having a structure, and a double hetero structure including an active layer having a quantum well structure and a p-side cladding layer on the n-side cladding layer (for details, refer to Jpn. J. Appl. Phys. Vol. 37 (1998 ) pp.L309-L312). This laser element has a current of 70 mA and a threshold current density of 5 kA / cm.²Oscillates in a single mode of 408.5 nm. The voltage at the threshold is 6V.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
The conventional active layer uses a quantum well structure in which a well layer made of InGaN is sandwiched between barrier layers with higher band gap energy than the well layer, and a multiple quantum well structure in which the well layer and the barrier layer are repeatedly stacked increases the light emission efficiency. Therefore, it is preferably used. Further, in order to form a barrier layer made of AlGaInN having a different mixed crystal ratio or composition on the well layer made of InGaN, it is necessary to grow the growth temperature at a temperature suitable for each because of the problem of crystallinity. In this case, the growth temperature of the barrier layer having a larger band gap energy than the well layer must be higher than the growth temperature of the well layer.
[0005]
However, when the temperature is raised to grow the barrier layer after growing the well layer, the In in the well layer is decomposed over the entire surface of the well layer, and a sharp emission peak cannot be obtained. Further, even when the barrier layer is grown at the same temperature as the well layer, there is a similar problem because the temperature is raised when the nitride semiconductor is continuously formed on the active layer. These are one of the major problems that cannot be ignored in nitride semiconductor light emitting devices using multiple quantum wells.
[0006]
[Means for Solving the Problems]
Therefore, the present invention has been made to solve such problems, and a first object of the present invention is to improve the light emission efficiency of the nitride semiconductor laser device, and to reduce the indium composed of quantum wells. An intermediate layer having a larger band gap energy than the barrier layer is formed on the well layer between the well layer and the barrier layer of the active layer having a well layer made of a nitride semiconductor. After the intermediate layer was formed in this way, when the temperature was raised to the growth temperature of the barrier layer, the decomposition of In in the well layer partially occurred, and the threshold voltage could be lowered. The second object of the present invention is to improve the luminous efficiency of the nitride semiconductor light emitting device, and the well layer and barrier of the active layer having a well layer made of a nitride semiconductor containing indium made of a quantum well. An intermediate layer made of AlGaN having a larger band gap energy than the barrier layer is formed between the layers on the well layer. After the intermediate layer was formed in this way, when the temperature was raised to the growth temperature of the barrier layer, In decomposition of the well layer partially occurred, and it became possible to lower the drive voltage and threshold voltage. Furthermore, after the intermediate layer is formed, the driving voltage and the threshold voltage can be greatly reduced due to the difference in the surface form of the intermediate layer when the temperature is raised to the growth temperature of the barrier layer.
[0007]
  According to the present inventionNitride semiconductorLight emissionAn element includes a multiple quantum well having a well layer made of a nitride semiconductor containing indium between an n-type nitride semiconductor layer and a p-type nitride semiconductor layerOr single quantum well structureIn the nitride semiconductor laser device having the active layer, for the purpose of lowering the threshold voltage,
  At least one intermediate layer having a larger band gap energy than the barrier layer is grown on the well layer.
[0008]
  That is, the nitride semiconductor light emitting device according to claim 1 includes an n-type nitride semiconductor layer and a p-type nitride semiconductor layer.On the n-type nitride semiconductor layer betweenWell layer made of a nitride semiconductor containing indiumAnd the barrier layerIn a nitride semiconductor light emitting device comprising an active layer having a multiple quantum well structure having
  Of the active layerSaidAt least one Al having a band gap energy larger than that of the barrier layer between the well layer and the barrier layer._ZGa_1-ZAn intermediate layer made of N (0 ≦ Z ≦ 1), and the intermediate layer is grown on the well layer;
  The intermediate layer is thinner than the barrier layer.
[0009]
  The nitride semiconductor light emitting device according to claim 2 is the nitride semiconductor light emitting device according to claim 1, characterized in that an intermediate layer is formed on each well layer in the active layer.
[0010]
  The nitride semiconductor light emitting device according to claim 3 is the nitride semiconductor light emitting device according to claim 1 or 2, wherein the barrier layer has a thickness of 10 angstroms or more and 400 angstroms or less.
[0011]
  The nitride semiconductor light emitting device according to claim 4 is the nitride semiconductor light emitting device according to any one of claims 1 to 3, wherein the intermediate layer has a thickness of not less than one atomic layer and not more than 100 angstroms. is there.
[0012]
  The nitride semiconductor light emitting device according to claim 5 is the nitride semiconductor light emitting device according to any one of claims 1 to 4, wherein the barrier layer is made of InGaN.
[0013]
  The nitride semiconductor light emitting device according to claim 6 is the nitride semiconductor light emitting device according to any one of claims 1 to 5, wherein the intermediate layer includes:SaidIt is assumed that it is in contact with the well layer.
[0014]
  The nitride semiconductor light emitting device according to claim 7 is made of Al._bGa_1-bN-type cladding layer composed of N (0 ≦ b ≦ 1) and Al_CGa_1-CBetween p-type cladding layers made of N (0 ≦ C ≦ 1)On the n-type cladding layerIn a nitride semiconductor light emitting device comprising an active layer having a well layer made of a nitride semiconductor containing indium in
  The active layer has a single quantum well structure including one well layer and a barrier layer, and at least one Al having a larger band gap energy than the barrier layer between the well layer and the barrier layer._ZGa_1-ZAn intermediate layer made of N (0 ≦ Z ≦ 1), and the intermediate layer is grown on the well layer;
  The intermediate layer is thinner than the barrier layer.
[0015]
  The nitride semiconductor light emitting device according to claim 8 is the nitride semiconductor light emitting device according to claim 7, wherein the thickness of the barrier layer is not less than 10 angstroms and not more than 400 angstroms.
[0016]
A nitride semiconductor light emitting device according to claim 9 is the nitride semiconductor light emitting device according to claim 7 or 8, wherein the intermediate layer has a thickness of not less than one atomic layer and not more than 100 angstroms.
[0017]
A nitride semiconductor light emitting device according to a tenth aspect is the nitride semiconductor light emitting device according to any one of the seventh to ninth aspects, wherein the barrier layer is made of InGaN.
[0018]
  The nitride semiconductor light emitting device according to claim 11 is the nitride semiconductor light emitting device according to any one of claims 7 to 10, wherein the intermediate layer includes:SaidIt is assumed that it is in contact with the well layer.
[0019]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, the structure of the active layer, which is the main element of the present invention, will be described in detail with reference to the drawings. In the first embodiment, a nitride semiconductor laser element will be described, and in the second embodiment, a nitride semiconductor LED element will be described. FIG. 1 shows an active layer 106 (207) made of a single quantum well, and FIG. 2 shows an active layer 106 (207) made of a multiple quantum well.
[0020]
(Embodiment 1)
The light emitting device according to the first embodiment of the present invention is a nitride semiconductor laser device having the structure shown in FIG. 4, and includes nitride containing indium sandwiched between an n-type light guide layer 105 and a p-type light guide layer. An active layer 106 having a well layer made of a semiconductor is provided. In the first embodiment, an active layer 106 made of a quantum well is formed by a well layer 11, an intermediate layer 12, and a barrier layer 13, and the band gap energy of the intermediate layer 12 is as shown in FIG. It is characterized in that it is set to be larger than energy, and the intermediate layer 12 is always formed in contact with the well layer 11 after the well layer 11 is formed. The intermediate layer 12 may be on any well layer 11 of the active layer 106 and only needs to include at least one configuration having the intermediate layer 12 between the well layer 11 and the barrier layer 13. However, it is most desirable that the intermediate layer 12 is formed on all the well layers 11 of the active layer 106, and in this way, the threshold voltage can be further lowered.
[0021]
As described above, in the nitride semiconductor laser device of the first embodiment, the intermediate layer 12 is configured to be larger than the band gap energy of the barrier layer 13, that is, to have the largest band gap in the active layer 106. The value voltage can be greatly reduced. If the band gap energy of the intermediate layer 12 is smaller than that of the barrier layer 13 and larger than that of the well layer 11, the well-type potential between the well layer 11 and the barrier layer 13 does not hold, and the threshold voltage is greatly lowered as in the present invention. It is impossible.
[0022]
Further, the film thickness of the intermediate layer 12 is preferably smaller than the film thickness of the barrier layer 13 and is not less than one atomic layer and not more than 100 Å. If the thickness is greater than 100 angstroms, a miniband is formed between the intermediate layer 12 and the well layer 11 and the luminous efficiency is deteriorated. Further, it is desirable that this intermediate layer is as thin as possible.
[0023]
The thickness of the barrier layer 13 can be 10 angstroms or more and 400 angstroms or less, and the thickness of the well layer 11 can be 10 angstroms or more and 70 angstroms or less.
[0024]
The growth temperature of the active layer 106 is about 750 ° C. to 1100 ° C. for the growth temperature of the barrier layer 13 (hereinafter referred to as the first temperature), and the growth temperature of the well layer 11 (hereinafter referred to as the second temperature). Is lower than the first temperature and is 750 ° C. or higher and 880 ° C. or lower. The growth temperature of the intermediate layer 12 (hereinafter referred to as the third temperature) is the second temperature that is the same temperature as the well layer 11 or higher and lower than the first temperature, which is 750 ° C. or higher and 880 ° C. or lower. . However, if the growth temperature of the intermediate layer 12 is too high, In is decomposed over the entire surface of the well layer, which is contrary to the solution of the problem of the present invention. Therefore, the growth temperature of the intermediate layer 12 is most preferably the same as the growth temperature of the well layer 11. In addition, since the In mixed crystal ratio of the well layer 11 varies depending on the wavelength of light emitted when these nitride semiconductor elements are produced, it is necessary to determine the optimum temperature corresponding to the In mixed crystal ratio. There is.
[0025]
The active layer 106 may be doped with an n-type impurity such as Si and / or a p-type impurity such as Mg as in this embodiment, or may be undoped. Impurities may be doped in both the well layer and the barrier layer, or only in the well layer. Further, the intermediate layer may be doped. Note that it is preferable to dope the n-type impurity only in the barrier layer because the threshold value can be further lowered.
[0026]
Further, In is a nitride semiconductor used in the present invention._YGa_1-YThe mixed crystal ratio Y of N in N (0 ≦ Y ≦ 1) is a relational expression with the band gap energy Eg, Eg = 3.4 * (1-Y) + 1.95 * Y-A * Y * (1-Y ) Is an estimated value when A = 1, and Al_XGa_1-XThe mixed crystal ratio X of Al of N (0 ≦ X ≦ 1) is a relational expression with the band gap energy Eg, Eg = 3.4 * (1-X) + 6.2 * X-A * X * (1-X ), The estimated value when A = 1. The coefficients of the first and second terms in the above two relational expressions are as follows: 3.4 is the band gap energy (eV) of GaN, 1.95 is the band gap energy (eV) of InN, and 6.2 is The band gap energy (eV) of AlN is shown.
[0027]
Needless to say, the characteristics of these active layers are the same even in the case of a single quantum well as shown in FIG.
[0028]
Next, as Embodiment 1, other structures such as a nitride semiconductor layer other than the active layer 106 will be described. Needless to say, the present invention is not limited to the following configuration.
As the substrate 101, a heterogeneous substrate such as sapphire or a GaN substrate obtained by a known method can be used. Further, it is preferable to form a buffer layer 102 made of GaN on the substrate 101, whereby the crystallinity of a nitride semiconductor to be formed later on the substrate can be improved. This buffer layer 102 is particularly effective when a nitride semiconductor is formed on a different substrate. The heterogeneous substrate refers to a substrate made of a material different from that of the nitride semiconductor.
[0029]
The n-type contact layer 103 is a layer for forming an n-side electrode, and is doped with an n-type impurity such as Si so that the ohmic property is improved. After forming the p-side layer, this layer is etched from the p-side layer to expose a part of the n-type contact layer, and an n-side electrode is formed on the exposed n-type contact layer 103.
[0030]
The crack prevention layer formed on the n-type contact layer 103 is formed to reduce cracks from the substrate side by being undoped. This crack prevention layer is made of InGaN or the like, and is provided with a refractive index difference from the upper n-type cladding layer, so that light emitted from the light emitting layer strikes a different substrate and returns to the nitride semiconductor layer again. It can function as a layer that prevents coming. This layer may be omitted.
[0031]
The n-type cladding layer 104 serves as a layer for supplying electrons to the light emitting layer and serves as a layer for confining carriers and light in the active layer, and is a single layer doped with an n-type impurity such as Si, or an undoped layer and an n-type impurity doped layer, for example. A superlattice structure in which layers are alternately stacked can be obtained.
[0032]
The n-type light guide layer 105 constitutes an optical waveguide together with the active layer 106 by supplementing the thickness of the active layer 106 having a thin film thickness such as a multiple quantum well structure. Accordingly, the composition is such that there is not much difference in refractive index from the upper active layer 106 and a sufficient difference in refractive index from the n-type cladding layer 104 is provided. This layer may be doped with an n-type impurity, may be undoped, or may be a superlattice of a layer doped with an n-type impurity and an undoped layer.
[0033]
The p-side cap layer 107 on the active layer 106 may compensate for holes that are likely to be deficient with respect to electrons from the n-side supplied to the active layer 106 by highly doping a p-type impurity such as Mg. it can. Further, it is preferable that the p-type impurity concentration is higher than that of the p-type light guide layer 108 and the p-type cladding layer 109 so that the p-type impurity diffuses into the p-side layer formed on the p-side cap layer 107. Further, this layer also has an effect of suppressing decomposition of In in the active layer 106, and may be undoped when the function is mainly exhibited. The p-side cap layer 107 can be omitted.
[0034]
The p-type light guide layer 108 is a layer containing a p-type impurity such as Mg. The p-type cap layer 107 is not limited to the p-type impurity. In the case where the impurity is doped and formed, the p-type impurity is diffused from the p-side cap layer 107. Therefore, the impurity may be formed undoped. Similar to the n-type light guide layer 105, the p-type light guide layer 108 is a layer for providing an optical waveguide. The p-type light guide layer 108 is not much different in refractive index from the lower active layer 106, and has a refractive index difference from the p-type cladding layer 109. The composition should be sufficient.
[0035]
The p-type cladding layer 109 serves as a hole supply layer to the light-emitting layer, for example, a single layer doped with a p-type impurity such as Mg, or a superlattice structure in which, for example, an undoped layer and a p-type impurity doped layer are alternately stacked. Can be used.
[0036]
The p-type contact layer 110 is a layer that forms a p-side electrode, and is doped with a relatively large amount of p-type impurities such as Mg so that the ohmic property with the p-side electrode is improved.
[0037]
Further, in the nitride semiconductor laser element, etching is performed up to the vicinity of the interface between the p-side cladding layer 109 and the p-side light guide layer 108 to form a stripe-shaped waveguide having a width of 1.5 μm. As described above, by forming the layer above the active layer 106 in a striped ridge shape, the emission of the active layer 106 is concentrated under the stripe ridge, and the threshold value can be lowered. In particular, it is desirable that the layer above the p-side cladding layer has a ridge shape.
[0038]
The p-side electrode has a p-side ohmic electrode 120 on the ridge outermost surface of the p-type contact layer 110, and further has a p-side pad electrode 121 thereon, and a material for the p-side ohmic electrode 120 that can provide a preferable ohmic with the p-type contact layer 110. Examples thereof include Ni, Pt, Pd, Ni / Au, Ni / Ti / Au, Pt / Au, and Pd / Au. The p-side pad electrode 121 is for increasing the surface area of the substantial p-side ohmic electrode 120 so that the p-electrode side can be wire-bonded or die-bonded, such as Au.
[0039]
The n-side electrode has an n-side ohmic electrode 122 on the n-type contact layer 103, and further an n-side pad electrode 123 on the n-type contact layer 103. The material of the n-side ohmic electrode 122 that can obtain a preferable ohmic with the n-type contact layer 103 is Al. , Ti, W, Cu, Zn, Sn, In, and other metals or alloys. Further, the n-side pad electrode 123 has an effect of preventing the n-side ohmic electrode 122 from being peeled off, and examples thereof include Au.
[0040]
(Embodiment 2)
As shown in FIG. 5, the light-emitting device according to the second embodiment of the present invention is sandwiched between an n-type second multilayer film layer 206 which is an n-type cladding layer and a p-type multilayer film layer 208 which is a p-type cladding layer. The nitride semiconductor LED device includes an active layer 207 having a well layer made of a nitride semiconductor containing indium. The active layer 207 of the second embodiment has the same form as the active layer 106 described in the first embodiment, or the intermediate layer 12 has the following composition.
[0041]
That is, the composition of the intermediate layer 12 is Al._ZGa_1-ZN (0 ≦ Z ≦ 1), preferably Al_ZGa_1-ZN (0.30 ≦ Z ≦ 1). In the element of the second embodiment, when the Al mixed crystal ratio in the intermediate layer 12 is set to 0.30 or more, the effect of providing this intermediate layer appears more remarkably, and the effect is obtained after the intermediate layer 12 is grown. The present invention has been found to have a great relationship with the surface form of the intermediate layer 12 when the temperature is raised to the growth temperature of the barrier layer 13, and is applied to the LED element. 6 to 9 show the surface form of the intermediate layer 12 observed with an AFM (atomic force microscope) when the temperature is raised to 1050 ° C. after the intermediate layer 12 is formed at 820 ° C. FIG. 6 shows Al mixed crystal ratio Z = 0.15, FIG. 7 shows Z = 0.30, FIG. 8 shows Z = 0.45, and FIG. 9 shows Z = 0.60. If the mixed crystal ratio of Al becomes Z ≧ 0.30, the surface of the intermediate layer 12 has a network structure having a plurality of recessed or penetrating regions. This is because the AlGaN that is the intermediate layer 12 is formed at a low temperature, the crystallinity and film thickness of the AlGaN are non-uniform, and the temperature is increased to the growth temperature of the barrier layer 13 after the intermediate layer 12 is grown. When the AlGaN crystallinity is poor and / or where the film thickness is thin, a part of the In of the well layer 11 is decomposed, and the surface of the intermediate layer 12 is depressed or penetrated, and a part of the surface of the well layer 11 is formed. Etc. are considered to be exposed. Further, it has been found that when the Al mixed crystal ratio Z that is 10% or more of the surface area of the intermediate layer 12 is 0.30 or more, the drive voltage is greatly reduced in the depressed or penetrated region. The results are shown in FIG. 10 with changes in drive voltage with respect to the Al mixed crystal ratio in the nitride semiconductor LED device of the present invention.
[0042]
In addition, the preferable film thickness etc. of each layer of the active layer in Embodiment 2 of this invention are the same as that of Embodiment 1.
[0043]
Further, it goes without saying that the characteristics of these active layers are the same even in the case of a single quantum well as shown in FIG.
[0044]
That is, an active layer 207 made of a quantum well is formed by the well layer 11, the intermediate layer 12, and the barrier layer 13, and the band gap energy of the intermediate layer 12 is set larger than the band gap energy of the barrier layer 13 as shown in FIG. The intermediate layer 12 is always formed in contact with the well layer 11 after the well layer 11 is formed. The intermediate layer 12 may be on any well layer 11 of the active layer 207 and only needs to include at least one structure having the intermediate layer 12 between the well layer 11 and the barrier layer 13. However, it is most desirable that the intermediate layer 12 is formed on all the well layers 11 of the active layer 207. In this way, the threshold voltage can be further lowered.
[0045]
Further, the film thickness of the intermediate layer 12 is preferably smaller than the film thickness of the barrier layer 13 and is not less than one atomic layer and not more than 100 Å. If the thickness is greater than 100 angstroms, a miniband is formed between the intermediate layer 12 and the well layer 11 and the luminous efficiency is deteriorated. Further, it is desirable that this intermediate layer is as thin as possible.
[0046]
The thickness of the barrier layer 13 can be 10 angstroms or more and 400 angstroms or less, and the thickness of the well layer 11 can be 10 angstroms or more and 70 angstroms or less.
[0047]
Next, another configuration such as a nitride semiconductor layer other than the active layer 207 will be described as a second embodiment. Needless to say, the present invention is not limited to the following configuration.
As the substrate 201, a heterogeneous substrate such as sapphire or a GaN substrate obtained by a known method can be used. In addition, it is preferable to form a buffer layer 202 made of GaN on the substrate 201, whereby the crystallinity of a nitride semiconductor to be formed later on the substrate can be improved. This buffer layer 202 is particularly effective when a nitride semiconductor is formed on a dissimilar substrate, and can be omitted depending on the type of substrate, growth method, and the like. The buffer layer can also be made of AlGaN with a small proportion of Al.
[0048]
The first undoped GaN layer 203 is formed by forming undoped GaN at a higher temperature than the buffer layer 202. By providing this layer, the crystallinity of the nitride semiconductor can be improved as in the buffer layer 202.
[0049]
The n-type contact layer 204 is a layer for forming an n-side electrode and is doped with an n-type impurity such as Si so as to improve the ohmic property. This layer is later etched from the p-side layer to expose part of the n-type contact layer 204, and an n-side electrode is formed on the exposed n-type contact layer 204.
[0050]
The n-type first multilayer film layer 205 is formed for the purpose of reducing the electrostatic withstand voltage, and the n-type second multilayer film layer 206 is formed for the purpose of improving the light emission output by adopting an undoped superlattice structure. A known n-type cladding layer is composed of only the two multilayer films 206 or the n-type second multilayer film 206 and the n-type first multilayer film 205.
[0051]
The p-type multilayer layer 208 has a superlattice structure doped with, for example, a p-type impurity such as Mg, and functions as a known p-type cladding layer.
[0052]
The p-type contact layer 209 is a layer for forming a p-side electrode. For example, the p-type contact layer 209 is doped with a relatively large amount of a p-type impurity such as Mg so that the ohmic property with the p-side electrode is improved.
[0053]
The p-side electrode and the n-side electrode are the same as those described in the first embodiment.
In addition, the second embodiment has been described by taking a nitride semiconductor LED element as an example, but is not limited to an LED element, and may be a nitride semiconductor laser element.
[0054]
【Example】
FIG. 4 is a schematic cross-sectional view showing the structure of a laser device according to one embodiment of the present invention. Hereinafter, Example 1 is demonstrated based on this figure. Note that the light-emitting element of the present invention is not limited to the structure shown in FIG.
[Example 1]
(Buffer layer 102)
A GaN substrate 101 obtained by a known method is set on a sapphire having a 2 inch φ, C-plane as a main surface, in a MOVPE reaction vessel, and trimethylgallium (TMG), ammonia (NH_Three), A first buffer layer made of GaN is grown to a thickness of 200 angstroms. After growing the first buffer layer, the temperature is raised and a second buffer layer made of GaN is grown to a thickness of 1.5 μm.
[0055]
(N-side contact layer 103)
Next, using ammonia and TMG, silane gas as impurity gas, Si is 1 × 10¹⁸/ Cm^ThreeAn n-side contact layer 103 made of doped GaN is grown to a thickness of 4 μm.
[0056]
(Crack prevention layer)
Next, using TMG, TMI (trimethylindium), and ammonia, the temperature is set to 800 ° C. and In_0.06Ga_0.94A crack prevention layer made of N is grown to a thickness of 0.15 μm.
[0057]
(N-side cladding layer 104)
Subsequently, undoped Al at 1050 ° C. using TMA (trimethylaluminum), TMG, and ammonia._0.16Ga_0.84A layer made of N is grown to a film thickness of 25 Å, then TMA is stopped, silane gas is flowed, and Si is 1 × 10 × 10.¹⁹/ Cm^ThreeA layer made of doped n-type GaN is grown to a thickness of 25 Å. These layers are alternately stacked to form a superlattice layer, and an n-side cladding layer 104 made of a superlattice having a total thickness of 1.2 μm is grown.
[0058]
(N-side light guide layer 105)
Next, TMG and ammonia are used as source gases, and an n-type light guide layer 105 made of undoped GaN is grown to a thickness of 750 Å at the same temperature.
[0059]
(Active layer 106)
Next, the temperature is set to 880 ° C., TMI, TMG, and ammonia are used as source gases, silane gas is used as an impurity gas, and Si is 5 × 10 5.¹⁸/ Cm^ThreeDoped In_0.01Ga_0.99A barrier layer 13 made of N is grown to a thickness of 100 angstroms. Subsequently, the temperature was lowered to 820 ° C., silane gas was stopped, and undoped In_0.3Ga_0.7A well layer 11 made of N is grown to a thickness of 50 Å. Furthermore, using TMA at the same temperature, Al_0.3Ga_0.7An intermediate layer 12 made of N is grown to a thickness of 10 angstroms. The three-layer structure of the barrier layer 13, the well layer 11, and the intermediate layer 12 is repeated two more times, and finally the barrier layer 13 is formed to form an active layer composed of multiple quantum wells (MQW) having a total film thickness of 580 angstroms. Layer 106 is grown.
[0060]
(P-side cap layer 107)
Next, stop TMI and Cp₂Flow Mg, Mg 1 × 10²⁰/ Cm^ThreeA p-side cap layer 107 made of doped p-type GaN is grown to a thickness of 100 Å.
[0061]
(P-side light guide layer 108)
Then Cp₂The Mg and TMA are stopped, and the p-side light guide layer 108 made of undoped GaN is grown to a thickness of 0.1 μm at 1050 ° C. The p-type light guide layer 108 is grown as undoped, but due to the diffusion of Mg from the p-side cap layer 107, the Mg concentration is 5 × 10 5.¹⁶/ Cm^ThreeAnd p-type.
[0062]
(P-side cladding layer 109)
Subsequently, Cp2Mg was turned off, TMA was flown, and undoped Al at 1050 ° C._0.2Ga_0.8A layer of N is grown to a thickness of 25 Å, and then the TMA is turned off, Cp₂Mg flow, Mg concentration is 1 × 10¹⁹/ Cm^ThreeA layer made of undoped GaN is grown to a thickness of 25 Å, and a p-side cladding layer 109 made of a superlattice layer having a total thickness of 0.6 μm is grown.
[0063]
(P-side contact layer 110)
Finally, on the p-side cladding layer 109, Mg is 1 × 10²⁰/ Cm^ThreeA p-side contact layer 110 made of doped p-type GaN is grown to a thickness of 150 Å.
[0064]
The wafer on which the nitride semiconductor has been grown as described above is taken out of the reaction vessel, and the surface of the uppermost p-side contact layer 110 is formed on a SiO 2 stripe having a width of 1.5 μm via a mask having a predetermined shape.₂A protective film made of is produced. After forming the protective film, etching is performed to the vicinity of the interface between the p-side cladding layer 109 and the p-side light guide layer 108 using RIE (reactive ion etching) as shown in FIG. The waveguide is formed.
[0065]
After forming the stripe waveguide, SiO₂With the mask attached, the surface of the nitride semiconductor layer is ZrO₂An insulating film is formed. After forming the insulating film, it is immersed in buffered hydrofluoric acid to form SiO formed on the p-side contact layer 110₂Is dissolved and removed by a lift-off method.₂And ZrO on the p-side contact 110 layer.₂Remove.
[0066]
Next, on the ridge surface, SiO₂A mask is formed and etched by RIE to expose the surface of the n-side contact layer 103.
[0067]
Next, a p-side ohmic electrode 120 made of Ni and Au is formed in a stripe pattern on the ridge outermost surface of the p-side contact layer 110.
[0068]
On the other hand, the n-side ohmic electrode 122 made of Ti and Al is formed in a stripe shape on the surface of the n-side contact layer 103 exposed previously.
[0069]
Next, as shown in FIG. 4, SiO 2 is exposed on the surface of the nitride semiconductor layer exposed between the p-side ohmic electrode 120 and the n-side ohmic electrode 122.₂An insulating film 130 is formed, and a p-side pad electrode 121 electrically connected to the p-side ohmic electrode 120 and an n-side pad electrode 123 electrically connected to the n-side ohmic electrode 122 through the insulating film 130. Form.
[0070]
As described above, after forming both the p and n pad electrodes, the M surface of the nitride semiconductor along the A surface of the sapphire substrate (when the nitride semiconductor is represented by a hexagonal column, it corresponds to the side surface of the hexagonal column). GaN is cleaved at the surface) to make the wafer into a bar shape, and a resonance surface is produced on the cleavage surface of the bar. After producing the resonance surface, a bar-shaped wafer was further cut in a direction perpendicular to the resonance surface to obtain a laser chip.
[0071]
Next, when each electrode was wire-bonded and laser oscillation was attempted at room temperature, decomposition of In could be suppressed, a sharp emission peak was obtained, and a threshold current density of 2.0 kA / cm at room temperature was obtained.²Continuous oscillation with an oscillation wavelength of 450 nm was confirmed, and the lifetime was 1000 hours or longer. Also, the threshold voltage could be greatly reduced to 4.0V.
[0072]
[Comparative Example 1]
In order to make a comparison with Example 1, a laser element was fabricated as follows.
(Active layer)
The temperature is set to 880 ° C., TMI, TMG, and ammonia are used as source gases, silane gas is used as an impurity gas, and Si is 5 × 10¹⁸/ Cm^ThreeDoped In_0.01Ga_0.99A barrier layer made of N is grown to a thickness of 100 Å. Subsequently, the temperature was lowered to 820 ° C., silane gas was stopped, and undoped In_0.3Ga_0.7A well layer made of N is grown to a thickness of 50 Å. This barrier layer and well layer are further repeated twice, and finally a barrier layer is formed to grow an active layer composed of multiple quantum wells (MQW) having a total film thickness of 550 angstroms.
Except for the above, the product was produced in the same manner as in Example 1. As a result, the emission peak was broad and the threshold voltage was 4.6V.
[0073]
[Example 2]
In Example 1, the active layer 106 was as follows.
(Active layer 106)
The temperature is 880 ° C., TMG and ammonia are used as source gas, silane gas is used as impurity gas, and Si is 5 × 10¹⁸/ Cm^ThreeA barrier layer 13 made of doped GaN is grown to a thickness of 100 angstroms. Subsequently, the temperature was lowered to 820 ° C. and undoped In_0.4Ga_0.6A well layer 11 made of N is grown to a thickness of 50 Å. Furthermore, using TMA at the same temperature, Al_0.3Ga_0.7An intermediate layer 12 made of N is grown to a thickness of 10 angstroms. The three-layer structure of the barrier layer 13, the well layer 11, and the intermediate layer 12 is repeated two more times, and finally the barrier layer 13 is formed to form an active layer composed of multiple quantum wells (MQW) having a total film thickness of 580 angstroms. Layer 106 is grown.
Except for the above, a laser device was fabricated in the same manner as in Example 1. As a result, the emission peak was sharp and the threshold current density was 2.0 kA / cm at room temperature.²At a threshold voltage of 4.0 V, continuous oscillation at an oscillation wavelength of 480 nm was confirmed, indicating a lifetime of 1000 hours or longer.
[0074]
[Example 3]
In Example 1, the active layer 106 was as follows.
(Active layer 106)
The temperature is set to 880 ° C., TMI, TMG and ammonia are used as source gases, and undoped In_0.28Ga_0.72A barrier layer 13 made of N is grown to a thickness of 100 angstroms. Subsequently, the temperature was lowered to 820 ° C. and undoped In_0.50Ga_0.50A well layer 11 made of N is grown to a thickness of 50 Å. Furthermore, using TMA at the same temperature, Al_0.3Ga_0.7An intermediate layer 12 made of N is grown to a thickness of 10 angstroms. The three-layer structure of the barrier layer 13, the well layer 11, and the intermediate layer 12 is repeated two more times, and finally the barrier layer 13 is formed to form an active layer composed of multiple quantum wells (MQW) having a total film thickness of 580 angstroms. Layer 106 is grown.
Except for the above, a laser device was fabricated in the same manner as in Example 1. As a result, the emission peak was sharp and the threshold current density was 2.0 kA / cm at room temperature.²At a threshold voltage of 4.0 V, continuous oscillation at an oscillation wavelength of 510 nm was confirmed, indicating a lifetime of 500 hours or longer.
[0075]
[Example 4]
In Example 1, the active layer 106 was as follows.
(Active layer 106)
The temperature is set to 820 ° C., TMI, TMG and ammonia are used as source gas, silane gas is used as impurity gas, and Si is 5 × 10 5¹⁸/ Cm^ThreeDoped In_0.01Ga_0.99A barrier layer 13 made of N is grown to a thickness of 100 angstroms. Subsequently, silane gas was stopped at the same temperature, and undoped In_0.3Ga_0.7A well layer 11 made of N is grown to a thickness of 50 Å. Furthermore, using TMA at the same temperature, Al_0.3Ga_0.7An intermediate layer 12 made of N is grown to a thickness of 10 angstroms. The three-layer structure of the barrier layer 13, the well layer 11, and the intermediate layer 12 is repeated two more times, and finally the barrier layer 13 is formed to form an active layer composed of multiple quantum wells (MQW) having a total film thickness of 580 angstroms. Layer 106 is grown.
As described above, except that the growth temperature of the barrier layer 13 was the same as that of the well layer 11, a laser device was manufactured in the same manner as in Example 1. As a result, the emission peak was sharp and the threshold current density was 2.0 kA / cm at room temperature.²Continuous oscillation with an oscillation wavelength of 450 nm was confirmed at a threshold voltage of 4.2 V, and a lifetime of 1000 hours or more was exhibited.
[0076]
[Example 5]
In Example 1, the active layer 106 was as follows.
(Active layer 106)
The temperature is set to 880 ° C., TMI, TMG, and ammonia are used as source gases, silane gas is used as an impurity gas, and Si is 5 × 10¹⁸/ Cm^ThreeDoped In_0.01Ga_0.99A barrier layer 13 made of N is grown to a thickness of 100 angstroms. Subsequently, the temperature was lowered to 820 ° C., silane gas was stopped, and undoped In_0.3Ga_0.7A well layer 11 made of N is grown to a thickness of 50 Å. Furthermore, using TMA at the same temperature, Al_0.45Ga_0.55An intermediate layer 12 made of N is grown to a thickness of 10 angstroms. The three-layer structure of the barrier layer 13, the well layer 11, and the intermediate layer 12 is repeated two more times, and finally the barrier layer 13 is formed to form an active layer composed of multiple quantum wells (MQW) having a total film thickness of 580 angstroms. Layer 106 is grown.
As described above, a laser device was fabricated in the same manner as in Example 1 except that the mixed crystal ratio of Al in the intermediate layer 12 was set to 0.45. As a result, almost the same characteristics as in Example 1 were obtained.
[0077]
[Example 6]
In Example 1, the intermediate layer 12 of the active layer 106 is made of Al._0.15Ga_0.85When a laser device was fabricated in the same manner except that N was used, a sharp emission peak was obtained and the decomposition of In could be suppressed, but the threshold voltage could not be greatly reduced to 4.4V. There was a decrease compared to when the intermediate layer was not formed.
[0078]
[Example 7]
In Example 1, the active layer 106 was as follows.
(Active layer 106)
The temperature is set to 880 ° C., TMI, TMG, and ammonia are used as source gases, silane gas is used as an impurity gas, and Si is 5 × 10¹⁸/ Cm^ThreeDoped In_0.02Ga_0.98A barrier layer 13 made of N is grown to a thickness of 60 Å. Subsequently, the temperature was lowered to 820 ° C., silane gas was stopped, and undoped In_0.4Ga_0.6A well layer 11 made of N is grown to a thickness of 30 Å. Further, using TMA at the same temperature, the intermediate layer 12 made of GaN is grown to a thickness of 10 angstroms. The three-layer structure of the barrier layer 13, the well layer 11, and the intermediate layer 12 is further repeated five times, and finally, the barrier layer 13 is formed, and an active layer composed of a multiple quantum well (MQW) having a total film thickness of 660 angstroms. Layer 106 is grown.
Except for the above, a laser device was fabricated in the same manner as in Example 1. As a result, the emission peak was sharp and the threshold current density was 2.0 kA / cm at room temperature.²At a threshold voltage of 4.2 V, continuous oscillation at an oscillation wavelength of 480 nm was confirmed, and the lifetime was 500 hours or longer.
[0079]
[Example 8]
FIG. 5 is a schematic cross-sectional view showing the structure of a nitride semiconductor LED device according to one embodiment of the present invention. Hereinafter, Example 8 is demonstrated based on this figure. Note that the light-emitting element of the present invention is not limited to the structure shown in FIG.
(Buffer layer 202)
A GaN substrate 201 (or a sapphire substrate) obtained by a known method is set on a sapphire having a 2 inch φ, C-plane as a main surface, and set in a MOVPE reaction vessel. A buffer layer 202 made of GaN is grown to a thickness of about 200 angstroms.
[0080]
(First undoped GaN layer 203)
After growth of the buffer layer 202, only TMG is stopped and the temperature is raised to 1050 ° C. When the temperature reaches 1050 ° C., the first undoped GaN layer 203 is grown to a thickness of 1 μm using TMG and ammonia gas as source gases.
[0081]
(N-type contact layer 204)
Subsequently, at 1050 ° C., TMG, ammonia gas, and silane gas are used as the source gas and the impurity gas, and Si is 3 × 10¹⁹/ Cm^ThreeAn n-type contact layer 204 made of doped GaN is grown to a thickness of 4 μm.
[0082]
(N-type first multilayer film layer 205)
Next, only the silane gas is stopped, and a lower layer made of undoped GaN is grown to a thickness of 3000 angstroms using TMG and ammonia gas at 1050 ° C., and then silane gas is added at the same temperature to add Si to 4.5 × 10.¹⁸/ Cm^ThreeAn intermediate layer made of doped GaN is grown to a thickness of 300 Å, and then only the silane gas is stopped, and an upper layer made of undoped GaN is grown to a thickness of 50 Å at the same temperature, so that the total thickness of three layers is increased. An n-type first multilayer layer 205 of 3350 Å is grown.
[0083]
(N-type second multilayer layer 206)
Next, a second nitride semiconductor layer made of undoped GaN is grown by 40 angstroms at the same temperature, then the temperature is raised to 800 ° C., and TMG, TMI, and ammonia are used._0.13Ga_0.87A first nitride semiconductor layer made of N is grown by 20 Å. These operations are repeated, and 10 layers are alternately stacked in the order of 2 + 1. Finally, the n-type layer is formed of a multilayer film having a superlattice structure in which a second nitride semiconductor layer made of GaN is grown by 40 angstroms. A second multilayer layer 206 is grown to a thickness of 640 angstroms.
[0084]
(Active layer 207)
Using TMG, TMI, ammonia, silane gas, Si is 5 × 10 at 1050 ° C.¹⁷/ Cm^ThreeDoped In_0.1Ga_0.9A barrier layer 13 made of N is grown to a thickness of 200 angstroms, followed by a temperature of 820 ° C., using TMG, TMI, and ammonia._0.3Ga_0.7A well layer 11 made of N is grown to a thickness of 30 Å. In addition, using TMG, TMA, ammonia, undoped Al_0.3Ga_0.7An intermediate layer 12 made of N is grown to a thickness of 10 angstroms. The barrier layer 13, the well layer 11, and the intermediate layer 12 are further repeated four times, and finally the barrier layer 13 is formed to form an active layer composed of multiple quantum wells (MQW) having a total thickness of 1400 angstroms. Layer 207 is grown.
[0085]
(P-type multilayer film layer 208)
Next, at a temperature of 1050 ° C., TMG, TMA, ammonia, Cp₂Mg (cyclopentadienylmagnesium) is used and Mg is 5 × 10¹⁹/ Cm^ThreeDoped p-type Al_0.2Ga_0.8A third nitride semiconductor layer made of N is grown to a thickness of 40 angstroms, followed by a temperature of 800 ° C., and TMG, TMI, ammonia, Cp₂Mg is used 5 × 10 Mg¹⁹/ Cm^ThreeDoped In_0.02Ga_0.98A fourth nitride semiconductor layer made of N is grown to a thickness of 25 Å. Then, these operations are repeated, and 5 layers are alternately stacked in the order of 3 + 4, and finally, the third nitride semiconductor layer is grown to a thickness of 40 Å. A mold multilayer 208 is grown to a thickness of 365 angstroms.
[0086]
(P-type contact layer 209)
Subsequently, at 1050 ° C., TMG, ammonia, Cp₂Mg is used, and Mg is 1 × 10²⁰/ Cm^ThreeA p-type contact layer 209 made of doped p-type GaN is grown to a thickness of 700 angstroms.
[0087]
After completion of the reaction, the temperature is lowered to room temperature, and the wafer is annealed in a reaction vessel at 700 ° C. in a nitrogen atmosphere to further reduce the resistance of the p-type layer. Further, after annealing, the wafer is taken out from the reaction vessel, a mask having a predetermined shape is formed on the surface of the uppermost p-type contact layer 209, and etching is performed from the p-type contact layer side with an RIE (reactive ion etching) apparatus. As shown in FIG. 5, the surface of the n-type contact layer 204 is exposed.
[0088]
After etching, almost the entire surface of the p-type contact layer 209 as the uppermost layer has a light-transmitting p-side electrode 210 containing Ni and Au having a thickness of 200 angstroms and the surface of the n-type contact layer 204 exposed by etching. An n-side electrode 211 containing W and Al was formed to obtain an LED element.
[0089]
This LED element emitted blue light of 470 nm at a forward voltage of 20 mA, and the drive voltage was 3.0V. Moreover, the surface form of the intermediate layer 12 at the time of raising the temperature to the growth temperature of the barrier layer was FIG.
[0090]
[Comparative Example 2]
In order to make a comparison with Example 8, an LED element was produced in the following manner as an active layer.
(Active layer)
Using TMG, TMI, ammonia, silane gas, Si is 5 × 10 at 1050 ° C.¹⁷/ Cm^ThreeDoped In_0.1Ga_0.9A barrier layer made of N is grown to a thickness of 200 angstroms, followed by a temperature of 820 ° C., using TMG, TMI, and ammonia._0.3Ga_0.7A well layer made of N is grown to a thickness of 30 Å. Further, the barrier layer and the well layer are repeatedly stacked four times, and finally the barrier layer is formed to grow an active layer composed of multiple quantum wells (MQW) having a total film thickness of 1350 angstroms.
Except for the above, the same production as in Example 8, the emission peak was broad and the drive voltage was 3.8V.
[0091]
[Comparative Example 3]
In order to make a comparison with Example 8, an LED element was produced in the following manner as an active layer.
(Active layer)
Using TMG, TMI, ammonia, silane gas, Si is 5 × 10 at 1050 ° C.¹⁷/ Cm^ThreeDoped In_0.1Ga_0.9A barrier layer made of N is grown to a thickness of 200 angstroms, followed by a temperature of 820 ° C., using TMG, TMI, and ammonia._0.3Ga_0.7A well layer made of N is grown to a thickness of 30 Å. In addition, an undoped In with band gap energy between the barrier layer and the well layer_0.15Ga_0.85An intermediate layer made of N is grown to a thickness of 10 angstroms. The three-layer structure of the barrier layer, the well layer, and the intermediate layer is further repeated four times, and finally the barrier layer is formed to grow an active layer composed of multiple quantum wells (MQW) having a total thickness of 1400 angstroms. . As described above, except that the band gap energy of the intermediate layer was smaller than that of the barrier layer and larger than that of the well layer, it was fabricated in the same manner as in Example 8. As a result, the driving voltage was 4.0 V without decreasing.
[0092]
[Example 9]
In Example 8, the intermediate layer 12 of the active layer 207 is made of Al._0.45Ga_0.55An LED element was produced in the same manner except that N was used.
This LED element emitted blue light of 470 nm at a forward voltage of 20 mA, and the drive voltage was 3.0V. Moreover, the surface form of the intermediate layer 12 at the time of raising the temperature to the growth temperature of the barrier layer was FIG.
[0093]
[Example 10]
In Example 8, the intermediate layer 12 of the active layer 207 is made of Al._0.60Ga_0.40An LED element was produced in the same manner except that N was used.
This LED element emitted blue light of 470 nm at a forward voltage of 20 mA, and the drive voltage was 2.8V. Moreover, the surface form of the intermediate layer 12 at the time of raising the temperature to the growth temperature of the barrier layer was FIG.
[0094]
[Example 11]
In Example 8, the intermediate layer 12 of the active layer 207 is made of Al._0.15Ga_0.85An LED element was produced in the same manner except that N was used.
This LED element emitted blue light of 470 nm at a forward voltage of 20 mA, and the driving voltage was 3.6V. Moreover, the surface form of the intermediate layer 12 at the time of raising the temperature to the growth temperature of the barrier layer was FIG.
[0095]
[Example 12]
In Example 8, the active layer 207 was as follows.
(Active layer 207)
Using TMG, TMI, ammonia, silane gas, Si is 5 × 10 at 1050 ° C.¹⁷/ Cm^ThreeDoped In_0.1Ga_0.9A barrier layer 13 made of N is grown to a thickness of 200 angstroms, followed by a temperature of 820 ° C., using TMG, TMI, and ammonia._0.8Ga_0.2A well layer 11 made of N is grown to a thickness of 30 Å. In addition, using TMG, TMA, ammonia, undoped Al_0.3Ga_0.7An intermediate layer 12 made of N is grown to a thickness of 10 angstroms. The barrier layer 13, the well layer 11, and the intermediate layer 12 are further repeated four times, and finally the barrier layer 13 is formed to form an active layer composed of multiple quantum wells (MQW) having a total thickness of 1400 angstroms. Layer 207 is grown.
As described above, an LED device was manufactured in the same manner as in Example 8 except that the In mixed crystal ratio of the well layer 11 was set to 0.8. As a result, a yellow light emission of 570 nm was exhibited at a forward voltage of 20 mA, and the drive voltage was Was 2.9 V, which was a significant decrease compared to the driving voltage of 3.7 V when the intermediate layer 12 was not formed under the same conditions.
[0096]
【The invention's effect】
As described above, an intermediate layer having a band gap energy larger than that of the barrier layer is formed on the well layer between the well layer of the active layer having the well layer made of the nitride semiconductor including the quantum well and including the nitride semiconductor. As a result, the luminous efficiency could be improved. In particular, the threshold voltage can be significantly reduced in a nitride semiconductor laser element using a multiple quantum well structure, and the driving voltage can be significantly reduced not only in a laser element but also in an LED element. In addition, they have a great feature in the surface form of the intermediate layer when the temperature is raised to the growth temperature of the barrier layer after growing the intermediate layer, and when the Al mixed crystal ratio of the intermediate layer is set to Z ≧ 0.30 It turned out that a big effect appears in the.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing a structure in the vicinity of an active layer composed of a single quantum well in the present invention.
FIG. 2 is a cross-sectional view schematically showing a structure in the vicinity of an active layer composed of multiple quantum wells in the present invention.
FIG. 3 is a diagram showing a correlation of energy levels in the vicinity of an active layer in the present invention.
FIG. 4 is a schematic cross-sectional view showing the structure of a nitride semiconductor laser device according to an embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a schematic cross-sectional view showing the structure of a nitride semiconductor LED device according to another embodiment of the present invention.
FIG. 6 is an AFM image showing the surface form of the intermediate layer seen in the manufacturing process of one embodiment of the present invention.
FIG. 7 is an AFM image showing a surface form of an intermediate layer seen in another manufacturing process of the present invention.
FIG. 8 is an AFM image showing a surface form of an intermediate layer seen in another manufacturing process of the present invention.
FIG. 9 is an AFM image showing a surface form of an intermediate layer seen in another manufacturing process of the present invention.
FIG. 10 is a graph showing a relationship between an Al mixed crystal ratio Z and a driving voltage.
[Brief description of symbols]
11 ... well layer,
12 ... intermediate layer,
13 ... barrier layer,
101 ... GaN substrate (or sapphire substrate),
102: Buffer layer,
103 ... n-type contact layer,
104 ... n-type cladding layer,
105 ... n-type light guide layer,
106 ... active layer,
107 ... p-side cap layer,
108... P-type light guide layer,
109 ... p-type cladding layer,
110... P-type contact layer,
120... P-side ohmic electrode,
121... P-side pad electrode,
122... N-side ohmic electrode,
123 ... n-side pad electrode,
130: Insulating film,
201 ... GaN substrate (or sapphire substrate),
202 ... buffer layer,
203 ... undoped GaN layer,
204... N-type contact layer,
205... N-type first multilayer film layer,
206 ... n-type second multilayer layer,
207... Active layer,
208 ... p-type multilayer film layer,
209... P-type contact layer,
210 ... p-side electrode,
211... N-side electrode.

Claims (11)

ｎ型窒化物半導体層とｐ型窒化物半導体層の間の前記ｎ型窒化物半導体層上にインジウムを含む窒化物半導体からなる井戸層と障壁層とを有する多重量子井戸構造の活性層を備えた窒化物半導体発光素子において、
前記活性層の前記井戸層と障壁層の間に、前記障壁層よりバンドギャップエネルギーが大きい少なくとも１つのＡｌ_ＺＧａ_１−ＺＮ（０≦Ｚ≦１）からなる中間層を有し、かつ該中間層が前記井戸層の上に成長されており、
前記中間層は前記障壁層よりも膜厚が薄いことを特徴とする窒化物半導体発光素子。An active layer having a multiple quantum well structure having a well layer made of a nitride semiconductor containing indium and a barrier layer on the n-type nitride semiconductor layer between the n-type nitride semiconductor layer and the p-type nitride semiconductor layer. In the nitride semiconductor light emitting device,
Between the well layer and the barrier layer of the active layer, an intermediate layer consisting of said at least one band gap energy larger than the barrier layer _{Al Z Ga 1-Z N (} 0 ≦ Z ≦ 1), and wherein An intermediate layer is grown on the well layer;
The nitride semiconductor light emitting device, wherein the intermediate layer is thinner than the barrier layer. 前記活性層において、すべての井戸層上にそれぞれ中間層が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の窒化物半導体発光素子。  2. The nitride semiconductor light emitting device according to claim 1, wherein an intermediate layer is formed on all of the well layers in the active layer. 前記障壁層の膜厚は、１０オングストローム以上４００オングストローム以下である請求項１または２に記載の窒化物半導体発光素子。  3. The nitride semiconductor light emitting device according to claim 1, wherein a film thickness of the barrier layer is not less than 10 angstroms and not more than 400 angstroms. 前記中間層の膜厚は、一原子層以上１００オングストローム以下である請求項１乃至３のうちのいずれか１つに記載の窒化物半導体発光素子。  4. The nitride semiconductor light emitting device according to claim 1, wherein the intermediate layer has a thickness of not less than one atomic layer and not more than 100 Å. 5. 前記障壁層は、ＩｎＧａＮからなる請求項１乃至４のうちのいずれか１つに記載の窒化物半導体発光素子。  The nitride semiconductor light emitting element according to claim 1, wherein the barrier layer is made of InGaN. 前記中間層は、前記井戸層に接している請求項１乃至５のいずれか１つに記載の窒化物半導体発光素子。The intermediate layer is a nitride semiconductor light emitting device according to any one of claims 1 to 5 in contact with the well layer. Ａｌ_ｂＧａ_１−ｂＮ（０≦ｂ≦１）からなるｎ型クラッド層とＡｌ_ＣＧａ_１−ＣＮ（０≦Ｃ≦１）からなるｐ型クラッド層の間の前記ｎ型クラッド層上にインジウムを含む窒化物半導体からなる井戸層を有する活性層を備えた窒化物半導体発光素子において、
前記活性層は１つの井戸層と障壁層とを備えた単一量子井戸構造であって、前記井戸層と前記障壁層の間に該障壁層よりバンドギャップエネルギーの大きい少なくとも１つのＡｌ_ＺＧａ_１−ＺＮ（０≦Ｚ≦１）からなる中間層を有し、かつ該中間層が前記井戸層の上に成長されており、
前記中間層は前記障壁層よりも膜厚が薄いことを特徴とする窒化物半導体発光素子。 _{Al b Ga 1-b N (} 0 ≦ b ≦ 1) consisting of n-type cladding layer and the _{Al C Ga 1-C N (} 0 ≦ C ≦ 1) p -type cladding layer and the n-type cladding layer between consisting In a nitride semiconductor light emitting device comprising an active layer having a well layer made of a nitride semiconductor containing indium in
The active layer has a single quantum well structure including one well layer and a barrier layer, and at least one Al _Z Ga ₁ having a larger band gap energy than the barrier layer between the well layer and the barrier layer. _An intermediate layer composed of _-ZN ( _0≤Z≤1 ), and the intermediate layer is grown on the well layer;
The nitride semiconductor light emitting device, wherein the intermediate layer is thinner than the barrier layer. 前記障壁層の膜厚は、１０オングストローム以上４００オングストローム以下である請求項７に記載の窒化物半導体発光素子。  The nitride semiconductor light emitting device according to claim 7, wherein the barrier layer has a thickness of 10 Å or more and 400 Å or less. 前記中間層の膜厚は、一原子層以上１００オングストローム以下である請求項７または８に記載の窒化物半導体発光素子。  9. The nitride semiconductor light emitting device according to claim 7, wherein a thickness of the intermediate layer is not less than one atomic layer and not more than 100 Å. 前記障壁層は、ＩｎＧａＮからなる請求項７乃至９のいずれか１つに記載の窒化物半導体発光素子。  The nitride semiconductor light emitting element according to claim 7, wherein the barrier layer is made of InGaN. 前記中間層は、前記井戸層に接している請求項７乃至１０のいずれか１つに記載の窒化物半導体発光素子。The intermediate layer is a nitride semiconductor light emitting device according to any one of claims 7 to 10 in contact with the well layer.

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