JPH11195840A - 窒化物半導体発光素子 - Google Patents
窒化物半導体発光素子Info
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- JPH11195840A JPH11195840A JP61498A JP61498A JPH11195840A JP H11195840 A JPH11195840 A JP H11195840A JP 61498 A JP61498 A JP 61498A JP 61498 A JP61498 A JP 61498A JP H11195840 A JPH11195840 A JP H11195840A
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Abstract
の高いレーザ素子を得ることにあり、具体的には半導体
素子の熱伝導性を向上させ、かつクラッド層の光閉じ込
め効果を向上させることにより、発振閾値を低下させ
る。 【構成】 第1の主面と第2の主面とを有し、アンドー
プ若しくはn型不純物濃度が1×1017/cm3以下で、
膜厚10μm以上の窒化物半導体よりなる窒化物半導体
基板の第1の主面上に、その窒化物半導体基板よりもn
型不純物濃度が大きいn型窒化物半導体よりなるn側コ
ンタクト層と、Alを含む窒化物半導体層を含む超格子
構造よりなるn側クラッド層を有し、さらにそのn側ク
ラッド層の上に、活性層と、p型窒化物半導体よりなる
p側コンタクト層とを少なくとも有しており、前記n側
コンタクト層と、前記p側コンタクト層とにはそれぞれ
電極が設けられて、それらの電極が第1の主面側にあ
る。
Description
オード)、LD(レーザダイオード)、SLD(スーパ
ールミネッセントダイオード)等に使用される窒化物半
導体(InaAlbGa1-a-bN、0≦a、0≦b、a+b≦
1)発光素子に関する。
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(ICNS'97 予稿集,October 27-31,1997,P444-446、
及びJpn.J.Appl.Phys.Vol.36(1997)pp.L1568-1571、Pa
rt2,No.12A,1 December 1997)。基本的な構造としては
サファイア基板上に、部分的に形成されたSiO2膜を
介して選択成長されたn−GaNよりなる窒化物半導体
基板の上に、レーザ素子構造となる窒化物半導体層が複
数積層されてなる。(詳細はJpn.J.Appl.Phys.Vol.36参
照)
ーザ素子では基板にサファイアを有しているため、熱伝
導性が良くないと言う問題がある。熱伝導性が悪いとレ
ーザ素子の寿命を短くする。またサファイアは窒化物半
導体よりも屈折率が小さいため、n側クラッド層から漏
れたレーザ光がサファイアとn側クラッド層との間にあ
るn型GaNからなるコンタクト層内で導波してしま
う。そのGaN層中で導波した光は、活性層端面から出
射されるレーザ光と重なり合いファーフィールドパター
ン(FFP)の形状を乱し、例えば出射されるレーザ光
のスポットが複数となって現れ、マルチモードとなって
観測される。マルチモードのレーザ素子はピックアップ
用光源として使用するには非常に使いにくい。また、ク
ラッド層の光閉じ込めが不十分であると、レーザ素子の
発振閾値を上昇させる。閾値が上昇すると当然、レーザ
素子の寿命が短くなる。
してレーザ素子の寿命を長くして信頼性の高いレーザ素
子を得ることにあり、具体的には半導体素子の熱伝導性
を向上させ、かつクラッド層の光閉じ込め効果を向上さ
せることにより、発振閾値を低下させることにある。な
お、以下の説明ではレーザ素子を例にとって説明する
が、本発明はレーザ素子だけでなくLED、SLD等、
他の窒化物半導体発光素子にも適用できる。
子は、第1の主面と第2の主面とを有し、アンドープ若
しくはn型不純物濃度が1×1017/cm3以下で、膜厚
10μm以上の窒化物半導体よりなる窒化物半導体基板
の第1の主面上に、その窒化物半導体基板よりもn型不
純物濃度が大きいn型窒化物半導体よりなるn側コンタ
クト層と、Alを含む窒化物半導体層を含む超格子構造
よりなるn側クラッド層を有し、さらにそのn側クラッ
ド層の上に、活性層と、p型窒化物半導体よりなるp側
コンタクト層とを少なくとも有しており、前記n側コン
タクト層と、前記p側コンタクト層とにはそれぞれ電極
が設けられて、それらの電極が第1の主面側にあること
を特徴とする。なお、本発明において窒化物半導体基
板、n側コンタクト層、n側クラッド層、活性層、p側
コンタクト層等は必ずしもそれぞれの層が接して積層さ
れていなくても良く、例えば他の窒化物半導体よりなる
クラック防止層、光ガイド層、p側クラッド層等が間に
形成されていても、本発明の範囲内であることは言うま
でもない。
格子よりなるn側クラッド層は全体の厚さが0.5μm
以上で、かつそのn側クラッド層に含まれる3族元素に
対するAl平均組成を百分率で表した際に、n側クラッ
ド層全体の厚さ(μm)と、Al平均組成(%)との積
が4.4以上となるように構成されていることを特徴と
する。
記n側クラッド層の全体の厚さを0.8μm以上とし、
前記n側クラッド層に含まれる3族元素に対するAl平
均組成を5.5%以上とする。
厚さを1.0μm以上とし、前記n側クラッド層に含ま
れる3族元素に対するAl平均組成を5.0%以上とす
ることを特徴とする。
全体の厚さを1.2μm以上とし、前記n側クラッド層
に含まれる3族元素に対するAl平均組成を4.5%以
上とすることを特徴とする。
物半導体基板は、例えば、次の方法により得られる。そ
れは窒化物半導体と異なる材料よりなる異種基板の上に
成長された第1の窒化物半導体層の上に、窒化物半導体
が表面に成長しにくい性質を有する保護膜を選択的(例
えばストライプ状)に形成し、その保護膜の窓部(保護
膜が形成されていない場所)から第2の窒化物半導体層
を選択成長させて、その第2の窒化物半導体層が保護膜
の上を覆うようになるまで成長させる技術(epitaxicia
l lateral over glowth:ELOGと呼ばれる。)である。こ
の技術によると、異種基板の上に成長される第1の窒化
物半導体層は、異種基板との格子定数のミスマッチから
結晶欠陥が多くなるが、保護膜上に成長される第2の窒
化物半導体層は、保護膜上部で第2の窒化物半導体層が
横方向に成長されたものであるため、結晶欠陥が第1の
窒化物半導体層に比較して、非常に少なくなり、本発明
の発光素子の窒化物半導体基板として使用できるものと
なる。この窒化物半導体基板の表面に現れる結晶欠陥の
数は1×108個/cm2以下となる。
意図的にドープしない状態)若しくはn型不純物濃度を
1×1017/cm3以下に調整する必要がある。最も好ま
しくはアンドープとする。なぜならn型不純物をドープ
してキャリア濃度を調整しようとすると、窒化物半導体
基板の結晶性が悪くなって結晶欠陥が増えやすい傾向に
あるからである。結晶欠陥の多い窒化物半導体基板の上
に素子構造となる窒化物半導体を成長しても、その結晶
欠陥が転位して信頼性の良い発光素子を得ることは難し
い傾向にある。窒化物半導体としてはX値が0.1以下
のAlXGa1-XN(0≦X≦0.1)、最も好ましくは
In、Alを実質的に含まないGaNを成長させること
が最も結晶欠陥の少ない基板が得られる。
0μm以上に調整する必要がある。10μmよりも薄い
と、その上にコンタクト層、クラッド層等を積層した際
に基板自体が割れやすい傾向にある。また発光デバイス
を作製する工程において、途中でウェーハが割れやすく
なりデバイス作製が困難となる。さらに、上記のような
窒化物半導体基板の作製方法を適用した場合、窒化物半
導体基板単独にするためには、後で異種基板、保護膜、
第1の窒化物半導体層を研磨、エッチング等の技術によ
り除去する必要がある。その際に異種基板と窒化物半導
体基板の熱膨張係数の差により、除去途中で窒化物半導
体基板が割れてしまう。それを避けるためにも窒化物半
導体基板の厚さは10μm以上、さらに好ましくは50
μm以上、最も好ましくは80μm以上にする。但し、
厚すぎると放熱効果が悪くなるので500μm以下にす
ることが望ましい。
側コンタクト層(接していなくても良い)はn電極を形
成する層であるため、n型不純物を窒化物半導体基板よ
りも多くする。具体的には5×1017/cm3以上、好ま
しくは1×1018/cm3以上、最も好ましくは5×10
18/cm3以上に調整する。上限についてはコンタクト層
の結晶性を考慮して、1×1021/cm3以下に調整する
ことが望ましい。なお窒化物半導体基板とn側コンタク
ト層との間に、バッファ層として他の窒化物半導体層を
介在させることもできる。
は、屈折率が活性層の井戸層よりも小さい窒化物半導体
を含む光閉じ込め層、あるいはバンドギャップエネルギ
ーが大きい活性層の井戸層よりも大きいキャリア閉じ込
め層である。また超格子とは例えば単一層の膜厚が10
0オングストローム以下で、互いに組成が異なる窒化物
半導体層を積層した多層膜構造を指し、好ましくは70
オングストローム以下、さらに好ましくは40オングス
トローム以下の膜厚の窒化物半導体層を積層する。n側
クラッド層の具体的な構成としては、例えばAlXGa
1-XN(0<X<1)層と、そのAlXGa1-XN層と組成
が異なる他の窒化物半導体層とを積層した超格子とし、
例えばAlXGa1-XN/GaN、AlXGa1-XN/Al
YGa1-YN(0<Y<1、Y<X)、AlXGa1-XN/I
nZGa1-ZN(0<Z<1)等の3元混晶と3元混晶、
若しくは3元混晶と2元混晶との組み合わせで超格子と
することができる。その中でも最も好ましくはAlXG
a1-XNとGaNとからなる超格子とすると、同一温度
で結晶性の良い窒化物半導体層が積層できるため望まし
い。
n側クラッド層全体の厚さが0.5μm以上で、かつそ
のn側クラッド層に含まれる3族元素に対するAl平均
組成を百分率で表した際に、n側クラッド層全体の厚さ
(μm)と、Al平均組成(%)との積が4.4以上と
なるように構成する。本発明の発光素子ではn側クラッ
ド層よりも屈折率の大きい窒化物半導体、特にGaNを
基板としている。GaNを基板とすることにより、窒化
物半導体素子の放熱を高めることができるが、クラッド
層よりも屈折率が大きいという欠点がある。そのため例
えばレーザ素子ではn側クラッド層から光がしみ出し、
GaN基板で導波することにより、効率を低下させて閾
値が上昇する要因となる。そのために、本発明ではn側
クラッド層の光閉じ込め効果を、AlGaNを含む超格
子で高めている。しかも超格子を構成するAlGaNの
単一膜厚は70オングストローム以下と薄いために、A
l混晶比の大きい層を形成することができ、実質的なク
ラッド層の屈折率を小さくすることができる。n側クラ
ッド層の厚さが0.5μmよりも薄く、かつそのn側ク
ラッド層全体の厚さ(μm)とAl平均組成(%)との
積が4.4よりも少ないと、n側クラッド層としての光
閉じ込めが不十分となり、n側のコンタクト層で導波し
て、FFPが乱れ、閾値も上昇する傾向にある。好まし
い積の値としては5.0以上、さらに好ましくは5.4
以上にする。ベストモードとしては7以上に調整する。
l混晶比を大きくしてもクラッド層にクラックが入りに
くくなる。従ってn側クラッド層全体の膜厚の上限は特
に限定しないが、5μm以内の膜厚に調整することが、
超格子を構成する窒化物半導体層の積層回数を減らす上
で望ましい。但し前にも述べたようにp側のクラッド層
は、膜厚を厚くするか、あるいはAl平均組成を大きく
すると抵抗が高くなる傾向にあるので、膜厚としては2
μm、好ましくは1.5μm以下、Al平均組成として
は50%以下が望ましい。
厚さを0.8μm以上とし、前記n側クラッド層に含ま
れる3族元素に対するAl平均組成を5.5%以上とす
る。この場合の積は4.4以上となる。好ましくはn側
クラッド層の全体の厚さを1.0μm以上とし、そのn
側クラッド層に含まれるAl平均組成を5.0%以上と
する。この場合の積は5.0以上である。さらに好まし
くは、n側クラッド層の全体の厚さを1.2μm以上と
し、そのn側クラッド層に含まれるAl平均組成を4.
5%以上とする。この場合の積は5.4以上である。こ
れはn側クラッド層の膜厚の関係と、超格子よりなるn
側クラッド層のAl平均組成の関係を具体的に示すもの
である。AlXGa1-XNはAl混晶比を大きくするに従
い、バンドギャップエネルギーが大きくなり、屈折率も
小さくなることが知られている。理想的にはAl混晶比
Xの大きい、例えば0.5以上のAlXGa1-XN層を、
単一層で例えば数μmの膜厚で成長させることができれ
ば、工業的にも都合がよいのであるが、AlXGa1-XN
は厚膜で成長させにくい。単一層で特にAl混晶比が
0.5以上のAlXGa1-XNを成長させようとすると、
例えば0.1μm以上で結晶中にクラックが入ってしま
う。
超格子を構成するような薄膜とすると、単一膜厚がAl
XGa1-XNの臨界限界膜厚以下となるので、クラックが
入りにくい。そのためクラッド層を超格子とするとAl
混晶比の高い層でも厚膜で成長できるようになり、本発
明のように特定のAl混晶比とクラッド層の膜厚との関
係を見出すことができ、それらを組み合わせることによ
り、光をn側のクラッド層から基板側に漏れないように
することができる。
成は、以下のような算出方法で求めるものとする。例え
ば25オングストロームのAl0.5Ga0.5Nと、25オ
ングストームのGaNとを200ペア(1.0μm)積
層した超格子の場合、1ペアが50オングストローム、
Alを含む層の3族元素に対するAl混晶比が0.5で
あるため、0.5・(25μm/50μm)=0.25
となり、超格子全体の3族元素におけるAl平均組成は
25%である。一方、膜厚が異なる場合、Al 0.5Ga
0.5Nを40オングストロームと、GaNを20オング
ストロームとで積層した場合、膜厚の加重平均を行い、
0.5(40/60)=0.333となり、Al平均組
成は33.3%とする。即ち、Alを含む単一窒化物半
導体層の3族元素に対するAl混晶比を、その窒化物半
導体層が超格子1ペアの膜厚に占める割合に乗じたもの
を本発明における超格子のAl平均組成とする。またA
lを両方含む場合も同様であり、例えばAl0.1Ga0.9
N20オングストローム、Al0.2Ga0.8N30オング
ストロームの場合も、0.1(20/50)+0.2
(30/50)=0.16、即ち16%をAl平均組成
とする。なお以上の例はAlGaN/GaN、AlGa
N/AlGaNについて説明したが、AlGaN/In
GaNについても同じ算出方法を適用するものとする。
従って、n側クラッド層を成長させる場合には、以上の
算出方法に基づいて成長方法を設計できる。また、n側
クラッド層のAl平均組成は、SIMS(二次イオン質
量分析装置)、オージェ等の分析装置を用いても検出で
きる。
クラッド層を上記構成とするならば、p側クラッド層を
n側クラッド層と同じ構成とすることも可能である。但
し、p側クラッド層を上記のような構成とする場合、p
側クラッド層の膜厚をn側クラッド層よりも薄くするこ
とが望ましい。なぜなら、p側クラッド層の3族元素に
対するAl平均組成を大きくするか、若しくは膜厚を厚
くすると、AlGaN層の抵抗値が大きくなる傾向にあ
り、AlGaNの抵抗値が大きくなると、閾値が高くな
る傾向にあるからである。そのため、そのためp側クラ
ッド層をAlを含む窒化物半導体層を含む超格子で構成
し、膜厚とAl平均組成との積を4.4以上としても、
その厚さは2.0μmよりも薄くすることが望ましい。
低抵抗なp側クラッド層を作製するため、好ましい膜厚
は1.5μm以下、さらに好ましくは1.0μm以下で
ある。下限については特に限定しないが、キャリア閉じ
込めとしてのクラッド層として作用させるためには、5
0オングストーム以上の膜厚があることが望ましい。超
格子とした場合も、Al平均組成としては50%以下が
望ましい。なおレーザ素子を作製した場合、p側クラッ
ド層に関してはリッジ形状としてその上に電極を設ける
ので、その電極が光を吸収してしまうため、クラッド層
からの光の漏れがあってもほとんど無視できる。
に電極を設けず、基板の上に形成したn型不純物を含む
n側コンタクト層に電極を形成している。これは基板を
アンドープとして結晶性の良い基板を得る他に、結晶欠
陥が活性層に伝搬しないようにする作用もある。例え
ば、窒化物半導体基板の裏面側にn電極を設け、p電極
とn電極とが対向した形状、例えばGaAsを基板とす
る赤外レーザのような形状とすることもできるが、本発
明ではそのような構造を採用せずに、窒化物半導体とい
う導電性基板があるにも関わらず、同一面側にp電極と
n電極とがある構造としている。このように構成するこ
とにより、電流が横方向に流れるため、劣化の激しい青
色半導体レーザおいて、基板のわずかな結晶欠陥が活性
層に伝搬しにくくなるため、寿命が飛躍的に向上する。
レーザ素子の形状を示す模式的な断面図でありリッジス
トライプに垂直な方向で切断した際の図を示すものであ
る。以下、この図を基に実施例1について説明する。
サファイアよりなる異種基板をMOVPE反応容器内に
セットし、温度を500℃にして、トリメチルガリウム
(TMG)、アンモニア(NH3)を用い、GaNより
なるバッファ層を200オングストロームの膜厚で成長
させる。バッファ層成長後、温度を1050℃にして、
同じくGaNよりなる下地層を4μmの膜厚で成長させ
る。この下地層は保護膜を部分的に表面に形成して、次
に窒化物半導体基板の選択成長を行うための下地層とし
て作用する。下地層の膜厚はバッファ層よりも厚い膜厚
で成長させて、10μm以下の膜厚に調整することが望
ましい。基板はサファイアの他、SiC、ZnO、スピ
ネル、GaAs等、窒化物半導体を成長させるために知
られている、窒化物半導体と異なる材料よりなる基板を
用いることができる。なおこの下地層は結晶欠陥が例え
ば109個/cm2以上と多く、窒化物半導体基板とはなら
ない。
容器から取り出し、この下地層の表面に、ストライプ状
のフォトマスクを形成し、CVD装置によりストライプ
幅10μm、ストライプ間隔(窓部)2μmのSiO2
よりなる保護膜を1μmの膜厚で形成する。保護膜の形
状としてはストライプ状、ドット状、碁盤目状等どのよ
うな形状でも良いが、窓部よりも保護膜の面積を大きく
する方が、次に成長させる結晶欠陥の少ない窒化物半導
体基板が得られる。保護膜の材料としては、例えば酸化
ケイ素(SiOX)、窒化ケイ素(SiXNY)、酸化チ
タン(TiOX)、酸化ジルコニウム(ZrOX)等の酸
化物、窒化物、またこれらの多層膜の他、1200℃以
上の融点を有する金属等を用いることができる。これら
の保護膜材料は、窒化物半導体の成長温度600℃〜1
100℃の温度にも耐え、その表面に窒化物半導体が成
長しないか、若しくは成長しにくい性質を有している。
ェーハを再度MOVPEの反応容器内にセットし、温度
を1050℃にして、TMG、アンモニアを用い、アン
ドープGaNよりなる窒化物半導体基板1を120μm
の膜厚で成長させる。成長後の窒化物半導体基板1の表
面は、保護膜のストライプ中央部と、窓部のストライプ
中央部にはストライプ状の保護膜と平行に結晶欠陥が表
出していたが、後にレーザ素子のリッジ形成時に、リッ
ジストライプがこの結晶欠陥に係らないようにすること
により、活性層に結晶欠陥が転位せず、素子の信頼性が
向上する。窒化物半導体基板1はハライド気相成長法
(HVPE)を用いて成長させることができるが、この
ようにMOVPE法により成長させることもできる。成
長時のガスとしては、TMGの他、トリエチルガリウム
(TEG)等の有機ガリウム化合物を用い、窒素源はア
ンモニア、若しくはヒドラジンを用いることが最も望ま
しい。
容器から取り出し、サファイア基板、下地層及び保護膜
を研磨除去し、膜厚80μmの窒化物半導体基板1を得
る。そして、この窒化物半導体基板を窒素雰囲気中、1
000℃でアニーリングしてさらに結晶欠陥を少なくす
る。このように、次の窒化物半導体層(例えばn側コン
タクト層)を成長させる前にウェーハから異種基板を除
去することにより、異種基板から派生する応力歪みを無
くすることができるために、窒化物半導体基板の第1の
主面上に成長させる素子構造となる窒化物半導体層を均
一膜厚で成長させ、また結晶性の良い半導体層を積層で
きる。
とTMG、不純物ガスとしてシランガスを用い、窒化物
半導体基板1の上に、1050℃でSiを3×1018/
cm3ドープしたGaNよりなるn側コンタクト層2を4
μmの膜厚で成長させる。このn側コンタクト層は、後
に異種基板〜保護膜を除去して、n電極を設ける際の電
極形成層となる。
I(トリメチルインジウム)、アンモニアを用い、温度
を800℃にしてIn0.06Ga0.94Nよりなるクラック
防止層3を0.15μmの膜厚で成長させる。なお、こ
のクラック防止層は省略可能である。
1050℃でTMA、TMG、アンモニアを用い、アン
ドープAl0. 16Ga0.84N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4を
成長させる。この超格子よりなるn側クラッド層はIII
族元素に対するAl平均組成が8.0%であるので、そ
の膜厚との積は9.6となる。なおn側クラッド層に、
バンドギャップエネルギーが異なる窒化物半導体を積層
した超格子を作製した場合、不純物はいずれか一方の層
に多くドープして、いわゆる変調ドープを行うと結晶性
が良くなる傾向にあるが、両方に同じようにドープして
も良い。
を止め、1050℃でアンドープGaNよりなるn側光
ガイド層5を0.1μmの膜厚で成長させる。このn側
光ガイド層は、活性層の光ガイド層として作用し、Ga
N、InGaNを成長させることが望ましく、通常10
0オングストローム〜5μm、さらに好ましくは200
オングストローム〜1μmの膜厚で成長させることが望
ましい。またこのn側光ガイド層5にn型不純物をドー
プしても良い。
モニアを用い活性層6を成長させる。活性層は温度を8
00℃に保持して、アンドープIn0.2Ga0.8Nよりな
る井戸層を40オングストロームの膜厚で成長させる。
次にTMIのモル比を変化させるのみで同一温度で、ア
ンドープIn0.01Ga0.95N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。井戸層と障壁層と
を順に積層し、最後に障壁層で終わり、総膜厚440オ
ングストロームの多重量子井戸構造(MQW)の活性層
を成長させる。活性層は本実施例のようにアンドープで
もよいし、またn型不純物及び/又はp型不純物をドー
プしても良い。不純物は井戸層、障壁層両方にドープし
ても良く、いずれか一方にドープしてもよい。
0℃に上げ、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、p側光
ガイド層5よりもバンドギャップエネルギーが大きい、
Mgを1×1020/cm3ドープしたp型Al0.3Ga 0.7
Nよりなるp側キャップ層7を300オングストローム
の膜厚で成長させる。このp型キャップ層は0.1μm
以下の膜厚で形成することにより素子の出力が向上する
傾向にある。膜厚の下限は特に限定しないが、10オン
グストローム以上の膜厚で形成することが望ましい。
TMAを止め、1050℃で、バンドギャップエネルギ
ーがp側キャップ層7よりも小さい、アンドープGaN
よりなるp側光ガイド層8を0.1μmの膜厚で成長さ
せる。この層は、活性層の光ガイド層として作用し、n
型光ガイド層5と同じくGaN、InGaNで成長させ
ることが望ましい。
でアンドープAl0.16Ga0.84N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Cp2Mg、T
MAを止め、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9を成長させる。このp側
クラッド層もAl平均組成が8.0%であるので、膜厚
との積は4.8となる。なお、p側クラッド層も少なく
とも一方がAlを含む窒化物半導体層を含み、互いにバ
ンドギャップエネルギーが異なる窒化物半導体層を積層
した超格子で作製した場合、不純物はいずれか一方の層
に多くドープして、いわゆる変調ドープを行うと結晶性
が良くなる傾向にあるが、両方に同じようにドープして
も良い。
(導波部分)の膜厚について述べる。コア部分とは、n
側光ガイド層5、活性層6、p側キャップ層7、及びp
側光ガイド層8を合わせた領域、即ちn側クラッド層
と、p側クラッド層との間にある活性層を含む窒化物半
導体層を指し、活性層の発光を導波する領域である。窒
化物半導体レーザ素子の場合、FFPが単一ビームとな
らないのは、先にも述べたように、クラッド層から漏れ
た発光がn側のコンタクト層内で導波してマルチモード
になるからである。その他、コア内で共振することによ
ってマルチモードになる場合がある。本発明の好ましい
態様では、n側のクラッド層の膜厚を厚くして、Al平
均組成を大きくすることにより、屈折率差を設け、コア
内の光をクラッド層で閉じ込めるものである。しかし、
コア内でマルチモードができると、FFPは乱れる。そ
のため、コア部分と、n側クラッド層との関係におい
て、コア内でマルチモードにならないようにするため
に、このコア部分の厚さも調整する方が望ましい。コア
部分にマルチモードが発生しないようにするための好ま
しい厚さとしては、200オングストローム以上、1.
0μm以下、さらに望ましくは500オングストローム
〜0.8μm、最も望ましくは0.1μm〜0.5μm
の範囲に調整することが望ましい。200オングストロ
ームよりも薄いと、コア部分から光が漏れだし、閾値が
上昇する傾向にある。また1.0μmよりも厚いとマル
チモードになりやすい傾向にある。
0℃で、p側クラッド層9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1
0を150オングストロームの膜厚で成長させる。p側
コンタクト層はp型のInXAlYGa1-X-YN(0≦X、
0≦Y、X+Y≦1)で構成することができ、好ましくは
MgをドープしたGaNとすれば、p電極20と最も好
ましいオーミック接触が得られる。
たウェーハを反応容器内において、窒素雰囲気中700
℃でアニーリングを行い、p型不純物をドープした層を
さらに低抵抗化させる。
取り出し、RIE(反応性イオンエッチング装置)によ
り、p側コンタクト層10と、p側クラッド層9とをエ
ッチングして、4μmのストライプ幅を有するリッジ形
状とする。リッジストライプを形成する場合、そのリッ
ジストライプは、窒化物半導体基板の表面に結晶欠陥が
現れていない位置に形成する。このような位置にする
と、結晶欠陥が活性層まで伸びてこなくなる傾向にある
ため、素子を長寿命として信頼性を向上させられる。
チングを行い、n側コンタクト層2の表面を露出させ
る。
面のほぼ全面にNiとAuよりなるp電極20を形成
し、一方、TiとAlよりなるn電極22を先ほど露出
させたn側コンタクト層2の表面にストライプ状に形成
した後、図1に示すようにp電極20と、n電極22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23を形成し、この絶縁膜23を介してp電極
20と電気的に接続したpパッド電極21を形成する。
成したウェーハのサファイア基板を研磨して70μmと
した後、ストライプ状の電極に垂直な方向で、基板側か
らバー状に劈開し、劈開面(11−00面)に共振器を
作製する。共振器面にSiO 2とTiO2よりなる誘電体
多層膜を形成し、最後にp電極に平行な方向で、バーを
切断してレーザ素子とする。
で、基板側からバー状に劈開し、劈開面に共振器を作製
する。共振器面にSiO2とTiO2よりなる誘電体多層
膜を形成し、最後にp電極に平行な方向で、バーを切断
して図1に示すようなレーザ素子とする。
面側をヒートシンクに設置し、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、室温において連続発振を示し、レーザ光のFFPは
単一で、その形状も楕円形で形の良いものが得られてい
た。また、レーザ素子の特性に関しても、我々がJpn.J.
Appl.Phys.Vol.36(1997)に発表したものに比較して、
閾値が10%以上低下し、寿命は50%以上向上した。
導体基板1を成長させる際に、Siを9×1016/cm3
ドープしたGaNを成長させる他は同様にしてレーザ素
子を作製したところ、窒化物半導体基板の結晶性が若干
悪くなったために、実施例1のレーザ素子に比較して閾
値が若干上昇し、寿命は10%程短くなった。
導体基板1を成長させる際にその膜厚を10μmとする
他は同様にして素子構造となる窒化物半導体層を積層し
たウェーハを得て、アニールした後、サファイア基板を
研磨せずに、サファイア基板をつけたまま実施例1と同
様にして、それぞれn電極とp電極とを形成する。
層、保護膜等を除去しようとすると、ウェーハが割れて
しまい、レーザ素子としての歩留まりは実施例1に比較
して非常に悪かったが、その中で得られたレーザ素子の
特性は実施例1のものとほぼ同等の特性を示した。
ッド層4を成長させる際に、アンドープAl0.20Ga
0.80N25オングストロームと、SiドープGaN25
オングストロとを積層し、総膜厚1.0μmの超格子を
成長させる他は同様にしてレーザ素子を作製した。なお
n側クラッド層はAl平均組成が10.0%であるの
で、その膜厚との積は10.0である。このレーザ素子
も実施例1とほぼ同等の特性を有していた。
ッド層4を成長させる際に、アンドープAl0.20Ga
0.80N25オングストロームと、Siドープn型GaN
25オングストロとを積層し、総膜厚0.7μmの超格
子を成長させる他は同様にしてレーザ素子を作製した。
n側クラッド層はAl平均組成が1.0%であるので、
その膜厚との積は7.0である。このレーザ素子も実施
例1とほぼ同等の特性を有していた。
ッド層4を成長させる際に、アンドープAl0.12Ga
0.88N25オングストロームと、SiドープGaN25
オングストロとを積層し、総膜厚0.8μmの超格子を
成長させる他は同様にしてレーザ素子を作製した。n側
クラッド層はAl平均組成が6.0%であるので、その
膜厚との積は4.8である。このレーザ素子はJpn.J.Ap
pl.Phys.Vol.36(1997)に発表したものに比較して、閾
値が5%以上低下し、寿命は20%以上向上した。
ッド層18を成長させる際に、n型Al0.07Ga 0.93N
層をSiドープとして25オングストロームと、GaN
層をアンドープとして25オングストロームとを、総膜
厚1.4μmで成長させる他は同様にして、レーザ素子
を作製した。n側クラッド層は、Al平均組成が3.5
%であるので、その膜厚との積は4.9である。このレ
ーザ素子は実施例6のものとほぼ同等の特性を示した。
ープ、若しくはn型不純物濃度が非常に少ない窒化物半
導体基板を有しているために、その上に成長させるn側
コンタクト層の結晶性も良くなる。さらに窒化物半導体
基板の裏面を支持体に接する側としているために熱伝導
性が良くなって、寿命が向上する。また、同一面側から
電極を取り出しているために、電流が窒化物半導体基板
を流れず、電流破壊による窒化物半導体基板のわずかな
結晶欠陥が活性層まで転位することが少ない。好ましく
は、n側クラッド層を請求項2のような構成とすること
により、クラッド層から漏れて、GaN基板で導波する
光が少なくなるため、発光効率が向上して閾値が低下す
る。さらにレーザ素子ではシングルモードの光が得られ
るため、書き込み、読みとり光源として非常にその産業
上の利用価値は大きい。また、本明細書ではレーザ素子
について説明したが、本発明はレーザ素子だけでなく、
LED素子、スーパールミネッセントダイオードのよう
な他の発光素子にも適用可能である。
示す斜視図。
Claims (5)
- 【請求項1】 第1の主面と第2の主面とを有し、アン
ドープ若しくはn型不純物濃度が1×1017/cm3以下
で、膜厚10μm以上の窒化物半導体よりなる窒化物半
導体基板の第1の主面上に、その窒化物半導体基板より
もn型不純物濃度が大きいn型窒化物半導体よりなるn
側コンタクト層と、Alを含む窒化物半導体層を含む超
格子構造よりなるn側クラッド層を有し、さらにそのn
側クラッド層の上に、活性層と、p型窒化物半導体より
なるp側コンタクト層とを少なくとも有しており、前記
n側コンタクト層と、前記p側コンタクト層とにはそれ
ぞれ電極が設けられて、それらの電極が第1の主面側に
あることを特徴とする窒化物半導体発光素子。 - 【請求項2】 前記n側クラッド層全体の厚さが0.5
μm以上で、かつそのn側クラッド層に含まれる3族元
素に対するAl平均組成を百分率で表した際に、n側ク
ラッド層全体の厚さ(μm)と、Al平均組成(%)と
の積が4.4以上となるように構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。 - 【請求項3】 前記n側クラッド層の全体の厚さが0.
8μm以上であり、前記n側クラッド層に含まれる3族
元素に対するAl平均組成が5.5%以上あることを特
徴とする請求項2に記載の窒化物半導体発光素子。 - 【請求項4】 前記n側クラッド層の全体の厚さが1.
0μm以上であり、前記n側クラッド層に含まれる3族
元素に対するAl平均組成が5.0%以上あることを特
徴とする請求項2に記載の窒化物半導体発光素子。 - 【請求項5】 前記n側クラッド層の全体の厚さが1.
2μm以上であり、前記n側クラッド層に含まれる3族
元素に対するAl平均組成が4.5%以上あることを特
徴とする請求項2に記載の窒化物半導体発光素子。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP61498A JPH11195840A (ja) | 1998-01-06 | 1998-01-06 | 窒化物半導体発光素子 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP61498A JPH11195840A (ja) | 1998-01-06 | 1998-01-06 | 窒化物半導体発光素子 |
Related Child Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2004096500A Division JP2004214698A (ja) | 2004-03-29 | 2004-03-29 | 窒化物半導体発光素子 |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH11195840A true JPH11195840A (ja) | 1999-07-21 |
Family
ID=11478621
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP61498A Pending JPH11195840A (ja) | 1998-01-06 | 1998-01-06 | 窒化物半導体発光素子 |
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Country | Link |
---|---|
JP (1) | JPH11195840A (ja) |
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2001196632A (ja) * | 2000-01-14 | 2001-07-19 | Sharp Corp | 窒化物系化合物半導体発光およびその製造方法 |
US6873634B2 (en) | 2000-09-29 | 2005-03-29 | Kabushiki Kaisha Toshiba | Semiconductor laser diode |
JP2006229253A (ja) * | 2006-05-19 | 2006-08-31 | Sharp Corp | 窒化物系化合物半導体発光およびその製造方法 |
JP2006245532A (ja) * | 2005-02-28 | 2006-09-14 | Samsung Electro Mech Co Ltd | 窒化物半導体発光素子 |
-
1998
- 1998-01-06 JP JP61498A patent/JPH11195840A/ja active Pending
Cited By (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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US7064357B2 (en) | 2000-01-14 | 2006-06-20 | Sharp Kabushiki Kaisha | Nitride compound semiconductor light emitting device and method for producing the same |
US7352012B2 (en) | 2000-01-14 | 2008-04-01 | Sharp Kabushiki Kaisha | Nitride compound semiconductor light emitting device and method for producing the same |
US7663158B2 (en) | 2000-01-14 | 2010-02-16 | Sharp Kabushiki Kaisha | Nitride compound semiconductor light emitting device and method for producing the same |
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JP2006229253A (ja) * | 2006-05-19 | 2006-08-31 | Sharp Corp | 窒化物系化合物半導体発光およびその製造方法 |
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