JPH11195840A

JPH11195840A - 窒化物半導体発光素子

Info

Publication number: JPH11195840A
Application number: JP61498A
Authority: JP
Inventors: Keiji Sakamoto; 恵司坂本; Shinichi Nagahama; 慎一長濱; Shuji Nakamura; 修二中村
Original assignee: Nichia Chemical Industries Ltd
Current assignee: Nichia Chemical Industries Ltd
Priority date: 1998-01-06
Filing date: 1998-01-06
Publication date: 1999-07-21

Abstract

(57)【要約】【目的】主と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。【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

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は例えばＬＥＤ（発光ダイ
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（Ｉｎ_aＡｌ_bＧａ_1-a-bＮ、０≦a、０≦b、a＋b≦
１）発光素子に関する。

【０００２】

【従来の技術】我々は窒化物半導体基板の上に、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（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）

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら従来のレ
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。

【０００４】従って本発明の目的とするところは、主と
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。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明の窒化物半導体素
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。

【０００６】さらに本発明の発光素子において、前記超
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。

【０００７】ｎ側クラッド層の具体的な構成として、前
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。

【０００８】好ましくは、前記ｎ側クラッド層の全体の
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。

【０００９】さらに好ましくは、前記ｎ側クラッド層の
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。

【００１０】

【発明の実施の形態】本発明の発光素子において、窒化
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。

【００１１】窒化物半導体基板はアンドープ（不純物を
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Ａｌ_XＧａ_1-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。

【００１２】さらに、その窒化物半導体基板の膜厚も１
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。

【００１３】次に、窒化物半導体基板上に成長させるｎ
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。

【００１４】本発明の発光素子において、クラッド層と
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Ａｌ_XＧａ
_1-XＮ（０＜X＜１）層と、そのＡｌ_XＧａ_1-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Ａｌ_XＧａ_1-XＮ／ＧａＮ、Ａｌ_XＧａ_1-XＮ／Ａｌ
_YＧａ_1-YＮ（０＜Y＜１、Y＜X）、Ａｌ_XＧａ_1-XＮ／Ｉ
ｎ_ZＧａ_1-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Ａｌ_XＧ
ａ_1-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。

【００１５】具体的なｎ側クラッド層の構成としては、
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。

【００１６】ｎ側のクラッド層を超格子で構成するとＡ
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。

【００１７】具体的には、前記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。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。Ａｌ_XＧａ_1-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Ａｌ_XＧａ_1-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、Ａｌ_XＧａ_1-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Ａｌ_XＧａ_1-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。

【００１８】ところが本発明のようにＡｌ_XＧａ_1-XＮを
超格子を構成するような薄膜とすると、単一膜厚がＡｌ
_XＧａ_1-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。

【００１９】本発明の素子の超格子におけるＡｌ平均組
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Ａｌ_0.5Ｇａ_0.5Ｎ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Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9
Ｎ２０オングストローム、Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8Ｎ３０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。

【００２０】また、活性層の発光を閉じ込めるためｎ側
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。

【００２１】本発明の発光素子では、窒化物半導体基板
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。

【００２２】

【実施例】［実施例１］図１は本発明の一実施例に係る
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。

【００２３】（下地層）１インチφ、Ｃ面を主面とする
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。

【００２４】（保護膜）下地層成長後、ウェーハを反応
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（ＳｉＯ_X）、窒化ケイ素（Ｓｉ_XＮ_Y）、酸化チ
タン（ＴｉＯ_X）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ_X）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。

【００２５】（窒化物半導体基板１）保護膜形成後、ウ
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。

【００２６】窒化物半導体基板成長後、ウェーハを反応
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。

【００２７】（ｎ側コンタクト層２）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、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。

【００２８】（クラック防止層３）次に、ＴＭＧ、ＴＭ
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Ｉｎ_0.06Ｇａ_0.94Ｎ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。

【００２９】（ｎ側クラッド層４＝超格子層）続いて、
１０５０℃でＴＭＡ、ＴＭＧ、アンモニアを用い、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。

【００３０】（ｎ側光ガイド層５）続いて、シランガス
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。

【００３１】（活性層６）次に、ＴＭＧ、ＴＭＩ、アン
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Ｉｎ_0.2Ｇａ_0.8Ｎ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Ｉｎ_0.01Ｇａ_0.95Ｎ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。

【００３２】（ｐ側キャップ層７）次に、温度を１０５
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Ａｌ_0.3Ｇａ _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。

【００３３】（ｐ側光ガイド層８）続いてＣｐ2Ｍｇ、
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。

【００３４】（ｐ側クラッド層９）続いて、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。

【００３５】ここで、クラッド層で挟まれたコア部分
（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。

【００３６】（ｐ側コンタクト層１０）最後に、１０５
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Ｉｎ_XＡｌ_YＧａ_1-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。

【００３７】以上のようにして窒化物半導体を成長させ
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。

【００３８】アニーリング後、ウェーハを反応容器から
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。

【００３９】次に、リッジ表面にマスクを形成してエッ
チングを行い、ｎ側コンタクト層２の表面を露出させ
る。

【００４０】次に、ｐ側コンタクト層１０のリッジ最表
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。

【００４１】以上のようにして、ｎ電極とｐ電極とを形
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。

【００４２】そして、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。

【００４３】このレーザ素子の窒化物半導体基板１の裏
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。

【００４４】［実施例２］実施例１において、窒化物半
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。

【００４５】［実施例３］実施例１において、窒化物半
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。

【００４６】最後に、サファイア基板を研磨して下地
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。

【００４７】［実施例４］実施例１において、ｎ側クラ
ッド層４を成長させる際に、アンドープＡｌ_0.20Ｇａ
_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。

【００４８】［実施例５］実施例１において、ｎ側クラ
ッド層４を成長させる際に、アンドープＡｌ_0.20Ｇａ
_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。

【００４９】［実施例６］実施例１において、ｎ側クラ
ッド層４を成長させる際に、アンドープＡｌ_0.12Ｇａ
_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。

【００５０】［実施例７］実施例１において、ｎ側クラ
ッド層１８を成長させる際に、ｎ型Ａｌ_0.07Ｇａ _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。

【００５１】

【発明の効果】以上説明したように、本発明ではアンド
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。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例に係るレーザ素子の構造を
示す斜視図。

【符号の説明】

１・・・窒化物半導体基板２・・・ｎ側バッファ層３・・・クラック防止層４・・・ｎ側クラッド層５・・・ｎ側光ガイド層６・・・活性層７・・・ｐ側キャップ層８・・・ｐ側光ガイド層９・・・ｐ側クラッド層１０・・・ｐ側コンタクト層２０・・・ｐ電極２１・・・ｐパッド電極２２・・・ｎ電極２３・・・絶縁膜

Claims

【特許請求の範囲】

【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。