JPH118439A - 窒化物半導体発光素子およびその製造方法 - Google Patents
窒化物半導体発光素子およびその製造方法Info
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Abstract
造と、その製造方法を提供する。 【構成】 活性層とn型不純物がドープされた第1の窒
化物半導体層との間、若しくは活性層とp型不純物がド
ープされた第2の窒化物半導体層との間にアルミニウム
を含む第3の窒化物半導体層が形成されており、その第
3の窒化物半導体層の一部にアルミニウムの酸化物を含
む部分を有することにより、第3の窒化物半導体層を電
流狭窄層、光閉じ込め層として作用するので、リッジ構
造、埋め込み構造としなくてもレーザ素子が実現でき
る。
Description
(LED)、レーザダイオード(LD)等に使用される
窒化物半導体よりなる発光素子と、その発光素子の製造
方法に関する。
色LEDの材料として、フルカラーLEDディスプレ
イ、交通信号等で最近実用化されたばかりである。これ
らの各種デバイスに使用されるLEDは、n型窒化物半
導体層とp型窒化物半導体層との間に、単一量子井戸構
造(SQW:Single-Quantum- Well)のInGaNより
なる活性層が挟まれたダブルへテロ構造を有している。
青色、緑色等の波長はInGaN活性層のIn組成比を
増減することで決定されている。
ス電流下、室温での410nmのレーザ発振を世界で初
めて発表した{例えば、Jpn.J.Appl.Phys.35(1996)L74、
Jpn.J.Appl.Phys.35(1996)L217等}。このレーザ素子
は、InGaNを用いた多重量子井戸構造の活性層を有
するダブルへテロ構造を有し、パルス幅2μs、パルス
周期2msの条件で、閾値電流610mA、閾値電流密
度8.7kA/cm2、410nmの発振を示す。さら
に、我々は改良したレーザ素子をAppl.Phys.Lett.69(19
96)1477において発表した。このレーザ素子は、p型窒
化物半導体層の一部にリッジストライプが形成された構
造を有しており、パルス幅1μs、パルス周期1ms、
デューティー比0.1%で、閾値電流187mA、閾値
電流密度3kA/cm2、410nmの発振を示す。そし
て、さらに我々は室温での連続発振にも初めて成功し、
発表した。{例えば、日経エレクトロニクス 1996年12月
2日号技術速報、Appl.Phys.Lett.69(1996)3034、Appl.P
hys.Lett.69(1996)4056 等}、このレーザ素子は20℃
において、閾値電流密度3.6kA/cm2、閾値電圧
5.5V、1.5mW出力において、27時間の連続発
振を示す。そして今現在、世界中で本出願人以外に窒化
物半導体レーザ素子の連続発振に成功している報告はさ
れていない。
わゆる電極ストライプ型の構造を有しており、ストライ
プ幅数μmのp電極に電流を集中させて、リッジ下部に
ある活性層を発光させ、活性層端面に形成された共振面
で発光を共振させて、活性層端面からレーザ光が出射さ
れる。このレーザ素子の場合、活性層に電流を集中させ
るための電流狭窄層は窒化物半導体層内部には設けられ
ておらず、ストライプ状のp電極で電流を集中させるよ
うにしている。一方、光閉じ込めとしては、活性層より
もバンドギャップエネルギーが大きい窒化物半導体より
なるクラッド層と、活性層上部にあるリッジ構造とで行
っている。活性層の光閉じ込めと電流狭窄とを同時に行
うことができれば、従来よりももっと簡単な構造でレー
ザ発振が実現できる。従って本発明は主として窒化物半
導体よりなるレーザ素子の新規な構造と、その製造方法
を提供することにある。
子は、活性層とn型不純物がドープされた第1の窒化物
半導体層との間、若しくは活性層とp型不純物がドープ
された第2の窒化物半導体層との間にアルミニウムを含
む第3の窒化物半導体層が形成されており、その第3の
窒化物半導体層の一部にアルミニウムの酸化物を含むこ
とを特徴とする。本発明において、活性層、第3の窒化
物半導体層、及び第1の窒化物半導体層とは接して形成
されていなくても良く、また活性層、第3の窒化物半導
体層、及び第2の窒化物半導体層とは接して形成されて
いなくても良い。
半導体層は第1の窒化物半導体層、及び第2の窒化物半
導体層よりもアルミニウムが多く含まれていることを特
徴とする。
上部に、n型不純物を含む第1の窒化物半導体層と、活
性層と、p型不純物を含む第2の窒化物半導体とを成長
させるA工程、さらに活性層と第1の窒化物半導体層と
の間、若しくは活性層と第2の窒化物半導体層との間
に、アルミニウムを含む第3の窒化物半導体層を成長さ
せるB工程、A工程とB工程とを行った後、第3の窒化
物半導体層の周辺を露出させ、少なくとも酸素を含む雰
囲気中、若しくは水分を含む雰囲気中で加熱することに
より、第3の窒化物半導体層の一部を酸化させるC工程
とを具備することを特徴とする。
を示す模式的な断面図であり、具体的にはレーザ光の共
振方向に対して垂直な方向でレーザ素子を切断した際の
図を示している。基本的な構造としては窒化物半導体と
異なる材料よりなる基板(図示していない。)の上に成
長させたGaN基板10の上に、SiドープGaNより
なるn側バッファ層11、SiドープAlGaNよりな
るn側クラッド層12、SiドープGaNよりなるn側
光ガイド層13、InGaNとGaNとが積層されてな
る多重量子井戸構造の活性層14、MgドープAlGa
Nよりなるp側キャップ層15、MgドープGaNより
なるp側光ガイド層16、MgドープAlGaNよりな
るp側クラッド層17、AlGaNよりなり、AlGa
Nの一部にAl酸化物を含む電流狭窄層30、Mgドー
プGaNよりなるp側コンタクト層18が積層された構
造を有している。p側コンタクト層18のほぼ全面には
p電極19が形成され、エッチングにより露出されたn
側バッファ層11の表面にはn電極20が形成されてい
る
層14と、p側コンタクト層18との間、若しくは活性
層14とn側バッファ層11との間であれば、任意の位
置に形成することができる。即ち、活性層とn型不純物
がドープされた第1の窒化物半導体層、又は活性層とp
型不純物がドープされた第2の窒化物半導体層との間で
あれば、任意の層間に形成できる。電流狭窄層30は、
例えば図1に示すように、Al、Ga酸化物が含まれる
周辺部のa領域と、酸化物が含まれない中心部のb領域
とからなる。a領域は酸化物が含まれるために高抵抗と
なるが、b領域は低抵抗(図1の場合、p導電型)のま
まである。一方、電流狭窄層をn層側に形成した場合に
は、周辺部a領域は高抵抗とし、中央部b領域はn導電
型とする。b層の領域は10μm以下、さらに好ましく
は5μm以下にする。面発光レーザ素子の場合も同様に
10μmφ以下、好ましくは5μmφ以下に調整するこ
とが望ましい。
で形成し、AlXGa1-XN(0<X≦1)で形成するこ
とが望ましく、好ましくはX値が0.3以上のAlXGa
1-XNで形成する。また膜厚はキャリアが電流狭窄層を
トンネルしない程度以上の膜厚で形成し、例えば100
オングストローム以上、5μm以下、さらに好ましくは
0.1μm以上、2μm以下の膜厚で形成する。5μm
よりも厚いと電流狭窄層中にクラックが入りやすくなっ
て成長が困難となる傾向にある。
び光閉じ込め層としてのp側クラッド層17よりも、p
電極19に接近した位置にある場合、電流狭窄層30は
その名の通りp電極19から注入される電流を狭窄して
活性層14の一部に集中させる作用を奏する。同じく電
流狭窄層30がキャリア閉じ込め層、及び光閉じ込め層
としてのn側クラッド層12よりも、基板10側に接近
した位置にある場合も同一作用である。一方、電流狭窄
層30がp側クラッド層17と活性層14との間にある
場合、電流狭窄層30は電流を狭窄する作用の他に、活
性層の発光を閉じ込める作用がある。これは電流狭窄層
を構成するAl酸化物、具体的にはAl 2O3の屈折率が
窒化物半導体の屈折率よりも小さいことによる。この作
用は、電流狭窄層30がn側クラッド層12と活性層1
4との間にある場合も同一である。従って、従来光閉じ
込め層であったn側クラッド層、p側クラッド層を省略
することもできる。また、活性層の発光を狭い領域で閉
じ込めることができるので、例えば面発光型のレーザ素
子を作製した場合には低閾値で発振する。
半導体層の周辺を露出させて、酸素(オゾンも含む)を
含む雰囲気中、若しくは水分を含む雰囲気中で、ウェー
ハ若しくは素子を加熱することにより形成する。これは
周囲からAlを含む窒化物半導体が先に酸化される作用
を用いている。つまりAlN、GaN、InN等の窒化
物半導体はGaN、InNよりも先にAlNの方が酸化
されやすいことを見いだしたことにより、このAlを多
く含む第3の窒化物半導体層を成長させて、その第3の
窒化物半導体層の周辺を露出させた後、加熱処理して周
辺部を先に酸化させ、中央部を低抵抗なままとして残す
ことにより、この第3の窒化物半導体層を電流狭窄層と
して作用させるのである。従って、第3の窒化物半導体
層は素子を構成する積層した窒化物半導体層中で最もA
l混晶比を大きくすることが望ましい。図1では電流阻
止層30において酸化物を含む領域をaでもって示して
いるが、他のAlを含む窒化物半導体よりなるn側クラ
ッド層12、p側クラッド層17の周辺部も電流阻止層
ほどではないが、一部酸化物を含んでいる。
には例えばエッチングが用いられる。即ち、窒化物半導
体ウェーハを素子状に分離する前に、例えばn電極を形
成すべきn側コンタクト層の表面を露出させるエッチン
グを行うことにより、n型コンタクト層よりも上にある
第3の窒化物半導体層の側面を同時に露出させることが
可能である。その他、面発光レーザ素子のような場合に
は、ウェーハをレーザチップ状にダイシング、スクライ
ビング等の手法により分離することにより、自動的に第
3の窒化物半導体層の周辺が露出できる。
る。サファイア(C面)よりなる基板の上にGaNより
なるバッファ層を介してGaNよりなる単結晶を150
μmの膜厚で成長させたGaN基板10を用意する。こ
のGaN基板10を反応容器内にセットし、温度を10
50℃まで上げ、キャリアガスに水素、原料ガスにアン
モニアとTMG(トリメチルガリウム)、不純物ガスと
してシランガスを用い、GaN基板10上にSiを1×
1018/cm3ドープしたGaNよりなるn側バッファ層
11を4μmの膜厚で成長させる。このバッファ層は、
図1のような構造の発光素子を作製した場合にはn電極
を形成するためのコンタクト層としても作用する。さら
に、このn側バッファ層は高温で成長させるバッファ層
であり、例えばサファイア、SiC、スピネルのように
窒化物半導体体と異なる材料よりなる基板の上に、90
0℃以下の低温において、GaN、AlN等を、0.5
μm以下の膜厚で直接成長させるバッファ層とは区別さ
れる。
いて、1050℃でTMA(トリメチルアルミニウ
ム)、TMG、アンモニア、シランガスを用い、Siを
1×1019/cm3ドープしたn型Al0.15Ga0.8 5Nよ
りなる層を40オングストロームの膜厚で成長させ、続
いてシランガス、TMAを止め、アンドープのGaNよ
りなる層を40オングストロームの膜厚で成長させる。
そしてこれら2種類の層をそれぞれ100層ずつ交互に
積層し、総膜厚0.8μmの歪み超格子よりなるn側ク
ラッド層12を成長させる。
スを止め、1050℃でSiを1×1018/cm3ドープ
したnアンドープGaNよりなるn側光ガイド層13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、GaN、InG
aNを成長させることが望ましく、通常100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
たこの層を歪み超格子層とすることもできる。歪み超格
子層とする場合にはバンドギャップエネルギーは活性層
より大きく、n側クラッド層よりも小さくする。なおこ
の層のn型不純物濃度はn側クラッド層12よりも少な
くする方が望ましい。
TMI、アンモニアを用いて活性層14を成長させる。
活性層14は温度を800℃に保持して、アンドープI
n0.2Ga0.8Nよりなる井戸層を25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、Siを1×1018/cm3ドープした
In0.01Ga0 .95Nよりなる障壁層を50オングストロ
ームの膜厚で成長させる。この操作を2回繰り返し、最
後に井戸層を積層した総膜厚175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。
50℃に上げ、TMG、TMA、アンモニア、Cp2M
g(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16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Al0.2Ga
0.8Nよりなるp側キャップ層17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15の
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。
g、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15よりも小さい、Mgを1×
1019/cm3ドープしたGaNよりなるp側光ガイド層
18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13と同
じくGaN、InGaNで成長させることが望ましい。
なお、このp側光ガイド層を歪み超格子層とすることも
できる。歪み超格子層とする場合にはバンドギャップエ
ネルギーは活性層より大きく、p側クラッド層よりも小
さくする。なおこのp側光ガイド層のp型不純物濃度は
p側クラッド層17よりも少なくすることが望ましい。
℃でMgを1×1020/cm3ドープしたp型Al0.15G
a0.8 5Nよりなる層を40オングストロームの膜厚で成
長させ、続いてTMAのみを止め、アンドープGaNよ
りなる層を40オングストロームの膜厚で成長させる。
そしてこれら2種類の層をそれぞれ100層積層し、総
膜厚0.8μmの歪み超格子層よりなるp側クラッド層
17を形成する。
gを1×1020/cm3ドープしたGaNよりなる第2の
バッファ層を100オングストロームの膜厚で成長させ
る(図示せず。)。このGaN層はAlを含む電流阻止
層を成長させる際のバッファ層として作用する。続い
て、Mgを1×1020/cm3ドープしたp型Al0.4Ga
0.6Nよりなる電流阻止層30を0.5μmの膜厚で成
長させる。このように成長させたままの状態では未だ電
流阻止層として作用していないが、本実施例においては
あえて電流阻止層という。
0℃で、Mgを2×1020/cm3ドープしたp型GaN
よりなるp側コンタクト層18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18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Ga
Nとすれば、p電極21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、図1に示すように、RIE装置により最上層
のp側コンタクト層18からエッチングを行い、電流狭
窄層30の側面と、n電極20を形成すべきn側バッフ
ァ層11の表面とを露出させる。
iとAuよりなるp電極19を形成する。一方、Tiと
Alよりなるn電極20を先ほど露出させたn側バッフ
ァ層11の表面にストライプ状に形成する。電極形成
後、ウェーハのサファイア基板を研磨により除去し、G
aN基板の裏面を表出させる。
れ、酸素雰囲気中、300℃で数時間アニーリングを行
い、電流狭窄層30の周辺近傍を酸化させ、電流狭窄層
として作用するようにする。
方向でウェーハをバー状に切断する。バー状に切断した
際、バーの短辺と平行方向での断面図は図1と同一とな
る。一方、ストライプ状のn電極20に垂直な方向でバ
ーを劈開し、劈開面に共振器を作製した後、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、100時間以上のレーザ
発振が確認された。
イド層成長後、実施例1と同様にしてMgを1×1020
/cm3ドープしたAl0.4Ga0.6N層よりなる電流狭窄
層を0.5μmの膜厚で成長させる。なお実施例1にお
いて電流狭窄層を成長させる前に成長させたGaNより
なる第2のバッファ層は、本実施例ではp側光ガイド層
がバッファ層となっているため成長させていない。
させず、直接MgドープGaNよりなるp側コンタクト
層を500オングストロームの膜厚で成長させる。本実
施例の場合、電流狭窄層が光閉じ込め層として作用する
ために、p側クラッド層を成長させていない。後は実施
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有するレーザ素子が得られた。
ファ層成長後、同じく1050℃でシランガス、TM
G、TMA、アンモニアを用い、Siを1×1019/cm
3ドープしたAl0.4Ga0.6Nよりなる電流阻止層を
0.5μmの膜厚で成長させる。次に、n側クラッド層
12を成長させずに、電流阻止層の上に直接n側光ガイ
ド層を成長させる。後は実施例1と同様にして、この電
流阻止層の上に窒化物半導体を成長させた後、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
特性を有するレーザ素子が得られた。
係る素子の構造を示す模式断面図であり、具体的には面
発光レーザ素子の構造を示している。以下図2を元に本
実施例について説明する。
長させた膜厚150μmのSiドープGaNよりなる基
板10’を用意し、このGaN基板10’の上に、MO
VPE法を用い、実施例1と同様にして、Siを1×1
019/cm3ドープしたn型Al0.2Ga0.8Nよりなる層
40オングストロームと、アンドープ(undope)GaN
よりなる層を40オングストロームとを、それぞれ25
回交互に積層した、歪み超格子構造よりなるn側クラッ
ド層12’を0.2μmの膜厚で成長させる。
る井戸層、25オングストロームと、アンドープIn
0.01Ga0.95Nよりなる障壁層、50オングストローム
とを2回ずつ交互に積層し、最後に井戸層を積層した総
膜厚175オングストロームの多重量子井戸構造(MQ
W)よりなる活性層14’を成長させる。
cm3ドープしたp型Al0.4Ga0.6Nよりなる電流阻止
層30を0.5μmの膜厚で成長させる。なお、本実施
例ではInGaNを含む活性層がバッファ層となってい
るため、実施例1の第2のバッファ層は成長させていな
い。
×1020/cm3ドープしたp型Al0 .2Ga0.8Nよりな
る層40オングストロームと、アンドープ(undope)G
aNよりなる層を40オングストロームとを、それぞれ
25回交互に積層した、歪み超格子構造よりなるp側ク
ラッド層17’を0.2μmの膜厚で成長させる。
3ドープしたp型GaNよりなるp側コンタクト層1
8’を200オングストロームの膜厚で成長させる。
ウェーハを反応容器から取りだし、スピネル基板を研磨
して除去した後、GaN基板10’の裏面側の位置に保
護膜を形成し、保護膜を形成していない部分をエッチン
グして、図2に示すように20μmφの孔100を形成
する。孔100の深さは孔の底部と、n側クラッド層3
との距離とが0.5μmとなるように調整する。本実施
例のように窒化物半導体で面発光レーザ素子を作製する
場合、基板の裏面側に孔100を設け、その孔の底部に
反射鏡を設けている。この孔100を設けることによ
り。活性層の共振器長が短くなり、低閾値で発振して単
一モードのレーザ光が得られやすくなる。p側反射鏡2
0と、n側反射鏡21との距離は10μm以下、さらに
好ましくは5μm以下、最も好ましくは3μm以下に調
整することが望ましい。下限については特に限定しない
が、100オングストローム以上、好ましくは活性層の
発光波長以上、通常は380nm以上に調整する。10
μmよりも長いと損失が大きくなって閾値が上昇して素
子寿命が短くなる傾向にある。
送し、SiO2とTiO2との誘電体多層膜からなるn側
反射鏡21を、図2に示すように孔100の底部に形成
する。一方、p側コンタクト層18’の表面にも所定の
形状の保護膜を形成して、図2に示すように20μmφ
のp側反射鏡20を形成する。これらの反射鏡は410
nmの発光波長に対して80%以上の反射率を有するよ
うに設計されている。
反射鏡21を囲むTi/Alよりなるリング状のn電極
2010を形成し、一方、最上層のp側コンタクト層8
の表面の第2の反射鏡12を除くほぼ全面にNi/Au
よりなるp電極9を形成した後、GaN基板10’をス
クライバーにより劈開して200μm角のチップに分離
する。
0℃のアニーリング装置中で、空気中、十数時間放置
し、図2に示すようにp側クラッド層17’の周辺近傍
を酸化させ、電流狭窄層として作用するようにする。以
上のようにして作製した面発光レーザ素子は、従来の電
極ストライプ型の窒化物半導体レーザ素子に比較して、
約1/30の電流で408nmの室温連続発振を示し、
寿命は1分以上であった。
半導体層を積層半導体中に存在させ、その周辺近傍を酸
化させることにより、Al混晶比の高い層が電流狭窄
層、光閉じ込め層として作用するので、従来に比較して
簡単な構造でレーザ素子が得られる。また、本発明の方
法は周辺近傍に酸化物を有する第3の窒化物半導体を得
るための一方法であって、本発明の発光素子は必ずしも
この製造方法によって方法を本発明はレーザ素子の他、
LED素子、スーパールミネッセントダイオードのよう
な他の窒化物半導体よりなる発光素子に適用することも
できる。
示す模式断面図。
を示す模式断面図。
Claims (3)
- 【請求項1】 活性層とn型不純物がドープされた第1
の窒化物半導体層との間、若しくは活性層とp型不純物
がドープされた第2の窒化物半導体層との間にアルミニ
ウムを含む第3の窒化物半導体層が形成されており、そ
の第3の窒化物半導体層の一部にアルミニウムの酸化物
を含むことを特徴とする窒化物半導体発光素子。 - 【請求項2】 前記第3の窒化物半導体層は第1の窒化
物半導体層、及び第2の窒化物半導体層よりもアルミニ
ウムが多く含ま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】 基板上部に、n型不純物を含む第1の窒
化物半導体層と、活性層と、p型不純物を含む第2の窒
化物半導体とを成長させるA工程、さらに活性層と第1
の窒化物半導体層との間、若しくは活性層と第2の窒化
物半導体層との間に、アルミニウムを含む第3の窒化物
半導体層を成長させるB工程、A工程とB工程とを行っ
た後、第3の窒化物半導体層の周辺を露出させ、少なく
とも酸素を含む雰囲気中、若しくは水分を含む雰囲気中
で加熱することにより、第3の窒化物半導体層の一部を
酸化させるC工程とを具備することを特徴とする窒化物
半導体発光素子の製造方法。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP15934197A JP3224020B2 (ja) | 1997-06-17 | 1997-06-17 | 窒化物半導体発光素子およびその製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP15934197A JP3224020B2 (ja) | 1997-06-17 | 1997-06-17 | 窒化物半導体発光素子およびその製造方法 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
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