WO2007037057A1 - Iii族窒化物半導体発光素子 - Google Patents

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iii nitride
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Masaki Ohya
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Definitions

  • the present invention relates to an in-group nitride semiconductor light emitting device having a current confinement layer.
  • DVD Digital Versatile Disk
  • DVD Digital Versatile Disk
  • playback systems such as movies, music, games and car navigation systems
  • recording systems such as TV recorders and drives equipped with personal computers. It is widespread in a wide range of fields. Its storage capacity is about seven times that of a CD, for example enough to record current TV footage in standard quality.
  • the amount of information will be much larger than before, so the current DVD can only record about 20 to 30 minutes. Therefore, expectations for a next-generation optical disc system capable of recording about 5 times as large as conventional DVDs are increasing.
  • a nitride-based blue-violet semiconductor laser with a wavelength of 405 nm is used as a light source for the next-generation optical disc system. This is because it is possible to narrow the light to a smaller size than the AlGaln P-based red semiconductor laser of wavelength 650 nm used in the conventional DVD, and is suitable for high-density recording of signals.
  • nitride-based semiconductor lasers it is general to form a ridge structure by dry etching of a p-type cladding layer which is easy to manufacture because of its inherent properties.
  • an n-type substrate 11, an n-type cladding layer 13, an active layer 15, and a p-type cladding layer 20 having a ridge structure are sequentially stacked, Electrodes 22 and 23 are provided on the lower surface of the n-type substrate 11 and the upper surface of the ridge portion of the p-type cladding layer 20, respectively.
  • the optical confinement in the horizontal direction is controlled by the refractive index difference from the air outside the ridge structure. Therefore, the remaining etching thickness d of the p-type cladding layer 20 is an important parameter for determining the beam shape.
  • this structure has the following problems.
  • the horizontal current of the p-type cladding layer 20 may be reduced. As the direction spread becomes large, the number of invalid current components that do not contribute to laser oscillation increases, leading to an increase in operating current.
  • the nitride semiconductor laser with the ridge structure has low heat dissipation and high power and high temperature operation are difficult.
  • the ridge waveguide is formed by processing the p-type cladding layer 20 by a method such as dry etching. Therefore, it is one of the factors that cause the dispersion to decrease immediately after the remaining thickness d of the p-type cladding layer 20 is extremely important for controlling the beam shape.
  • Patent Document 1 and the like propose a nitride semiconductor laser having an inner stripe structure. As shown in FIG. 5, in the case of this structure, since the outer side of the stripe is covered with the nitride-based material, the refractive index difference ⁇ in the horizontal direction is relatively small. Thus, high power single transverse mode operation is easily realized.
  • the outer side of the stripe is covered with a nitride-based material with high thermal conductivity, high power and high temperature operation with high heat dissipation are possible.
  • the portion d corresponding to the remaining thickness of the ⁇ -type cladding layer of the ridge structure is formed by crystal growth, the beam shape can be controlled stably with less variation in the layer thickness. Therefore, the yield is high and mass productivity is excellent.
  • the contact area with the p electrode can be increased, the contact resistance can be reduced compared to the ridge structure as shown in FIG.
  • Patent Document 1 Japanese Patent Application Laid-Open No. 2003-78215
  • Crystal growth is performed using Mg as a dopant on the uneven surface of the current confinement layer 18 to form a P-type cladding layer 20.
  • Mg as a dopant
  • the in-plane uniformity of Mg is not necessarily maintained since the Mg incorporation efficiency differs between the central portion and the end portion. As a result, it has not always been easy to stably realize low device resistance.
  • the inventor of the present invention is to form a layer having a superlattice structure (hereinafter also referred to as a superlattice layer) in the opening of the current confinement layer. Found that it is necessary. As such, since the superlattice layer is formed by crystal growth on the opening of the current confinement layer, the variation of the superlattice structure may become noticeable. As a result, the resistance is high at the thick layer, and it has not been possible to stably realize the low element resistance. Thus, there has been a demand for a group III nitride semiconductor light emitting device that can stably obtain low device resistance.
  • an active layer comprising a group III nitride semiconductor
  • the average Al composition ratio of the superlattice layer is xl and the average Al composition ratio of the cladding layer is x2, a group III nitride semiconductor light emitting device having xl ⁇ x2 is provided.
  • the average Al composition ratio of the group III nitride semiconductor superlattice layer which embeds the opening of the current confinement layer, includes Al formed on the superlattice layer III
  • the group III nitride semiconductor light emitting device can be provided with a low device resistance that can be stably obtained because the average Al composition ratio of the cladding layer that is also the group nitride semiconductor power is smaller.
  • the superlattice layer means a layer having a superlattice structure.
  • a group III nitride semiconductor light emitting device capable of stably obtaining low device resistance.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing a group III nitride semiconductor light-emitting device according to a first embodiment.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view schematically showing a group III nitride semiconductor light-emitting device according to a second embodiment.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view schematically showing a Group III nitride semiconductor light-emitting device according to a third embodiment.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view schematically showing a conventional nitride semiconductor laser having a ridge structure.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view schematically showing a conventional nitride-based semiconductor laser having an inner stripe structure.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view of a group III nitride semiconductor light-emitting device according to a first embodiment.
  • the group III nitride semiconductor light emitting device includes an n-type buffer layer 102, an n-type cladding layer 103, an n-type light confinement layer 104, an active layer 105, and a p-type cap layer 106 on an n-type substrate 101.
  • the p-type light confinement layer 107 is sequentially laminated.
  • a current confinement layer 108 having a stripe-shaped opening 108a is formed on the p-type light confinement layer 107. Furthermore, a P-type layer 109 which is a super lattice layer is formed to fill the opening 108 a of the current confinement layer 108.
  • a p-type cladding layer 110 and a p-type contact layer 111 are stacked on the current confinement layer 108 and the p-type layer 109.
  • An n electrode 112 is provided on the lower surface of the n-type substrate 101, and a p electrode 113 is provided on the upper surface of the p-type contact layer 111.
  • the n-type substrate 101 is made of, for example, a GaN substrate.
  • the n-type buffer layer 102 is made of, for example, GaN and has a thickness of about L m.
  • the n-type cladding layer 103 is made of, for example, Al Ga N and has a thickness
  • the n-type optical confinement layer 104 also provides, for example, a GaN force.
  • the active layer 105 is It has a multiple quantum well structure consisting of a well layer and a barrier layer.
  • the well layer is, for example, In Ga
  • the barrier layer is made of, for example, In Ga N and has a thickness of 4 nm.
  • the P-type cap layer 106 also provides, for example, Al Ga N force.
  • 07 is made of GaN and has a thickness of about 0.1 ⁇ m.
  • the p-type contact layer 111 is made of, for example, GaN and has a thickness of about 0.1 ⁇ m.
  • the n-type impurity is, for example, Si, and the p-type impurity is, for example, Mg.
  • the current confinement layer 108 also provides an Al Ga N (0.4 ⁇ w ⁇ 1) force, for example, an A1N force.
  • the current constriction layer 108 which is also a nitride-based material having high thermal conductivity, is formed outside the opening 108a, so that the group III nitride semiconductor is excellent in high-power characteristics with high heat dissipation and high-temperature operating characteristics. It can be provided as a body light emitting element.
  • the layer thickness of the current confinement layer 108 is preferably 0.
  • the distance between the active layer 105 and the current confinement layer 108 is preferably 0.2 m or less, more preferably 0.15 m or less. In this embodiment, for example, about 0.1 m.
  • the p-type layer 109 is, for example, GaN having a thickness of about 2.5 nm and Al Ga N having a thickness of about 2.5 nm.
  • x 1 when the average A1 composition of the p-type layer 109 having a superlattice structure is “x 1”, and the average A1 composition of the p-type cladding layer 110 is “x 2”, xl
  • the ability to set x 2 can be S.
  • ⁇ -type layer 109 force 2.5 nm thick GaN and 2.5 nm thick Al Ga
  • the p-type cladding layer 110 may be, for example, a superlattice structure formed of GaN having a thickness of 2.5 nm and AlGaN having a thickness of 2.5 nm. it can.
  • P-type layer 109 force for example, 5 nm thick GaN and 2.5 nm thick Al Ga N
  • the p-type cladding layer 110 is, for example, a superlattice structure composed of GaN with a thickness of 2.5 nm and Al Ga N with a thickness of 2.5 nm. be able to.
  • Such a group III nitride semiconductor light emitting device can be suitably used for a blue-violet semiconductor laser.
  • a 300-hPa reduced pressure MOVPE apparatus can be used to manufacture the group III nitride semiconductor light-emitting device of this embodiment.
  • a mixed gas of hydrogen and nitrogen can be used as the carrier gas, and trimethylgallium and trimethylaluminum trimethylindium can be used as the Ga, Al, and In sources, respectively.
  • silane can be used as the n-type impurity, and biscyclopentadiene magnesium can be used as the p-type impurity.
  • the substrate is heated while supplying ammonia, and the growth is started when the growth temperature is reached.
  • Active layer 105 having multiple quantum well structure consisting of N well layer and In Ga N barrier layer 105, p
  • Al-Ga-N cap layer 106 Al-Ga-N cap layer 106, p-type GaN optical confinement layer 107, and current confinement layer 10
  • the growth temperature can be, for example, 200 to 700 ° C. for the current confinement layer 108, 800 ° C. for the active layer 105, and 1100 ° C. for the others.
  • the current confinement layer 108 is, for example, A1N, and its layer thickness is 0.1 ⁇ m. Since the A1N current confinement layer 108 is grown at a low temperature, it is amorphous at the end of the first growth. On top of that SiO
  • a stripe-like opening is formed in the A1N current confinement layer 108 as an etchant.
  • the temperature of the substrate is raised while supplying ammonia, and the second growth is started when reaching the growth temperature.
  • single crystallization proceeds in the temperature rising process of the substrate in the 0.1 nm thick A1N current confinement layer 108.
  • a p-type layer 109, a p-type cladding layer 110, and a p-type GaN contact layer 1 consisting of a superlattice structure.
  • the p-type layer 109 which also has super lattice structure strength, has a thickness of, for example, 2.5 nm GaN and
  • the p-type cladding layer 110 is, for example,
  • the superlattice structure is composed of 2.5 nm GaN and 2.5 nm Al Ga N. Then below
  • the n electrode 112 is formed on the surface, and the p electrode 113 is formed on the top surface.
  • the group III nitride semiconductor light emitting device can be manufactured by such a simple method, mass productivity is excellent.
  • the average A1 composition ratio force of the p-type layer 109 having a superlattice structure is smaller than the average A1 composition ratio of the p-type cladding layer 110.
  • the average A1 composition of the p-type layer 109 which is a superlattice layer provided inside the stripe opening 108a, the influence of resistance disorder due to the disorder of the superlattice structure can be reduced. Low element resistance can be stably obtained.
  • a GaNZAlGaN superlattice layer is formed inside the stripe-shaped opening formed in the current confinement layer, carriers are induced at each interface in the superlattice structure, and therefore, compared to the balta structure.
  • the carrier mobility in the in-plane direction is increased. Therefore, the carrier distribution in the opening becomes uniform regardless of the in-plane uniformity of the Mg distribution in the opening. As a result, low element resistance can be stably obtained.
  • the superlattice layer is formed by crystal growth in the stripe-shaped opening 108 a of the current confinement layer 108, the variation in the layer thickness in the superlattice structure may become remarkable.
  • the superlattice layer is formed of GaNZAlGaN and the layer thickness of each layer is different, the effect of making the carrier distribution uniform due to the superlattice structure is not lost, but the thickness of the AlGaN layer is large. The resistance is high in the dead part, and low element resistance can not be stably obtained.
  • the A1 composition ratio is from the viewpoint of light distribution control.
  • the lower limit is determined. Therefore, in the present embodiment, the average A1 composition ratio of the current constricting layer 108 and the p-type cladding layer 110 on the side is also determined from the viewpoint of light distribution control, while the inside of the stripe opening 108a is determined. Set the average A1 composition ratio of the superlattice structure to be set low in terms of element resistance.
  • the layer thickness of the current confinement layer is preferably 0.2 ⁇ m or less. Preferably it can be less than or equal to 0.12 / zm.
  • the layer thickness of the current confinement layer in the above range, it is possible to suppress the dispersion itself of the superlattice structure formed inside the striped opening.
  • the current confinement layer is formed at a low temperature to prevent the occurrence of cracks due to the lattice constant difference between the two. Rufus form.
  • this amorphous current constriction layer single crystallization is promoted in the temperature rising process of the second crystal growth.
  • the current constriction layer is too thick, single crystallization of the current constriction layer is sufficiently sufficient.
  • a second crystal growth is initiated. Since the upper part of the current constriction layer is supplied to the raw material gas force S stripe opening where the crystal growth rate is slow due to poor crystallinity, it causes disorder in the superlattice structure provided inside the stripe opening. .
  • the thickness of the current confinement layer in the above range, it is possible to suppress the disorder of the superlattice structure formed inside the stripe opening. As a result, low element resistance can be obtained more stably.
  • the current confinement layer is made of Al Ga N (0.4 ⁇ w ⁇ 1) w 1 ⁇ w
  • the function of current confinement can be sufficiently obtained. More specifically, when the energy barrier to carriers in the current confinement layer is reduced, the current component that does not contribute to laser oscillation increases exponentially, and the operating current rapidly deteriorates. This tendency becomes more pronounced as the current confinement layer becomes thinner. In order to suppress this effect, if the energy barrier of the current confinement layer is made larger than the lower limit value at which the current component not contributing to the laser oscillation rapidly starts to increase, the current confinement layer is made of AlGaN. , A 1 composition should be raised. Specifically, even when the thickness of the current confinement layer is as thin as 0. or less, by setting the A1 composition of the current confinement layer to be 0.4 or more and 1 or less, a sufficient current narrowing function can be realized. .
  • the separation distance between the current confinement layer and the active layer is preferably 0.2 m. More preferably, it can be 0.1 m or less.
  • the reactive current flowing in the horizontal direction can be significantly reduced, and a low operating current can be realized.
  • the refractive index difference ⁇ in the horizontal direction becomes large, and high power single transverse mode operation becomes difficult.
  • the refractive index difference ⁇ in the horizontal direction is, for example, 0. 0 even if the distance between the current confinement layer and the active layer is made close to the above range. A value small enough, about 005, can be maintained. As a result, a significant reduction in operating current is possible while maintaining high power single transverse mode operation.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view showing a second embodiment.
  • the stripe-shaped opening 108 a of the current confinement layer 108 includes a P-type regrowth layer 201 and a p-type layer 109 which also has super lattice strength.
  • the p-type regrowth layer 201 is made of, for example, GaN, AlGaN, InGaN or the like.
  • the same effect as in the first embodiment can be obtained, and further, the effect of improving the flatness of the regrowth interface and the effect of adjusting the light distribution in the vertical direction can be obtained.
  • Ru also in the second embodiment, the p-type layer 109 also has a superlattice structure force. Therefore, even if the stripe-like opening 108a of the current confinement layer 108 includes a layer other than the p-type layer 109 having a superlattice structure, the stripe-like opening 108a of the current confinement layer 108 is formed. The effect of making the carrier distribution uniform can be obtained as in the first embodiment.
  • the stripe-like opening 108a of the current narrowing layer 108 may include other layers that consist only of the p-type regrowth layer 201 as layers other than the p-type layer 109 having a superlattice structure.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view showing a third embodiment.
  • the p-type layer 109 which is a super lattice layer, is a layer of the current confinement layer 108. It is a point formed also on the current constricting layer 108 which is equal to the trippy opening 108a alone.
  • the growth of the p-type layer 109 on the current confinement layer 108 is promoted, for example, by thinning the current confinement layer 108. Also in the third embodiment, the same effects as in the first embodiment can be obtained.
  • the above embodiment is an exemplification, and various modifications are possible, and it is understood by those skilled in the art that such modifications are also within the scope of the present invention.
  • the p-type cladding layer 110 may be configured in multiple stages or a plurality of layers.
  • the n-type cladding layer 103 may be configured in a superlattice structure.
  • the current confinement layer can be provided on the n side.
  • the end of the current constricting layer does not have to coincide with the end of the element even if it is interrupted at a location other than the stripe-shaped opening.
  • P-type layer 109 which is a superlattice layer
  • P-type layer 109 may be formed of a superlattice structure made of, for example, InGaN and AlGaN! ,.
  • the lattice strain is compensated as compared to the case where the p-type layer 130 having a superlattice structure is formed of a GaN and an AlGaN lattice superlattice structure. An effect is obtained. Therefore, the degree of freedom in design of the layer thickness and composition of each layer constituting the superlattice structure is expanded, and various characteristics can be improved as the crystallinity is improved.
  • the composition and layer thickness of each layer constituting the superlattice structure are changed with respect to the layer thickness direction or a direction perpendicular to the layer thickness direction. It is also good.
  • the difference in crystallinity between the stripe-shaped opening and the current confinement layer causes an action like selective growth. Therefore, the resistance of the opening may become high immediately after the A1 composition becomes high in the stripe-like opening. In such a case By changing the composition and layer thickness of each layer constituting the superlattice structure in an inclined manner, it is possible to obtain the effect of suppressing the resistance of the striated opening.

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Abstract

　本発明に係るIII族窒化物半導体発光素子は、III族窒化物半導体からなる活性層１０５と、活性層１０５上に形成された、ストライプ状の開口部１０８ａを有する電流狭窄層１０８と、開口部１０８ａを埋設する、Ａｌを含むIII族窒化物半導体からなる超格子層（ｐ型層１０９）と、前記超格子層上に形成された、Ａｌを含むIII族窒化物半導体からなるクラッド層１１０と、を備える。前記超格子層の平均Ａｌ組成比をｘ１とし、クラッド層１１０の平均Ａｌ組成比をｘ２とした場合において、ｘ１＜ｘ２である。  

Description

明 細 書
m族窒化物半導体発光素子
技術分野
[0001] 本発明は、電流狭窄層を有する in族窒化物半導体発光素子に関する。
背景技術
[0002] 近年の代表的な光ディスクである DVD (Digital Versatile Disk)は、映画、音 楽、ゲーム、カーナビゲーシヨンなどの再生系から、 TVレコーダ、パソコン搭載ドライ ブなどの記録系まで、非常に幅広い分野に普及している。その記録容量は CDのお よそ 7倍であり、例えば現行の TV映像を標準的な画質で録画するには十分な量であ る。しかし、将来普及が見込まれるデジタルノ、イビジョン映像をそのままの高画質で 録画する場合、従来に比べて情報量が圧倒的に多くなるため、現状の DVDでは 20 〜30分程度しか記録できない。そこで、従来の DVDに比べて約 5倍もの大容量記 録が可能な次世代光ディスクシステムに対する期待が高まりつつある。
[0003] 次世代光ディスクシステム用の光源としては、波長 405nmの窒化物系青紫色半導 体レーザが用いられる。これは、従来の DVDで使われている波長 650nmの AlGaln P系赤色半導体レーザよりも光を小さく絞り込むことが可能であり、信号の高密度記 録に適して 、るためである。
[0004] 従来の窒化物系半導体レーザは、その材料固有の性質力 作製が容易でなぐ p 型クラッド層をドライエッチングで加工してリッジ構造とするのが一般的である。具体 的には、図 4に示すように、 n型基板 11と、 n型クラッド層 13と、活性層 15と、リッジ構 造である p型クラッド層 20と、が順に積層されており、さらに、 n型基板 11の下面およ び p型クラッド層 20のリッジ部分の上面には、各々電極 22, 23を有している。リッジ構 造を有する窒化物系半導体レーザの場合、水平方向の光閉じ込めは、リッジ構造の 外側の空気との屈折率差で制御される。従って、 p型クラッド層 20のエッチング残り厚 さ dが、ビーム形状を決める重要なパラメータとなる。
[0005] しかしこの構造は、次のような問題がある。まず、リッジ外側が屈折率の小さ!/、空気 なので、水平方向の屈折率差 Δ ηが比較的大きくなる。そのため、高次横モードが発 生しやすぐ高出力の単一横モード動作が困難である。リッジ構造の窒化物系半導 体レーザにおいて Δηを小さくするには、 ρ型クラッド層 20の残り厚 dを厚くする必要 があるが、その場合には、 p型クラッド層 20での電流の水平方向広がりが大きくなるた め、レーザ発振に寄与しない無効な電流成分が多くなり、動作電流の増大を招く。
[0006] また、リッジ構造の外側が熱伝導率の低!、空気なので、発光領域力 の放熱のほと んどは、 n側からし力、行われない。そのため、リッジ構造を有する窒化物系半導体レ 一ザは、放熱性が低ぐ高出力 ·高温動作が困難であった。
[0007] またさらに、リッジ導波路は、ドライエッチング等の手法で p型クラッド層 20を加工し て形成される。そのため、ビーム形状の制御に極めて重要な p型クラッド層 20の残り 厚 dにばらつきを生じやすぐ歩留まりを低下させる要因の一つとなっている。
[0008] これらの問題を解決するため、例えば、特許文献 1などに、インナーストライプ構造 を有する窒化物系半導体レーザが提案されている。図 5に示すように、この構造の場 合、ストライプ外側が窒化物系材料で覆われているため、水平方向の屈折率差 Δη が比較的小さい。従って、高出力の単一横モード動作が容易に実現される。
また、ストライプ外側が熱伝導率の高い窒化物系材料で覆われているため、放熱性 が高ぐ高出力，高温動作が可能となる。
[0009] さらに、リッジ構造の ρ型クラッド層の残り厚に相当する部分 dが結晶成長で形成さ れるため、層厚のばらつきが小さぐ安定してビーム形状を制御することができる。そ のため高歩留まりであり、量産性に優れている。
[0010] カロえて、 p電極との接触面積を広く取れるため、図 4に示すようなリッジ構造と比較し て、コンタクト抵抗を低減することができる。
特許文献 1：特開 2003 - 78215号公報
発明の開示
[0011] し力しながら、上記文献記載の従来技術は、以下の点で改善の余地を有していた。
[0012] 第一に、特許文献 1に記載のインナーストライプ構造を有する窒化物系半導体レー ザの場合、低い素子抵抗を安定して得るのは必ずしも容易ではなかった。この理由 は、次のように説明される。
[0013] 図 5に示すようなインナーストライプ構造を形成するには、ストライプ状の開口部を 有する電流狭窄層 18の凹凸面上に、ドーパントとして Mgを用いて結晶成長を行 、、 P型クラッド層 20を形成する。この時、開口部に埋設された p型クラッド層 20の部分に おいて、中央部と端部とでは Mgの取り込み効率が異なるため、 Mgの面内均一性は 必ずしも保たれない。その結果、低い素子抵抗を安定して実現するのは必ずしも容 易ではなかった。
[0014] 本発明者は、このような低い素子抵抗を安定して実現するには、電流狭窄層の開 口部内に超格子構造を有する層（以下、超格子層ともいう）を形成することが必要で あることを見出した。し力しながら、このように超格子層は、電流狭窄層の開口部への 結晶成長により形成されるため、超格子構造のばらつきが顕著になる場合がある。そ のため、層厚が厚くなつた部分で抵抗が高くなり、依然として低い素子抵抗を安定し て実現することはできな力つた。このように、低い素子抵抗を安定して得ることのでき る III族窒化物半導体発光素子が求められていた。
[0015] 本発明によれば、 III族窒化物半導体力 なる活性層と、
前記活性層上に形成された、ストライプ状の開口部を有する電流狭窄層と、 前記開口部を埋設する、 A1を含む III族窒化物半導体力もなる超格子層と、 前記超格子層上に形成された、 A1を含む III族窒化物半導体力もなるクラッド層と、 を備え、
前記超格子層の平均 A1組成比を xlとし、前記クラッド層の平均 A1組成比を x2とし た場合にぉ 、て xl < x2である、 III族窒化物半導体発光素子が提供される。
[0016] この発明によれば、電流狭窄層の開口部を埋設する、 III族窒化物半導体力 なる 超格子層の平均 A1組成比が、当該超格子層上に形成された、 A1を含む III族窒化物 半導体力もなるクラッド層の平均 A1組成比よりも小さ 、ため、低 、素子抵抗が安定し て得られる III族窒化物半導体発光素子を提供することができる。
[0017] なお、超格子層とは超格子構造を有する層を意味する。
[0018] この発明によれば、低 、素子抵抗を安定して得ることができる III族窒化物半導体発 光素子が提供される。
図面の簡単な説明
[0019] 上述した目的、およびその他の目的、特徴および利点は、以下に述べる好適な実 施の形態、およびそれに付随する以下の図面によってさらに明らかになる。
[0020] [図 1]第 1の実施の形態に係る III族窒化物半導体発光素子を模式的に示した断面図 である。
[図 2]第 2の実施の形態に係る III族窒化物半導体発光素子を模式的に示した断面図 である。
[図 3]第 3の実施の形態に係る III族窒化物半導体発光素子を模式的に示した断面図 である。
[図 4]従来のリッジ構造を有する窒化物系半導体レーザを模式的に示した断面図で ある。
[図 5]従来のインナーストライプ構造を有する窒化物系半導体レーザを模式的に示し た断面図である。
発明を実施するための最良の形態
[0021] 以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。尚、すべての図面 において、同様な構成要素には同様の符号を付し、適宜説明を省略する。
(第 1の実施形態）
[0022] 図 1は、第 1の実施形態に係る III族窒化物半導体発光素子の断面図である。 III族 窒化物半導体発光素子は、 n型基板 101上に、 n型バッファ層 102と、 n型クラッド層 103と、 n型光閉じ込め層 104と、活性層 105と、 p型キャップ層 106と、 p型光閉じ込 め層 107とが順に積層されて 、る。
[0023] p型光閉じ込め層 107上には、ストライプ状の開口部 108aを有する電流狭窄層 10 8が形成されている。さらに、電流狭窄層 108の開口部 108aを埋め込むように、超格 子層である P型層 109が形成されて 、る。電流狭窄層 108および p型層 109上には、 P型クラッド層 110と、 p型コンタクト層 111とが積層されている。 n型基板 101の下面 には n電極 112が備えられており、 p型コンタクト層 111の上面には p電極 113が備え られている。
[0024] n型基板 101は、例えば GaN基板からなる。 n型バッファ層 102は、例えば GaNか らなり、厚さ: L m程度である。 n型クラッド層 103は、例えば Al Ga Nからなり、厚さ
0.1 0.9
程度である。 n型光閉じ込め層 104は、例えば GaN力もなる。活性層 105は、 井戸層と障壁層とからなる多重量子井戸構造を有する。井戸層は、例えば In Ga
0.15 0.8
Nからなり、厚さ 3nm程度である。障壁層は、例えば In Ga Nからなり、厚さ 4nm
5 0.01 0.99
程度である。 P型キャップ層 106は、例えば Al Ga N力もなる。 p型光閉じ込め層 1
0.2 0.8
07は、例えば GaNからなり、厚さ 0. 1 μ m程度である。 p型コンタクト層 111は、例え ば GaNからなり、厚さ 0. 1 μ m程度である。 n型不純物は、例えば Siであり、 p型不純 物は、例えば Mgである。
[0025] 電流狭窄層 108は、 Al Ga N (0. 4≤w≤ 1)力もなり、例えば A1N力もなる。開口 部 108aの外側に熱伝導率の高い窒化物系材料力もなる電流狭窄層 108が形成さ れているため、放熱性が高ぐ高出力特性、高温動作特性に優れた III族窒化物半導 体発光素子と提供することができる。電流狭窄層 108の層厚は、好ましくは 0.
以下、より好ましくは 0. 12 m以下とすることができる。本実施形態においては、例 えば 0. 程度とする。
[0026] また、活性層 105と電流狭窄層 108との距離は、好ましくは 0. 2 m以下、より好ま しくは 0. 15 m以下である。本実施形態においては、例えば、 0. 1 m程度とする
[0027] p型層 109は、例えば厚さ 2. 5nm程度の GaNと、厚さ 2. 5nm程度の Al Ga N
0.1 0.9 とから構成された超格子構造を有する。
[0028] また、本実施形態においては、超格子構造を有する p型層 109の平均 A1組成を「x 1」とし、 p型クラッド層 110の平均 A1組成を「x2」と表した場合、 xlく x2とすること力 S できる。具体的には、 ρ型層 109力 厚さ 2. 5nmの GaNと、厚さ 2. 5nmの Al Ga
0.1 0.9
Nとからなる超格子構造を有する場合、 p型クラッド層 110を、例えば、厚さ 2. 5nmの GaNと、厚さ 2. 5nmの Al Ga Nとから構成された超格子構造とすることができる。
0.2 0.8
また、 P型層 109力 例えば、厚さ 5nmの GaNと厚さ 2. 5nmの Al Ga Nからな
0. 15 0. 85 る超格子構造を有する場合、 p型クラッド層 110を、例えば、厚さ 2. 5nmの GaNと厚 さ 2. 5nmの Al Ga Nと力 構成された超格子構造とすることができる。
0.2 0.8
このような III族窒化物半導体発光素子は、青紫色半導体レーザに好適に用いるこ とがでさる。
[0029] 次に、第 1の実施形態の製造方法を説明する。 [0030] 本実施形態の III族窒化物半導体発光素子の作製には、 300hPaの減圧 MOVPE 装置を用いることができる。キャリアガスには水素と窒素の混合ガスを用い、 Ga、 Al、 Inソースとして、それぞれトリメチルガリウム、トリメチルアルミニウムトリメチルインジゥ ムを用いることができる。また、 n型不純物としてシラン、 p型不純物としてビスシクロべ ンタジェ-ルマグネシウムを用いることができる。
[0031] まず、 n型 GaN基板 101を成長装置に投入後、アンモニアを供給しながら基板を昇 温し、成長温度まで達した時点で成長を開始する。 1回目の成長では、 n型 GaNバッ ファ層 102、n型 Al Ga Nクラッド層 103、 n型 GaN光閉じ込め層 104、 In Ga
0.1 0.9 0.15 0.85
N井戸層と In Ga N障壁層とからなる多重量子井戸構造を有する活性層 105、 p
0.01 0.99
型 Al Ga Nキャップ層 106、 p型 GaN光閉じ込め層 107、および電流狭窄層 10
0. 2 0. 8
8を形成する。成長温度は、例えば電流狭窄層 108は 200〜700°C、活性層 105は 800°C、それ以外は 1100°Cとすることができる。
[0032] 電流狭窄層 108は、例えば A1Nとし、その層厚を 0. 1 μ mとする。 A1N電流狭窄層 108は低温で成長するため、 1回目の成長終了時はアモルファス状である。その上に SiO
2膜を堆積し、通常のフォトリソグラフィー技術を用いて、ストライプ状の開口部を 有する SiOマスクを形成する。次に、燐酸と硫酸の混合液を 50〜200°Cに保持して
2
エッチング液とし、 A1N電流狭窄層 108にストライプ状の開口部を形成する。
[0033] 次に、再び成長装置に投入した後、アンモニアを供給しながら基板を昇温し、成長 温度まで達した時点で 2回目の成長を開始する。このとき、厚さ 0. 1 μ mの A1N電流 狭窄層 108は、基板の昇温過程で単結晶化が進む。
[0034] 次 、で、超格子構造からなる p型層 109、 p型クラッド層 110、 p型 GaNコンタクト層 1
11を形成する。超格子構造力もなる p型層 109は、例えば厚さ 2. 5nmの GaNと厚さ
2. 5nmの Al Ga N力もなる超格子構造とする。 p型クラッド層 110は、例えば厚
0. 1 0. 9
さ 2. 5nmの GaNと厚さ 2. 5nmの Al Ga Nからなる超格子構造とする。その後、下
0.2 0.8
面に n電極 112、上面に p電極 113を形成する。
[0035] 本実施形態においては、このような簡便な方法により III族窒化物半導体発光素子 を作製することができるため量産性に優れる。
[0036] 以下に、第 1の実施形態の効果を説明する。 [0037] 本実施形態にぉ 、ては、超格子構造を有する p型層 109の平均 A1組成比力 p型 クラッド層 110の平均 A1組成比よりも小さ 、。
このように、ストライプ開口部 108aの内部に設ける超格子層である p型層 109の平 均 A1組成を低くすることで、超格子構造の乱れによる抵抗悪ィ匕の影響を軽減すること ができ、低い素子抵抗を安定して得ることができる。
[0038] このような効果が得られる理由を以下に説明する。
電流狭窄層に形成されたストライプ状の開口部の内部に、例えば GaNZAlGaNの 超格子層を形成した場合、超格子構造にぉ 、ては各界面でキャリアが誘起されるた め、バルタ構造に比べて面内方向のキャリア移動度が増大する。そのため、開口部 における Mg分布の面内均一性の良否に関わらず、開口部におけるキャリア分布は 均一になる。その結果、低い素子抵抗を安定して得ることが可能となる。
[0039] しかしながら、超格子層は、電流狭窄層 108のストライプ状の開口部 108a内への 結晶成長により形成されるため、超格子構造における層厚のばらつきが顕著となる可 能性がある。この際、例えば超格子層が GaNZAlGaNで構成され、各層の層厚が ばらつ 、た場合、超格子構造によるキャリア分布の均一化の効果は失われな 、もの の、 AlGaN層の層厚が厚くなつた部分で抵抗が高くなり、低い素子抵抗を安定して 得ることができない。
[0040] この影響を軽減するには、超格子層を形成する AlGaNの A1組成を低くすることが 考えられる。し力しながら、電流狭窄層 108に近い側のクラッド層（p型クラッド層 110) は、垂直方向の光分布を制御する主な層であるため、その A1組成比は光分布制御 の観点から下限値が決められる。そこで本実施形態においては、電流狭窄層 108〖こ 近!、側の p型クラッド層 110の平均 A1組成比を光分布制御の観点力も決定し、それ に対して、ストライプ開口部 108aの内部に設ける超格子構造の平均 A1組成比を素 子抵抗の観点力 低く設定する。これにより、光閉じこめ効果を保持しながら、超格子 構造が乱れた場合においても、その乱れに起因する抵抗悪ィ匕の影響を軽減すること が可能となる。その結果、 III族窒化物半導体発光素子において、低い素子抵抗を安 定して得ることが可能となる。
[0041] また、本実施形態においては、電流狭窄層の層厚を好ましくは 0. 2 μ m以下、より 好ましくは 0. 12 /z m以下とすることができる。
電流狭窄層の層厚を上記範囲とすることで、ストライプ状の開口部の内部に形成さ れる超格子構造のばらつきそのものを抑制することができる。
[0042] より詳細には、例えば GaN層の上に A1N電流狭窄層を設ける場合、両者の格子定 数差に起因するクラックの発生を防止するため、電流狭窄層を低温で形成してァモ ルファス状とする。このアモルファス状の電流狭窄層は、 2回目の結晶成長の昇温過 程において単結晶化が促進されるが、この時、電流狭窄層が厚すぎると、電流狭窄 層の単結晶化が十分に進む前に、 2回目の結晶成長が開始される。電流狭窄層の 上は、結晶性が悪いために結晶成長速度が遅ぐ原料ガス力 Sストライプ開口部へ多く 供給されるため、ストライプ開口部の内部に設ける超格子構造に乱れを生ずる要因と なる。この超格子構造の乱れを抑制するには、電流狭窄層の厚さを、 2回目の結晶 成長の昇温過程において、電流狭窄層が十分に単結晶化される上限値よりも薄くす る必要がある。
[0043] 本実施形態においては電流狭窄層の厚さを上記範囲とすることで、ストライプ開口 部の内部に形成される超格子構造の乱れを抑制することができる。その結果、低い 素子抵抗をさらに安定して得ることが可能となる。
[0044] 本実施形態においては、電流狭窄層は、 Al Ga N (0. 4≤w≤ 1)から構成するこ w 1— w
とがでさる。
これにより、電流狭窄層の厚さが薄い場合でも、電流狭窄の機能を十分に得ること ができる。より詳細には、電流狭窄層のキャリアに対するエネルギー障壁が小さくなる と、レーザ発振に寄与しない電流成分が指数関数的に増大し、動作電流が急激に 悪化する。この傾向は、電流狭窄層が薄くなる程顕著となる。この影響を抑制するに は、電流狭窄層のエネルギー障壁を、レーザ発振に寄与しない電流成分が急増し始 める下限値よりも大きくすれば良ぐ電流狭窄層が AlGaNで構成される場合には、 A 1組成を高くすれば良い。具体的には、電流狭窄層の厚さが 0. 以下と薄い場 合においても、電流狭窄層の A1組成を 0. 4以上 1以下とすることで、十分な電流狭 窄の機能を実現できる。
[0045] 本実施形態においては、電流狭窄層と活性層との離間距離を好ましくは 0. 2 m 以下、より好ましくは 0. 15 m以下にすることができる。
電流狭窄層と活性層との離間距離を上記範囲とすることにより、これらの間を水平 方向に流れる無効電流を大幅に低減することができ、低 、動作電流を実現すること ができる。
[0046] 一般的に、電流狭窄層を活性層に近づけると、水平方向の屈折率差 Δ ηが大きく なり、高出力の単一横モード動作が困難となる。ここで、電流狭窄層の厚さ、材料を 前記のように規定すると、電流狭窄層と活性層との距離を上記範囲に近づけても、水 平方向の屈折率差 Δ ηは、例えば 0. 005程度と、十分小さな値を維持できる。その ため、高出力の単一横モード動作を維持しつつ、動作電流の大幅な低減が可能とな る。
[0047] (第 2の実施形態）
図 2は、第 2の実施形態を示す断面図である。
[0048] 第 1の実施の形態との相違点は、電流狭窄層 108のストライプ状の開口部 108aに 、 P型再成長層 201と、超格子構造力もなる p型層 109とが含まれる点である。ここで p 型再成長層 201は、例えば GaN、 AlGaN、 InGaNなどからなる。
[0049] 第 2の実施形態においても、第 1の実施形態と同様の効果が得られ、さらに再成長 界面の平坦性を改善する効果や、垂直方向の光分布を調整する効果などが得られ る。また、第 2の実施形態においても、 p型層 109は超格子構造力もなる。そのため、 電流狭窄層 108のストライプ状の開口部 108aに、超格子構造からなる p型層 109以 外の層を含む構造であっても、電流狭窄層 108のストライプ状の開口部 108aにおけ るキャリア分布の均一化の効果は、第 1の実施の形態と同様に得ることができる。
[0050] なお、上記実施形態は例示であり、様々な変形例が可能であること、また、そうした 変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されうるところである。例えば、電 流狭窄層 108のストライプ状の開口部 108aに、超格子構造からなる p型層 109以外 の層として、 p型再成長層 201だけでなぐそれ以外の層を含んでいてもよい。
(第 3の実施形態）
[0051] 図 3は、第 3の実施形態を示す断面図である。
[0052] 第 1の実施形態との相違点は、超格子層である p型層 109が、電流狭窄層 108のス トライプ状の開口部 108aだけでなぐ電流狭窄層 108上にも形成されている点であ る。
[0053] 電流狭窄層 108上における p型層 109の成長は、例えば電流狭窄層 108を薄くす ることで促進される。第 3の実施形態においても、第 1の実施形態と同様の効果が得 られる。
[0054] なお、上記実施の形態は例示であり、様々な変形例が可能であること、また、そうし た変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されうるところである。例えば、第 2の実施形態と、第 3の実施形態を組み合わせた例も可能である。また、例えば p型ク ラッド層 110が多段、あるいは複数層で構成されてもよぐまた、例えば n型クラッド層 103が超格子構造で構成されてもょ ヽ。
[0055] 以上、図面を参照して本発明の実施形態について述べたが、これらは本発明の例 示であり、上記以外の様々な構成を採用することもできる。
[0056] 例えば、電流狭窄層のストライプ状の開口部に超格子層を有する構造であれば、 電流狭窄層を n側に設けることもできる。
[0057] また、電流狭窄層は、ストライプ状の開口部以外の箇所で途切れていても良ぐ電 流狭窄層の端が素子の端と一致していなくても良い。
[0058] また、例えば、本発明の第 1から第 3の実施形態のいずれにおいても、超格子層で ある P型層 109は、例えば InGaNと AlGaNからなる超格子構造で構成されてもよ!、。 この場合、特に、 n型基板 101として GaNを用いる場合、超格子構造からなる p型層 1 09が GaNと AlGaNカゝらなる超格子構造で構成された場合に比べて、格子歪を補償 する効果が得られる。そのため、超格子構造を構成する各層の層厚と組成の設計の 自由度が拡大すると共に、結晶性の向上に伴い、種々の特性を改善することが可能 となる。
[0059] また、例えば、超格子層である p型層 109は、超格子構造を構成する各層の組成と 層厚を、層厚方向、あるいは層厚方向と垂直の方向に対して変化させてもよい。この 場合、特に、 2回目の成長の初期段階で、ストライプ状の開口部と電流狭窄層との結 晶性の違いにより、選択成長のような作用が生じる。そのため、ストライプ状の開口部 で A1組成が高くなりやすぐ開口部の抵抗が高くなる場合がある。このような場合には 、超格子構造を構成する各層の組成や層厚を傾斜的に変化させることで、ストライブ 状の開口部の抵抗悪ィ匕を抑制する効果を得ることができる。

Claims

請求の範囲
[1] III族窒化物半導体力もなる活性層と、
前記活性層上に形成された、ストライプ状の開口部を有する電流狭窄層と、 前記開口部を埋設する、 A1を含む III族窒化物半導体力もなる超格子層と、 前記超格子層上に形成された、 A1を含む III族窒化物半導体力もなるクラッド層と、 を備え、
前記超格子層の平均 A1組成比を xlとし、前記クラッド層の平均 A1組成比を x2とし た場合において、 xlく x2である、 III族窒化物半導体発光素子。
[2] 請求項 1に記載の III族窒化物半導体発光素子にぉ 、て、
前記電流狭窄層の層厚が 0. 2 m以下である、 III族窒化物半導体発光素子。
[3] 請求項 2に記載の III族窒化物半導体発光素子において、
前記電流狭窄層は、 Al Ga N (0. 4≤w≤l)力もなる、 III族窒化物半導体発光 素子。
[4] 請求項 1乃至 3のいずれかに記載の III族窒化物半導体発光素子において、
前記電流狭窄層と前記活性層との離間距離は 0. 以下である、 III族窒化物半 導体発光素子。
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