JP4493041B2 - Nitride semiconductor light emitting device - Google Patents

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Description

本発明は、窒化物半導体発光素子及びその製造方法に関し、例えば短波長発光ダイオード素子又は青紫色半導体レーザ素子に適用可能な窒化物半導体発光素子及びその製造方法に関する。   The present invention relates to a nitride semiconductor light emitting device and a method for manufacturing the same, and more particularly to a nitride semiconductor light emitting device applicable to a short wavelength light emitting diode device or a blue-violet semiconductor laser device and a method for manufacturing the same.

一般式がInxAlyGa1-x-yN(但し、x,yは、0≦x≦1,0≦y≦1,0≦x+y≦1である。)で表わされるIII-V族窒化物半導体は、例えば窒化ガリウム(GaN)の室温における禁制帯幅が3.4eVと比較的に大きい禁制帯幅を有するため、可視域発光ダイオード素子又は短波長半導体レーザ素子等の発光デバイスに応用することができる。特に、発光ダイオード素子は、既に青色発光ダイオード素子及び緑色発光ダイオード素子が各種表示パネル、大型ディスプレイ装置又は交通信号機等として実用化されている。また、蛍光材料を励起することにより可視光を発光する白色発光ダイオード素子も液晶バックライト用の光源等として商品化されている。一方、窒化物半導体よりなる半導体レーザ素子は、Blue-Ray Discに代表される次世代高密度光ディスクの書き込み光源として既に実用化できる技術レベルにある。このように、III-V族窒化物半導体よりなる半導体光デバイスにおける高輝度化、高出力化又は高効率化に向けてその研究及び開発が活発に進められている。 General formula In x Al y Ga 1-xy N ( where, x, y are, 0 ≦ x ≦ 1,0 ≦ y ≦ 1,0 a ≦ x + y ≦ 1.) III-V nitride represented by For example, gallium nitride (GaN) has a comparatively large forbidden band width of 3.4 eV, so that the semiconductor is applied to a light emitting device such as a visible light emitting diode element or a short wavelength semiconductor laser element. Can do. In particular, as for the light emitting diode element, a blue light emitting diode element and a green light emitting diode element have already been put into practical use as various display panels, large display devices, traffic signals, or the like. A white light emitting diode element that emits visible light by exciting a fluorescent material is also commercialized as a light source for a liquid crystal backlight. On the other hand, a semiconductor laser element made of a nitride semiconductor is already at a technical level that can be put into practical use as a writing light source for a next-generation high-density optical disk represented by a Blue-Ray Disc. As described above, research and development have been actively promoted toward higher brightness, higher output, or higher efficiency in a semiconductor optical device made of a group III-V nitride semiconductor.

これまでの有機金属気相成長(Metal Organic Chemical Vapor Deposition:MOCVD)法を中心とする結晶成長技術に関する研究及び開発の結果、窒化物半導体よりなる発光デバイスの輝度、出力及び発光効率は大きく向上してきている。具体的には、サファイアよりなる基板上に低温バッファ層を介在させたヘテロエピタキシャル成長技術、InGaNよりなる多重量子井戸構造を有する活性層成長技術、及びドーパントの活性化を図るアニールによる低抵抗のp型GaNの成長技術等の主要技術の確立が窒化物半導体光デバイスの高性能化に大きく貢献してきている。   As a result of research and development on crystal growth technology centered on the conventional metal organic chemical vapor deposition (MOCVD) method, the brightness, output and luminous efficiency of light-emitting devices made of nitride semiconductors have greatly improved. ing. Specifically, a hetero-epitaxial growth technique in which a low-temperature buffer layer is interposed on a substrate made of sapphire, an active layer growth technique having a multiple quantum well structure made of InGaN, and a low resistance p-type by annealing for dopant activation The establishment of major technologies such as GaN growth technology has greatly contributed to the high performance of nitride semiconductor optical devices.

さらには、窒化ガリウム(GaN)よりなる基板も市販されるに至り、GaN基板に成長するエピタキシャル層の結晶性はさらに向上すると予想されている。今後の高性能化に向けては、オーミック電極におけるコンタクト抵抗の低減及び寄生抵抗の低減等も重要になってきている。   Furthermore, a substrate made of gallium nitride (GaN) is also commercially available, and the crystallinity of an epitaxial layer grown on the GaN substrate is expected to be further improved. In order to improve performance in the future, it is also important to reduce contact resistance and parasitic resistance in ohmic electrodes.

以下、従来のサファイア基板を用いた窒化物半導体発光素子について説明する。   Hereinafter, a nitride semiconductor light emitting device using a conventional sapphire substrate will be described.

図9は従来例に係るIII-V族窒化物半導体を用いた発光ダイオード素子の断面構成を示している(例えば、特許文献1を参照。)。   FIG. 9 shows a cross-sectional configuration of a light-emitting diode element using a group III-V nitride semiconductor according to a conventional example (see, for example, Patent Document 1).

図9を参照しながら、従来例に係る発光ダイオード素子の構成を製造方法と共に説明する。図9に示すように、まず、例えばMOCVD法により、サファイアよりなる基板801の上に、n型GaNよりなるn型コンタクト層802、n型AlGaNよりなるn型クラッド層803、InGaNよりなる多重量子井戸活性層804及びp型AlGaNよりなるp型クラッド層805を順次形成する。   With reference to FIG. 9, a configuration of a light emitting diode device according to a conventional example will be described together with a manufacturing method. As shown in FIG. 9, first, an n-type contact layer 802 made of n-type GaN, an n-type clad layer 803 made of n-type AlGaN, a multi-quantum made of InGaN, on a substrate 801 made of sapphire, for example, by MOCVD. A well active layer 804 and a p-type cladding layer 805 made of p-type AlGaN are sequentially formed.

続いて、形成したp型クラッド層805、多重量子井戸活性層804及びn型クラッド層803に対して、例えば塩素(Cl2 )ガスによるドライエッチングを選択的に行なって、n型コンタクト層802の一部を露出する。 Subsequently, the p-type cladding layer 805, the multiple quantum well active layer 804, and the n-type cladding layer 803 thus formed are selectively subjected to dry etching using, for example, chlorine (Cl 2 ) gas to form the n-type contact layer 802. Expose part.

その後、p型クラッド層805の上面に、ニッケル(Ni)とその上の金(Au)との積層体よりなる透明電極806を形成する。透明電極806に透明性を持たせるには、積層体の膜厚を10nmかそれ以下とする必要がある。また、n型コンタクト層802の露出部分上には、チタン(Ti)とその上のアルミニウム(Al)との積層体よりなるn側電極807を形成する。   Thereafter, a transparent electrode 806 made of a laminate of nickel (Ni) and gold (Au) thereon is formed on the upper surface of the p-type cladding layer 805. In order to give transparency to the transparent electrode 806, the film thickness of the laminate needs to be 10 nm or less. An n-side electrode 807 made of a laminate of titanium (Ti) and aluminum (Al) thereon is formed on the exposed portion of the n-type contact layer 802.

続いて、透明電極806上の一部の領域に、金(Au)よりなりボンディングパッドとなるp側電極808を形成する。   Subsequently, a p-side electrode 808 made of gold (Au) and serving as a bonding pad is formed in a partial region on the transparent electrode 806.

このように、p側電極808に加えて透明電極806を設けることにより、多重量子井戸活性層804からの、例えば発光波長が470nmの青色光はその大部分が透明電極806を透過して素子の外部に取り出すことができる。
特開平6−314822号公報
In this way, by providing the transparent electrode 806 in addition to the p-side electrode 808, most of the blue light having an emission wavelength of, for example, 470 nm from the multiple quantum well active layer 804 passes through the transparent electrode 806, and the element Can be taken out.
JP-A-6-314822

しかしながら、前記従来の窒化物半導体発光素子及びその製造方法は、n型GaNよりなるn型コンタクト層802にオーミック電極であるn側電極807が形成されている。一般に、GaNはその禁制帯幅が3.4eVと大きいものの、その電子親和力が小さいため、オーミック電極を形成する金属とのポテンシャル障壁が大きくなる。このため、低抵抗のオーミックコンタクトを実現することは困難である。その結果、n型コンタクト層802に対するオーミックコンタクト抵抗は1×10-5Ωcm2 程度に留まっており、他のIII-V族化合物半導体の砒化ガリウム(GaAs)等を用いた化合物半導体デバイスによって実現される1×10-6Ωcm2 以下のオーミックコンタクト抵抗を実現することが極めて困難である。このため、III-V族窒化物半導体を用いた発光ダイオード素子の動作電圧を容易には低減することができないという問題がある。 However, in the conventional nitride semiconductor light emitting device and the manufacturing method thereof, the n-side electrode 807 that is an ohmic electrode is formed on the n-type contact layer 802 made of n-type GaN. In general, GaN has a large forbidden band of 3.4 eV, but its electron affinity is small, so that the potential barrier with the metal forming the ohmic electrode becomes large. For this reason, it is difficult to realize a low-resistance ohmic contact. As a result, the ohmic contact resistance with respect to the n-type contact layer 802 is limited to about 1 × 10 −5 Ωcm 2 , which is realized by a compound semiconductor device using gallium arsenide (GaAs) or the like of another III-V group compound semiconductor. It is extremely difficult to realize an ohmic contact resistance of 1 × 10 −6 Ωcm 2 or less. For this reason, there exists a problem that the operating voltage of the light emitting diode element using a III-V group nitride semiconductor cannot be reduced easily.

本発明は、前記従来の問題に鑑み、III-V族窒化物系化合物半導体を用いた半導体発光素子において、n型半導体層に対するオーミックコンタクト抵抗を低減して低電圧動作を実現できるようにすることを目的とする。   In view of the above-described conventional problems, the present invention provides a semiconductor light-emitting device using a group III-V nitride-based compound semiconductor that can achieve low voltage operation by reducing ohmic contact resistance to an n-type semiconductor layer. With the goal.

前記の目的を達成するため、本発明は、窒化物半導体発光素子を、オーミック電極が形成されるn型コンタクト層に4元混晶であるn型InAlGaNよりなる混晶層を用いる構成とする。   In order to achieve the above object, according to the present invention, a nitride semiconductor light emitting device is configured to use a mixed crystal layer made of n-type InAlGaN which is a quaternary mixed crystal in an n-type contact layer on which an ohmic electrode is formed.

本願発明者らは、n型窒化物半導体層におけるオーミック電極とのオーミックコンタクト抵抗に関し、種々の実験により検討を重ねた結果、以下のような知見を得ている。すなわち、4元混晶であるInAlGaNは、電子親和力がGaNよりも大きいため、オーミック電極の仕事関数との差を小さくすることができる。これにより、InAlGaNはオーミック電極との接触部分におけるポテンシャル障壁が小さくなるので、1×10-6Ωcm2 以下のコンタクト抵抗を実現できるというものである。 The inventors of the present application have obtained the following knowledge as a result of repeated studies on the ohmic contact resistance with the ohmic electrode in the n-type nitride semiconductor layer through various experiments. That is, InAlGaN, which is a quaternary mixed crystal, has a higher electron affinity than GaN, and thus can reduce the difference from the work function of the ohmic electrode. As a result, InAlGaN has a small potential barrier at the contact portion with the ohmic electrode, so that a contact resistance of 1 × 10 −6 Ωcm 2 or less can be realized.

この構成により、n型GaN層の上にオーミック電極を形成した場合と比べてより小さいオーミックコンタクト抵抗を実現できるため、低動作電圧が可能な発光デバイスを得ることができる。   With this configuration, a smaller ohmic contact resistance can be realized as compared to the case where an ohmic electrode is formed on the n-type GaN layer, so that a light emitting device capable of a low operating voltage can be obtained.

具体的に、本発明に係る第1の窒化物半導体発光素子は、第1のIII-V族窒化物半導体よりなる活性層と、該活性層における互いに対向する対抗面のうちの一の面上に形成され、InxAlyGa1-x-yN(但し、x,yは、0<x<1,0<y<1,0<x+y<1である。)よりなり、n型の導電性を有する混晶層と、該混晶層と接するように形成されたオーミック電極とを備えていることを特徴とする。 Specifically, a first nitride semiconductor light emitting device according to the present invention includes an active layer made of a first group III-V nitride semiconductor and one of the opposing surfaces of the active layer facing each other. are formed on, in x Al y Ga 1- xy n ( where, x, y are, 0 <x <1,0 <y <1,0 < a x + y <1.) consists, n-type conductivity And an ohmic electrode formed so as to be in contact with the mixed crystal layer.

第1の窒化物半導体発光素子によると、InxAlyGa1-x-yNよりなり、n型の導電性を有するコンタクト層である混晶層と、該混晶層と接するように形成されたオーミック電極とを備えているため、前記の知見から、n型のドーピング濃度を高めることなく、n型の混晶層とオーミック電極とのコンタクト抵抗を低減することができる。これにより、より直列抵抗が小さく、低動作電圧化が可能な窒化物半導体発光素子を実現することができる。 According to a first nitride semiconductor light emitting device, made of In x Al y Ga 1-xy N, and a mixed crystal layer is a contact layer having n-type conductivity, which is formed in contact with該混crystal layer Since an ohmic electrode is provided, the contact resistance between the n-type mixed crystal layer and the ohmic electrode can be reduced without increasing the n-type doping concentration from the above knowledge. As a result, a nitride semiconductor light emitting device having a smaller series resistance and a lower operating voltage can be realized.

第1の窒化物半導体発光素子は、基板と、該基板の上に形成され、第2のIII-V族窒化物半導体よりなる下地層とをさらに備え、混晶層は下地層と格子整合していることが好ましい。   The first nitride semiconductor light emitting device further includes a substrate and a base layer formed on the substrate and made of a second group III-V nitride semiconductor, and the mixed crystal layer is lattice-matched with the base layer. It is preferable.

このようにすると、下地層と格子整合した混晶層はクラックを発生させることなく厚膜化できるため、例えばp側のオーミック電極とn側のオーミック電極とが一の面側に形成される場合には、n側のオーミック電極の周辺領域における直列抵抗をより低減できるので、より動作電圧が低くすることが可能となる。   In this case, the mixed crystal layer lattice-matched with the base layer can be thickened without generating cracks. For example, the p-side ohmic electrode and the n-side ohmic electrode are formed on one surface side. Since the series resistance in the peripheral region of the n-side ohmic electrode can be further reduced, the operating voltage can be further reduced.

第1の窒化物半導体発光素子において、混晶層は、InxAlyGa1-x-yN(但し、x,yは、0<x<1,0<y<1,0<x+y<1である。)における組成xに対する組成yの比(y/x)の値が3.5以上且つ3.7以下であることが好ましい。 In the first nitride semiconductor light emitting device, the mixed crystal layer, In x Al y Ga 1- xy N ( where, x, y are 0 <x <1,0 <y <1,0 <x + y <1 The ratio of the composition y to the composition x (y / x) is preferably 3.5 or more and 3.7 or less.

このようにすると、混晶層はその下地層となる窒化物半導体層と格子整合して結晶性が向上する。   In this way, the mixed crystal layer is lattice-matched with the nitride semiconductor layer serving as the underlying layer, and crystallinity is improved.

第1の窒化物半導体発光素子において、オーミック電極は、コンタクト抵抗が1×10-6Ωcm2 以下であることが好ましい。 In the first nitride semiconductor light emitting device, the ohmic electrode preferably has a contact resistance of 1 × 10 −6 Ωcm 2 or less.

このようにすると、n側のオーミック電極のコンタクト抵抗が十分に低減される。   In this way, the contact resistance of the n-side ohmic electrode is sufficiently reduced.

第1の窒化物半導体発光素子は、混晶層と接するように形成され、AlzGa1-zN(但し、zは、0<z≦1である。)よりなり、n型の導電性を有する第1クラッド層をさらに備え、混晶層は、該混晶層と第1クラッド層との界面における伝導帯の下端が連続となるように、Al、Ga又はInの組成が傾斜していることが好ましい。 The first nitride semiconductor light emitting device is formed so as to be in contact with the mixed crystal layer, and is made of Al z Ga 1 -zN (where z is 0 <z ≦ 1), and has n-type conductivity. A mixed crystal layer, the composition of Al, Ga or In being inclined so that the lower end of the conduction band at the interface between the mixed crystal layer and the first cladding layer is continuous. Preferably it is.

このように、AlzGa1-zNよりなり、n型の導電性を有する第1クラッド層を混晶層と接するように形成すると、該第1クラッド層はAlを組成に含むことより、一般に、Alを含まない活性層よりも屈折率が小さくなり且つ禁制帯幅が大きくなる。このため、活性層に対して垂直な方向の光閉じ込め機能が向上すると共に電流閉じ込め機能も向上する。さらに、InAlGaNよりなる混晶層の組成を傾斜させていることにより、混晶層とAlGaNよりなる第1クラッド層とのヘテロ電位障壁を低減できるため、高効率発光が可能となると共に直列抵抗が小さい窒化物半導体発光素子を実現することができる。 As described above, when the first clad layer made of Al z Ga 1-z N and having n-type conductivity is formed so as to be in contact with the mixed crystal layer, the first clad layer contains Al in the composition. In general, the refractive index is smaller and the forbidden band width is larger than that of an active layer not containing Al. For this reason, the light confinement function in the direction perpendicular to the active layer is improved and the current confinement function is also improved. Further, since the composition of the mixed crystal layer made of InAlGaN is inclined, the heteropotential barrier between the mixed crystal layer and the first cladding layer made of AlGaN can be reduced, so that high-efficiency light emission is possible and the series resistance is reduced. A small nitride semiconductor light emitting device can be realized.

また、第1の窒化物半導体発光素子は、混晶層と接するように形成され、AlzGa1-zN(但し、zは、0<z≦1である。)よりなり、n型の導電性を有する第1クラッド層をさらに備え、第1クラッド層は、該第1クラッド層と混晶層との界面における伝導帯の下端が連続となるように、Alの組成が傾斜していることが好ましい。 The first nitride semiconductor light emitting device is formed so as to be in contact with the mixed crystal layer, and is made of Al z Ga 1 -z N (where z is 0 <z ≦ 1), and is of n-type. A first cladding layer having conductivity is further provided, and the first cladding layer has an Al composition gradient such that the lower end of the conduction band at the interface between the first cladding layer and the mixed crystal layer is continuous. It is preferable.

このように、第1クラッド層の組成を傾斜することによっても、混晶層と第1クラッド層とのヘテロ電位障壁を低減できるため、高効率発光が可能となると共に直列抵抗が小さい窒化物半導体発光素子を実現することができる。   As described above, since the heteropotential barrier between the mixed crystal layer and the first cladding layer can be reduced also by inclining the composition of the first cladding layer, the nitride semiconductor enables high-efficiency light emission and low series resistance. A light emitting element can be realized.

また、第1の窒化物半導体発光素子は、活性層の他の面上に形成され、第3のIII-V族窒化物半導体よりなり、p型の導電性を有する第2クラッド層と、該第2クラッド層と接するように形成され、活性層から出射される発光光の波長における反射率が70%よりも大きい金属電極とをさらに備え、発光光は混晶層を通して取り出されることが好ましい。   The first nitride semiconductor light emitting device is formed on the other surface of the active layer, is made of a third group III-V nitride semiconductor, has a p-type conductivity second cladding layer, It is preferable to further include a metal electrode formed so as to be in contact with the second cladding layer and having a reflectance higher than 70% at a wavelength of emitted light emitted from the active layer, and the emitted light is preferably extracted through the mixed crystal layer.

このようにすると、発光光の取り出し効率を向上した発光ダイオード素子を実現することができる。   In this way, a light emitting diode element with improved emission light extraction efficiency can be realized.

この場合に、金属電極は、白金(Pt)、銀(Ag)又はロジウム(Rh)を主成分に含むことが好ましい。これらの金属は発光光の波長における反射率が70%よりも大きい金属であり好ましい。   In this case, the metal electrode preferably contains platinum (Pt), silver (Ag), or rhodium (Rh) as a main component. These metals are preferable because they have a reflectance higher than 70% at the wavelength of emitted light.

また、この場合に、第1の窒化物半導体発光素子は、金属電極と接するように形成され、厚さが10μm以上の金属膜をさらに備えていることが好ましい。   In this case, it is preferable that the first nitride semiconductor light emitting device further includes a metal film formed so as to be in contact with the metal electrode and having a thickness of 10 μm or more.

このようにすると、厚さが10μm以上の金属膜により熱抵抗が小さくなって放熱性に優れるため、大出力動作が可能となる。   In this case, the metal film having a thickness of 10 μm or more has a low thermal resistance and excellent heat dissipation, so that a large output operation is possible.

この場合の金属膜は、金(Au)を主成分に含むことが好ましい。   In this case, the metal film preferably contains gold (Au) as a main component.

このようにすると、めっき法により、熱抵抗が小さい金属膜を容易に形成することができる。   If it does in this way, a metal film with small heat resistance can be easily formed by plating.

第1の窒化物半導体発光素子は、活性層の他の面上に形成され、第3のIII-V族窒化物半導体よりなり、p型の導電性を有する第2クラッド層をさらに備え、第2クラッド層は導波路となるストライプ構造を有し、ストライプ構造により活性層においてレーザ発振を生じることが好ましい。   The first nitride semiconductor light emitting device further includes a second cladding layer formed on the other surface of the active layer, made of a third group III-V nitride semiconductor and having p-type conductivity, The two cladding layers preferably have a stripe structure that becomes a waveguide, and the stripe structure preferably causes laser oscillation in the active layer.

このようにすると、より直列抵抗が小さく且つ低電圧動作が可能な半導体レーザ素子を実現することができる。   In this way, it is possible to realize a semiconductor laser element having a smaller series resistance and capable of operating at a low voltage.

本発明に係る第2の窒化物半導体発光素子は、GaNよりなり、n型の導電性を有する基板と、基板の一の面上に形成され、活性層を含むpn接合構造体と、基板の他の面上に接するように形成され、InxAlyGa1-x-yN(但し、x,yは、0<x<1,0<y<1,0<x+y<1である。)よりなり、n型の導電性を有する混晶層と、混晶層と接するように形成されたオーミック電極とを備えていることを特徴とする。 A second nitride semiconductor light emitting device according to the present invention is made of GaN and has an n-type conductivity, a pn junction structure formed on one surface of the substrate and including an active layer, formed in contact with the other surface, in x Al y Ga 1- xy N ( where, x, y are 0 <x <1,0 <y < 1,0 <x + y <1.) from And a mixed crystal layer having n-type conductivity and an ohmic electrode formed so as to be in contact with the mixed crystal layer.

第2の窒化物半導体発光素子によると、n型の導電性を有するGaN基板の一の面上に形成された活性層を含むpn接合構造体は、その結晶性が優れるため、高効率発光を実現できる。その上、InxAlyGa1-x-yNよりなりn型の導電性を有する混晶層が基板の他の面上に接するように形成されているため、前述した知見により、該混晶層はそれと接するオーミック電極とのコンタクト抵抗を小さくできるので、直列抵抗が小さく且つ低電圧動作が可能な窒化物半導体発光素子を実現することができる。 According to the second nitride semiconductor light emitting device, the pn junction structure including the active layer formed on one surface of the GaN substrate having n-type conductivity has excellent crystallinity, and thus emits high efficiency light. realizable. Moreover, since the mixed crystal layer having a In x Al y Ga 1-xy N consists of n-type conductivity is formed in contact with the other surface of the substrate, the findings described above,該混crystal layer Since the contact resistance with the ohmic electrode in contact therewith can be reduced, a nitride semiconductor light emitting device having a low series resistance and capable of low voltage operation can be realized.

本発明に係る第3の窒化物半導体発光素子は、InxAlyGa1-x-yN(但し、x,yは、0<x<1,0<y<1,0<x+y<1である。)よりなり、n型の導電性を有する基板と、基板上に形成され、活性層を含むpn接合構造体と、基板と接するように形成されたオーミック電極とを備えていることを特徴とする。 Third nitride semiconductor light emitting device according to the present invention, In x Al y Ga 1- xy N ( where, x, y is the 0 <x <1,0 <y < 1,0 <x + y <1 And an n-type conductive substrate, a pn junction structure formed on the substrate and including an active layer, and an ohmic electrode formed in contact with the substrate. To do.

第3の窒化物半導体発光素子によると、基板自体にInxAlyGa1-x-yNよりなる4元混晶を用いているため、該基板と接するように形成されたオーミック電極のコンタクト抵抗を小さくできるので、直列抵抗が小さく且つ低電圧動作が可能な窒化物半導体発光素子を実現することができる。 According to a third nitride semiconductor light emitting device, due to the use of quaternary alloy consisting of In x Al y Ga 1-xy N on the substrate itself, the contact resistance of the ohmic electrode formed in contact with the substrate Since it can be made small, a nitride semiconductor light emitting device with low series resistance and capable of low voltage operation can be realized.

本発明に係る窒化物半導体発光素子の製造方法は、基板上に、InxAlyGa1-x-yN(但し、x,yは、0<x<1,0<y<1,0<x+y<1である。)よりなり、n型の導電性を有する混晶層をエピタキシャル成長により形成する工程(a)と、混晶層の上に該混晶層と接するように、活性層、p型半導体層及びn型半導体層を含むpn接合構造体をエピタキシャル成長により形成する工程(b)と、混晶層と接するようにオーミック電極を形成する工程(c)とを備えていることを特徴とする。 Fabrication of a nitride semiconductor light emitting device according to the present invention, on the substrate, In x Al y Ga 1- xy N ( where, x, y are, 0 <x <1,0 <y <1,0 <x + y <1.) And a step (a) of forming an n-type conductive mixed crystal layer by epitaxial growth, and an active layer, p-type so as to be in contact with the mixed crystal layer on the mixed crystal layer. And a step (b) of forming a pn junction structure including a semiconductor layer and an n-type semiconductor layer by epitaxial growth, and a step (c) of forming an ohmic electrode so as to be in contact with the mixed crystal layer. .

本発明の窒化物半導体発光素子の製造方法によると、基板上に、InxAlyGa1-x-yNよりなり、n型の導電性を有する混晶層をエピタキシャル成長により形成するため、該混晶層と接するようにオーミック電極との間のコンタクト抵抗が、前述した知見により低減されるので、より直列抵抗が少なく且つ動作電圧が低い窒化物半導体発光素子を実現することが可能となる。 According to the manufacturing method of the nitride semiconductor light-emitting device of the present invention, on a substrate, made of In x Al y Ga 1-xy N, since the mixed crystal layer having n-type conductivity is formed by epitaxial growth,該混crystals Since the contact resistance with the ohmic electrode so as to be in contact with the layer is reduced by the above-described knowledge, it is possible to realize a nitride semiconductor light emitting device with lower series resistance and lower operating voltage.

本発明の窒化物半導体発光素子の製造方法において、工程(a)は、混晶層を形成するよりも前に、基板上に第1のIII-V族窒化物半導体よりなる下地層を形成する工程を含み、混晶層は下地層と格子整合するようにエピタキシャル成長することが好ましい。   In the method for manufacturing a nitride semiconductor light emitting device of the present invention, in the step (a), a base layer made of a first group III-V nitride semiconductor is formed on the substrate before the mixed crystal layer is formed. The mixed crystal layer is preferably epitaxially grown so as to lattice match with the underlayer.

このようにすると、下地層と格子整合した混晶層はクラックを発生させることなく厚膜化できるため、例えばp側のオーミック電極とn側のオーミック電極とを一の面側に形成する構成の場合には、n側のオーミック電極の周辺領域における直列抵抗をより低減できるので、より動作電圧が低くすることが可能となる。   In this way, the mixed crystal layer lattice-matched with the base layer can be thickened without generating cracks. For example, the p-side ohmic electrode and the n-side ohmic electrode are formed on one surface side. In this case, since the series resistance in the peripheral region of the n-side ohmic electrode can be further reduced, the operating voltage can be further reduced.

本発明の窒化物半導体発光素子の製造方法は、混晶層及びpn接合構造体を基板から分離する工程(d)と、pn接合構造体におけるp型半導体層の上に活性層から出射される発光光の発光波長における反射率が70%よりも大きい金属電極を形成する工程(e)と、金属電極と接するように、厚さが10μm以上の金属膜を形成する工程(f)とをさらに備えていることが好ましい。   The method for manufacturing a nitride semiconductor light emitting device of the present invention includes a step (d) of separating the mixed crystal layer and the pn junction structure from the substrate, and the active layer is emitted on the p-type semiconductor layer in the pn junction structure. A step (e) of forming a metal electrode having a reflectance greater than 70% at the emission wavelength of the emitted light, and a step (f) of forming a metal film having a thickness of 10 μm or more so as to be in contact with the metal electrode It is preferable to provide.

このようにすると、p型半導体層と接するように形成された反射率が70%よりも大きい金属電極及びn型層を介して光を取り出す構造とすることにより光の取り出し効率が向上する。また、厚さが10μm以上の金属膜を金属電極と接するように形成することにより放熱性が向上するため、高効率な発光が可能で且つ高出力動作が可能な発光ダイオード素子を実現することができる。   In this case, the light extraction efficiency is improved by adopting a structure in which light is extracted through the metal electrode and the n-type layer having a reflectance higher than 70% formed so as to be in contact with the p-type semiconductor layer. Further, since the heat dissipation is improved by forming a metal film having a thickness of 10 μm or more so as to be in contact with the metal electrode, it is possible to realize a light-emitting diode element capable of high-efficiency light emission and high-power operation. it can.

この場合に、工程(a)は、混晶層を形成するよりも前に、基板上に該基板と接するように第2のIII-V族窒化物半導体よりなる半導体層を形成する工程を含み、工程(d)において、基板の分離は、基板における半導体層の反対側の面から半導体層に吸収される波長を持つ光を照射し、照射された光によって半導体層を分解して行なうことが好ましい。   In this case, the step (a) includes a step of forming a semiconductor layer made of the second group III-V nitride semiconductor on the substrate so as to be in contact with the substrate before forming the mixed crystal layer. In the step (d), the substrate is separated by irradiating light having a wavelength absorbed by the semiconductor layer from the surface opposite to the semiconductor layer in the substrate and decomposing the semiconductor layer by the irradiated light. preferable.

このように、基板における半導体層の反対側の面から半導体層に光を照射して該半導体層を分解することにより、該半導体層中のストレスが緩和される。このストレスの緩和により、pn接合構造体の内部に生じるクラックの発生が抑制されるため、pn接合構造体(エピタキシャル成長層)を比較的に大きい面積の基板(ウェハ)であってもクラックを発生させることなく、再現性良く分離することができる。   As described above, by irradiating the semiconductor layer with light from the surface of the substrate opposite to the semiconductor layer to decompose the semiconductor layer, the stress in the semiconductor layer is alleviated. Due to the relaxation of the stress, the generation of cracks generated in the pn junction structure is suppressed. Therefore, even if the pn junction structure (epitaxial growth layer) is a substrate (wafer) having a relatively large area, the crack is generated. And can be separated with good reproducibility.

この場合に、基板は、サファイア、MgO又はLiGauAl1-u2 (但し、uは、0≦u≦1である。)よりなり、半導体層は、GaN、InxAlyGa1-x-yN(但し、x,yは、0<x<1,0<y<1,0<x+y<1である。)又はZnOよりなることが好ましい。 In this case, the substrate is made of sapphire, MgO, or LiGa u Al 1-u O 2 (where u is 0 ≦ u ≦ 1), and the semiconductor layer is made of GaN, In x Al y Ga 1−. It is preferably made of xy N (where x and y are 0 <x <1, 0 <y <1, 0 <x + y <1) or ZnO.

このようにすると、基板の主面上には、結晶性に優れたGaN、InGaN又はAlGaN等の窒化物半導体層をエピタキシャル成長により形成できる。その上、例えば波長が355nmのNd:YAGレーザの第3次高調波光を照射して基板を分離する場合には、GaN、InxGa1-xN(但し、xは0<x≦1)又はZnOは、波長が355nmのレーザ光を吸収して容易に分解されるため、結晶性に優れた窒化物半導体層を基板から容易に分離することができる。 In this way, a nitride semiconductor layer such as GaN, InGaN, or AlGaN having excellent crystallinity can be formed on the main surface of the substrate by epitaxial growth. In addition, for example, when the substrate is separated by irradiating the third harmonic light of a Nd: YAG laser having a wavelength of 355 nm, GaN, In x Ga 1-x N (where x is 0 <x ≦ 1) Alternatively, since ZnO is easily decomposed by absorbing laser light having a wavelength of 355 nm, the nitride semiconductor layer having excellent crystallinity can be easily separated from the substrate.

基板を分離する際に光を用いる場合に、光の光源はパルス状に発振するレーザ光又は水銀灯の輝線であることが好ましい。   When light is used for separating the substrate, the light source is preferably laser light that oscillates in a pulsed manner or a bright line of a mercury lamp.

このように、パルス状に発振するレーザ光を用いた場合には、光の出力パワーを著しく増大させることができるため、基板上に成長した窒化物半導体層の分離が容易になる。また、水銀灯の輝線を用いた場合には、光パワーではレーザ光に劣るものの、スポットサイズをレーザ光よりも大きくできるため、光の照射工程におけるスループットが向上する。   In this way, when laser light that oscillates in a pulsed manner is used, the output power of the light can be significantly increased, so that the nitride semiconductor layer grown on the substrate can be easily separated. Further, when the emission line of a mercury lamp is used, although the optical power is inferior to the laser light, the spot size can be made larger than that of the laser light, so that the throughput in the light irradiation process is improved.

基板を分離する場合に、本発明の窒化物半導体発光素子の製造方法は、工程(b)と工程(d)との間に、pn接合構造体にIII-V族窒化物半導体とは異なる材料よりなる保持材を貼り合わせる工程(g)をさらに備えていることが好ましい。   When the substrate is separated, the method for manufacturing a nitride semiconductor light emitting device according to the present invention is different from the group III-V nitride semiconductor in the pn junction structure between step (b) and step (d). It is preferable that the method further includes a step (g) of attaching a holding material.

このようにすると、基板が除去されるpn接合構造体の扱いが容易となる。   This facilitates the handling of the pn junction structure from which the substrate is removed.

この場合に、工程(d)よりも後に、保持材をpn接合構造体から分離する工程(h)を備えていてもよい。すなわち、保持材に導電性を有さない例えば高分子フィルムを用いた場合には、pn接合構造体から該保持材を分離して除去することが好ましい。   In this case, a step (h) of separating the holding material from the pn junction structure may be provided after the step (d). That is, when, for example, a polymer film having no conductivity is used for the holding material, it is preferable to separate and remove the holding material from the pn junction structure.

本発明に係る窒化物半導体発光素子及びその製造方法によると、n型半導体層におけるオーミックコンタクト抵抗を低減でき、低電圧動作が可能となるため、例えば半導体レーザ素子に適用した場合には、消費電力を低減でき且つ長寿命化を実現することができる。   According to the nitride semiconductor light emitting device and the manufacturing method thereof according to the present invention, the ohmic contact resistance in the n-type semiconductor layer can be reduced and low voltage operation is possible. For example, when applied to a semiconductor laser device, power consumption Can be reduced and a longer life can be realized.

(第1の実施形態)
本発明の第1の実施形態について図面を参照しながら説明する。
(First embodiment)
A first embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.

図1(a)は本発明の第1の実施形態に係る窒化物半導体発光素子であって、発光ダイオード素子の断面構成を示し、図1(b)は発光素子の活性層及びその下方部分における電子エネルギーのバンドダイヤグラムを示している。   FIG. 1A shows a nitride semiconductor light emitting device according to the first embodiment of the present invention, which shows a cross-sectional configuration of the light emitting diode device, and FIG. 1B shows an active layer of the light emitting device and its lower portion. The band diagram of electronic energy is shown.

図1(a)を用いて、第1の実施形態に係る発光ダイオード素子の構成を製造方法と共に説明する。   The structure of the light-emitting diode device according to the first embodiment will be described together with the manufacturing method with reference to FIG.

まず、例えば、有機金属気相成長(MOCVD)法により、サファイア(単結晶Al23)よりなる基板101の主面上に、厚さが2μmのn型GaNよりなる下地層102、厚さが100nmの4元混晶であるn型InAlGaNよりなるn型コンタクト層103、InGaNよりなる多重量子井戸(MQW)活性層104及び厚さが0.1μmのp型Al0.1Ga0.9Nよりなるp型クラッド層105を順次エピタキシャル成長により形成する。ここで、n型コンタクト層103は、注入された電子及び発光光をMQW活性層104に閉じ込め易くするn型クラッド層としても機能する。また、MQW活性層104は、井戸層が厚さが3nmのIn0.35Ga0.65Nよりなり、障壁層が厚さが10nmのGaNよりなり、3層の井戸層を有している。 First, for example, an underlayer 102 made of n-type GaN having a thickness of 2 μm is formed on the main surface of a substrate 101 made of sapphire (single crystal Al 2 O 3 ) by metal organic chemical vapor deposition (MOCVD). Is an n-type contact layer 103 made of n-type InAlGaN that is a quaternary mixed crystal of 100 nm, a multiple quantum well (MQW) active layer 104 made of InGaN, and a p-type made of p-type Al 0.1 Ga 0.9 N having a thickness of 0.1 μm. The mold cladding layer 105 is formed sequentially by epitaxial growth. Here, the n-type contact layer 103 also functions as an n-type cladding layer that facilitates confinement of injected electrons and emitted light in the MQW active layer 104. Further, the MQW active layer 104 has a well layer made of In 0.35 Ga 0.65 N with a thickness of 3 nm, a barrier layer made of GaN with a thickness of 10 nm, and has three well layers.

有機金属原料のうち、ガリウム(Ga)源は例えばトリメチルガリウム(TMG)であり、アルミニウム(Al)源は例えばトリメチルアルミニウム(TMA)であり、インジウム(In)源は例えばトリメチルインジウム(TMI)である。また、窒素(N)源はアンモニア(NH3 )である。また、n型ドーパント源には、シリコン(Si)を含む例えばシラン(SiH4 )を用い、p型ドーパント源には、マグネシウム(Mg)を含む例えばシクロペンタジエニルマグネシウム(Cp2Mg)を用いる。 Of the organometallic raw materials, the gallium (Ga) source is, for example, trimethylgallium (TMG), the aluminum (Al) source is, for example, trimethylaluminum (TMA), and the indium (In) source is, for example, trimethylindium (TMI). . The nitrogen (N) source is ammonia (NH 3 ). Further, for example, silane (SiH 4 ) containing silicon (Si) is used for the n-type dopant source, and for example, cyclopentadienyl magnesium (Cp 2 Mg) containing magnesium (Mg) is used for the p-type dopant source. .

次に、形成したp型クラッド層105、MQW活性層104及びn型コンタクト層103に対して、例えば塩素(Cl2 )ガスによるドライエッチングを選択的に行なって、n型コンタクト層103の一部を露出する。 Next, dry etching using, for example, chlorine (Cl 2 ) gas is selectively performed on the formed p-type cladding layer 105, MQW active layer 104 and n-type contact layer 103, so that a part of the n-type contact layer 103 is formed. To expose.

次に、スパッタ法又は真空蒸着法等により、露出したn型コンタクト層103の上面に、基板側からチタン(Ti)、アルミニウム(Al)、ニッケル(Ni)及び金(Au)よりなり、オーミック特性を持つn側電極106を選択的に形成する。   Next, the upper surface of the exposed n-type contact layer 103 is made of titanium (Ti), aluminum (Al), nickel (Ni), and gold (Au) on the exposed upper surface of the n-type contact layer 103 by sputtering or vacuum deposition, and has ohmic characteristics. The n-side electrode 106 having the above is selectively formed.

次に、p型クラッド層105の上面に、基板側から順次成膜され、厚さが10nm程度のNi及びAuの積層体よりなる透明電極107を形成する。その後、透明電極107上の一部の領域に、Auよりなりボンディングパッドとなるp側電極108を形成する。なお、n側電極106と、透明電極107及びp側電極108との形成順序は特に問われない。   Next, a transparent electrode 107 made of a laminate of Ni and Au having a thickness of about 10 nm is sequentially formed on the upper surface of the p-type cladding layer 105 from the substrate side. Thereafter, a p-side electrode 108 made of Au and serving as a bonding pad is formed in a partial region on the transparent electrode 107. The order of forming the n-side electrode 106, the transparent electrode 107, and the p-side electrode 108 is not particularly limited.

この構成により、MQW活性層104において電子と正孔とが再結合して生じた例えば波長が470nmの青色発光光は、透明電極107を透過して外部に取り出される。   With this configuration, blue light having a wavelength of, for example, 470 nm generated by recombination of electrons and holes in the MQW active layer 104 passes through the transparent electrode 107 and is extracted outside.

なお、MQW活性層104は、InGaNよりなる井戸層におけるIn組成を増減させるか又はInAlGaNの4元混晶とすることにより、例えば340nmから550nm程度の発光光を放射させることができる。   The MQW active layer 104 can emit emitted light of, for example, about 340 nm to 550 nm by increasing or decreasing the In composition in the well layer made of InGaN or using a quaternary mixed crystal of InAlGaN.

第1の実施形態においては、n型コンタクト層103にInAlGaNよりなる4元混晶を用いるだけでなく、該n型コンタクト層103をGaNよりなる下地層102と格子整合する組成としている。   In the first embodiment, not only a quaternary mixed crystal made of InAlGaN is used for the n-type contact layer 103 but also the n-type contact layer 103 has a composition that lattice-matches with the underlying layer 102 made of GaN.

ここでは、n型コンタクト層103を構成するInxAlyGa1-x-yN(但し、x,yは、0<x<1,0<y<1,0<x+y<1である。)の格子定数は、直線内挿で与えられると仮定すると、以下の[式1]で表わされる。ここで、aInN、aAlN及びaGaNは、それぞれInN、AlN及びGaNの格子定数であり、すなわち、aInN=3.548Å、aAlN=3.112Å及びaGaN=3.189Åである。 Here constitutes the n-type contact layer 103 In x Al y Ga 1- xy N ( where, x, y are 0 <x <1,0 <y < 1,0 <x + y <1.) Of Assuming that the lattice constant is given by linear interpolation, it is expressed by the following [Equation 1]. Here, a InN , a AlN and a GaN are lattice constants of InN, AlN and GaN, respectively, that is, a InN = 3.548Å, a AlN = 3.112Å and a GaN = 3.1893.

a=x・aInN+y・aAlN+(1−x−y)・aGaN ………[式1]
従って、InxAlyGa1-x-yNの格子定数がGaNの格子定数である3.189Åに等しいとすると、In組成のxとAl組成のyとの関係は、以下の[式2]で表わされる。
a = x · a InN + y · a AlN + (1−xy) · a GaN (1)
Therefore, the lattice constant of In x Al y Ga 1-xy N is equal to 3.189Å is the lattice constant of GaN, the relationship between y of x and Al composition of In composition, the following [Expression 2] Represented.

y=4.662x ………[式2]
図2は本願発明者らが、実際にGaN層上に種々の組成比を持つInAlGaNよりなる混晶層をエピタキシャル成長に形成し、形成した混晶層ごとに結晶の歪み量を測定した結果を表わしている。成長した混晶層の組成は、電子プローブ微量分析(Electron probe Micro-Aanalysis:PMA)法により測定し、また、混晶層中の歪量は、X線回折パターン及び逆格子マッピングにより、格子定数のずれを評価することにより算出した。図2から分かるように、歪量が0に近くなる混晶層の組成は、[式2]で表わされる組成よりも、むしろ、以下の[式3]で表わされる関係を持つ組成に近いことが明らかとなった。
y = 4.662x .... [Formula 2]
FIG. 2 shows the results obtained by the inventors of the present invention by actually forming a mixed crystal layer of InAlGaN having various composition ratios on the GaN layer by epitaxial growth and measuring the strain amount of the crystal for each formed mixed crystal layer. ing. The composition of the grown mixed crystal layer is measured by an electron probe micro-analysis (PMA) method, and the amount of strain in the mixed crystal layer is determined by an X-ray diffraction pattern and reciprocal lattice mapping. It was calculated by evaluating the deviation. As can be seen from FIG. 2, the composition of the mixed crystal layer in which the strain amount is close to 0 is closer to the composition having the relationship represented by the following [Formula 3] rather than the composition represented by [Formula 2]. Became clear.

y=3.6x ………[式3]
なお、[式3]で決定されるn型InAlGaN層は、半導体発光素子に限られず、他の電子デバイス、例えば電界効果トランジスタにおけるn型コンタクト層としても、その結晶性に拘わらず低いコンタクト抵抗を実現できるため有用である。
y = 3.6x .... [Formula 3]
Note that the n-type InAlGaN layer determined by [Equation 3] is not limited to a semiconductor light-emitting element, but also has a low contact resistance regardless of its crystallinity as an n-type contact layer in other electronic devices such as field effect transistors. It is useful because it can be realized.

図1(a)に示すn型コンタクト層103は、[式3]の条件に近い条件でほぼ格子整合する組成比としてIn0.09Al0.33Ga0.58Nにより構成されている。ここで、n型コンタクト層103の禁制帯幅は、カソードルミネッセンス法による評価結果等により、3.46eVであることを確認している。 The n-type contact layer 103 shown in FIG. 1A is composed of In 0.09 Al 0.33 Ga 0.58 N as a composition ratio that substantially lattice matches under conditions close to those of [Formula 3]. Here, it is confirmed that the forbidden band width of the n-type contact layer 103 is 3.46 eV based on an evaluation result by a cathodoluminescence method or the like.

InAlGaNよりなる4元混晶の禁制帯幅Eg は、以下の[式4]で与えられるとされている。ここで、Eg_InNはInNの禁制帯幅であり、Eg_AlNはAlNの禁制帯幅であり、Eg_GaNはGaNの禁制帯幅である。また、c及びc’はいわゆるボーイングパラメータである。 The forbidden band width E g of the quaternary mixed crystal made of InAlGaN is given by the following [Equation 4]. Here, E g_InN is a forbidden band width of InN, E g _ AlN is a forbidden band width of AlN, E g _ GaN is a forbidden band width of GaN. C and c ′ are so-called bowing parameters.

g =x・Eg_InN+y・Eg_AlN+(1−x−y)・Eg_GaN
−c・(1−x−y)−c’・y・(1−x−y) ………[式4]
In0.09Al0.33Ga0.58Nの禁制帯幅が3.46eVであることから、c=c'=2.6eVと求められ、In組成及びAl組成を増大しても、4元混晶の禁制帯幅Eg はあまり大きくならないことが分かる。
E g = x · E g _ InN + y · E g _ AlN + (1-x-y) · E g _ GaN
-C. (1-xy) -c'.y. (1-xy) ..... [Formula 4]
Since the forbidden band width of In 0.09 Al 0.33 Ga 0.58 N is 3.46 eV, it is calculated that c = c ′ = 2.6 eV. Even if the In composition and the Al composition are increased, the forbidden band of the quaternary mixed crystal is obtained. It can be seen that the width E g is not so large.

さらに、n型コンタクト層103には、Siがn型ドーパントである例えば1×1018cm-3以上の高濃度にドーピングされている。これらの構成により、n型コンタクト層103に接して形成されたn側電極106と該n型コンタクト層103とのコンタクト抵抗は1×10-6Ωcm2 以下となる極めて小さい値を得ることができる。 Furthermore, the n-type contact layer 103 is doped with Si at a high concentration of, for example, 1 × 10 18 cm −3 or more, which is an n-type dopant. With these configurations, the contact resistance between the n-side electrode 106 formed in contact with the n-type contact layer 103 and the n-type contact layer 103 can be an extremely small value of 1 × 10 −6 Ωcm 2 or less. .

これに対し、比較例として、n型コンタクト層103と同程度にSiがドーピングされたn型GaN層にn側電極106を形成した場合には、コンタクト抵抗は5×10-5Ωcm2 程度に留まることから、第1の実施形態のようにIn0.09Al0.33Ga0.58Nよりなるn型コンタクト層103の上にオーミック電極であるn側電極106を形成することによって、大幅にコンタクト抵抗を低減できることが分かる。 On the other hand, as a comparative example, when the n-side electrode 106 is formed on an n-type GaN layer doped with Si as much as the n-type contact layer 103, the contact resistance is about 5 × 10 −5 Ωcm 2 . Therefore, the contact resistance can be greatly reduced by forming the n-side electrode 106 that is an ohmic electrode on the n-type contact layer 103 made of In 0.09 Al 0.33 Ga 0.58 N as in the first embodiment. I understand.

本実施形態に係るn型コンタクト層103は、その禁制帯幅が3.46eVと窒化ガリウム(GaN)の3.4eVよりも大きい。それにも拘わらず、オーミックコンタクト抵抗が大幅に低減されていることを考慮すると、InAlGaNよりなるn型コンタクト層103は、電子親和力が大きくなり、n側電極106の仕事関数(=電子親和力)とn型コンタクト層103の電子親和力との差により生じる電位障壁が小さくなったと考えられる。   The n-type contact layer 103 according to this embodiment has a forbidden band width larger than 3.46 eV and 3.4 eV of gallium nitride (GaN). Nevertheless, considering that the ohmic contact resistance is greatly reduced, the n-type contact layer 103 made of InAlGaN has a high electron affinity, and the work function (= electron affinity) of the n-side electrode 106 and n It is considered that the potential barrier generated by the difference from the electron affinity of the type contact layer 103 is reduced.

図1(b)は以上のことを考慮した電子エネルギーのバンドダイヤグラムである。ここでは、本実施形態に係る発光ダイオード素子のうちMQW活性層104及びその下方でのバンドダイヤグラムを模式的に示している。図1(b)に示すように、InAlGaNよりなるn型コンタクト層103における伝導帯Ecの下端の電子エネルギーが下がり、その結果、オーミックコンタクト抵抗が低減したと考えられる。   FIG. 1B is a band diagram of electron energy considering the above. Here, the MQW active layer 104 of the light emitting diode device according to the present embodiment and a band diagram below the MQW active layer 104 are schematically shown. As shown in FIG. 1B, it is considered that the electron energy at the lower end of the conduction band Ec in the n-type contact layer 103 made of InAlGaN is lowered, and as a result, the ohmic contact resistance is reduced.

以上説明したように、第1の実施形態によると、窒化物半導体発光素子、すなわち発光ダイオード素子において、オーミック電極であるn側電極106と接するn型コンタクト層103の組成をInAlGaNよりなる4元混晶とすることにより、InAlGaNにおける電子親和力がGaNと比べて大きいことから、InAlGaNにおける伝導帯の下端の位置がGaNよりも低下する。このため、オーミックコンタクト抵抗を極めて小さくすることができるので、発光ダイオード素子における直列抵抗及び動作電圧を低減することが可能となる。   As described above, according to the first embodiment, in the nitride semiconductor light emitting device, that is, the light emitting diode device, the composition of the n-type contact layer 103 in contact with the n-side electrode 106 that is an ohmic electrode is changed to a quaternary mixed material composed of InAlGaN. By using a crystal, since the electron affinity in InAlGaN is larger than that in GaN, the position of the lower end of the conduction band in InAlGaN is lower than that in GaN. For this reason, since the ohmic contact resistance can be made extremely small, the series resistance and the operating voltage in the light emitting diode element can be reduced.

(第2の実施形態)
以下、本発明の第2の実施形態について図面を参照しながら説明する。
(Second Embodiment)
Hereinafter, a second embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.

図3(a)は本発明の第2の実施形態に係る窒化物半導体発光素子であって、発光ダイオード素子の断面構成を示し、図3(b)は発光素子の活性層及びその下方部分における電子エネルギーのバンドダイヤグラムを示している。   FIG. 3A shows a nitride semiconductor light emitting device according to the second embodiment of the present invention, which shows a cross-sectional configuration of the light emitting diode device, and FIG. 3B shows an active layer of the light emitting device and its lower portion. The band diagram of electronic energy is shown.

図3(a)を用いて、第2の実施形態に係る発光ダイオード素子の構成を製造方法と共に説明する。   The structure of the light-emitting diode device according to the second embodiment will be described together with a manufacturing method with reference to FIG.

まず、例えば、MOCVD法により、サファイアよりなる基板201の主面上に、厚さが2μmのn型GaNよりなる下地層202、厚さが100nmの4元混晶であるn型InAlGaNよりなるn型コンタクト層203、厚さが0.5μmのn型Al0.1Ga0.9Nよりなるn型クラッド層204、InGaNよりなるMQW活性層205及び厚さが0.1μmのp型Al0.1Ga0.9Nよりなるp型クラッド層206を順次エピタキシャル成長により形成する。ここで、MQW活性層205は、井戸層が厚さが3nmのIn0.35Ga0.65Nよりなり、障壁層が厚さが10nmのGaNよりなり、3層の井戸層を有している。 First, for example, by an MOCVD method, a base layer 202 made of n-type GaN having a thickness of 2 μm and an n-type InAlGaN made of n-type InAlGaN having a thickness of 100 nm are formed on the main surface of the substrate 201 made of sapphire. An n-type cladding layer 204 made of n-type Al 0.1 Ga 0.9 N having a thickness of 0.5 μm, an MQW active layer 205 made of InGaN, and a p-type Al 0.1 Ga 0.9 N having a thickness of 0.1 μm. The p-type cladding layer 206 to be formed is sequentially formed by epitaxial growth. Here, in the MQW active layer 205, the well layer is made of In 0.35 Ga 0.65 N having a thickness of 3 nm, the barrier layer is made of GaN having a thickness of 10 nm, and has three well layers.

次に、形成したp型クラッド層206、MQW活性層205、n型クラッド層204及びn型コンタクト層203に対して、例えば塩素(Cl2 )ガスによるドライエッチングを選択的に行なって、n型コンタクト層203の一部を露出する。 Next, the p-type cladding layer 206, the MQW active layer 205, the n-type cladding layer 204, and the n-type contact layer 203 thus formed are selectively etched by, for example, chlorine (Cl 2 ) gas to form an n-type. A part of the contact layer 203 is exposed.

次に、スパッタ法、真空蒸着法又は電子ビーム蒸着法等により、露出したn型コンタクト層203の上面に、基板側からTi、Al、Ni及びAuよりなり、オーミック特性を持つn側電極207を選択的に形成する。   Next, an n-side electrode 207 made of Ti, Al, Ni and Au from the substrate side and having ohmic characteristics is formed on the upper surface of the exposed n-type contact layer 203 by sputtering, vacuum vapor deposition, electron beam vapor deposition, or the like. Selectively form.

次に、p型クラッド層206の上面に、基板側から順次成膜され、厚さが10nm程度のNi及びAuの積層体よりなる透明電極208を形成する。その後、透明電極208上の一部の領域に、Auよりなりボンディングパッドとなるp側電極209を形成する。なお、n側電極207と、透明電極208及びp側電極209との形成順序は特に問われない。   Next, a transparent electrode 208 made of a laminate of Ni and Au having a thickness of about 10 nm is sequentially formed on the upper surface of the p-type cladding layer 206 from the substrate side. Thereafter, a p-side electrode 209 made of Au and serving as a bonding pad is formed in a partial region on the transparent electrode 208. The formation order of the n-side electrode 207, the transparent electrode 208, and the p-side electrode 209 is not particularly limited.

この構成により、MQW活性層205において電子と正孔とが再結合して生じた例えば波長が470nmの青色発光光は、透明電極208を透過して外部に取り出される。   With this configuration, blue light having a wavelength of, for example, 470 nm generated by recombination of electrons and holes in the MQW active layer 205 passes through the transparent electrode 208 and is extracted outside.

第2の実施形態に係るn型コンタクト層203は、第1の実施形態に係るn型コンタクト層103と同様に、その組成はIn0.09Al0.33Ga0.58Nである。 Similar to the n-type contact layer 103 according to the first embodiment, the composition of the n-type contact layer 203 according to the second embodiment is In 0.09 Al 0.33 Ga 0.58 N.

第2の実施形態においては、n型Al0.1Ga0.9Nよりなるn型クラッド層204の禁制帯幅が3.59eVであることから、n型In0.09Al0.33Ga0.58Nよりなるn型コンタクト層203は、n型クラッド層204との間の0.13eVの禁制帯幅を互いの界面で3.59eVとなるように段階的又は連続的に調整して、ヘテロ障壁(ヘテロ接合による電位障壁)を緩和している。すなわち、n型コンタクト層203にはn型クラッド層204との界面及びその近傍部分に組成傾斜領域を設けている。これにより、n型クラッド層204とn型コンタクト層203との界面には電位障壁がなく、直列抵抗がより低減される。 In the second embodiment, since the forbidden bandwidth of the n-type cladding layer 204 made of n-type Al 0.1 Ga 0.9 N is 3.59 eV, the n-type contact layer made of n-type In 0.09 Al 0.33 Ga 0.58 N 203 adjusts the forbidden band width of 0.13 eV to the n-type cladding layer 204 stepwise or continuously so as to be 3.59 eV at each interface, thereby forming a hetero barrier (potential barrier due to a heterojunction). Has eased. That is, the n-type contact layer 203 is provided with a composition gradient region at the interface with the n-type cladding layer 204 and in the vicinity thereof. Thereby, there is no potential barrier at the interface between the n-type cladding layer 204 and the n-type contact layer 203, and the series resistance is further reduced.

なお、第2の実施形態においては、n型コンタクト層203におけるn型クラッド層204との界面側に組成傾斜領域を設けたが、これとは逆に、n型クラッド層204におけるn型コンタクト層203との界面側に組成傾斜領域を設けることにより、n型クラッド層204とn型コンタクト層203との界面の電位障壁をなくすようにしてもよい。すなわち、n型クラッド層204に組成傾斜領域を設ける場合は、n型クラッド層204のn型コンタクト層203との界面においてその禁制帯幅が3.46eVとなるように、n型クラッド層204の組成をAl0.04Ga0.96Nとするとよい。 In the second embodiment, the composition gradient region is provided on the interface side of the n-type contact layer 203 with the n-type cladding layer 204. Conversely, the n-type contact layer in the n-type cladding layer 204 is provided. By providing a composition gradient region on the interface side with 203, the potential barrier at the interface between the n-type cladding layer 204 and the n-type contact layer 203 may be eliminated. That is, when the composition gradient region is provided in the n-type cladding layer 204, the n-type cladding layer 204 has a forbidden band width of 3.46 eV at the interface between the n-type cladding layer 204 and the n-type contact layer 203. The composition may be Al 0.04 Ga 0.96 N.

さらに、n型コンタクト層203には、n型ドーパントであるSiが例えば1×1018cm-3以上の高濃度にドーピングされている。従って、n型コンタクト層203に接して形成されたn側電極207と該n型コンタクト層203とのコンタクト抵抗は1×10-6Ωcm2 以下となる極めて小さい値を得ることができる。 Furthermore, the n-type contact layer 203 is doped with Si as an n-type dopant at a high concentration of, for example, 1 × 10 18 cm −3 or more. Therefore, the contact resistance between the n-side electrode 207 formed in contact with the n-type contact layer 203 and the n-type contact layer 203 can be an extremely small value of 1 × 10 −6 Ωcm 2 or less.

図3(b)は第2の実施形態に係る発光ダイオード素子におけるIn0.09Al0.33Ga0.58Nよりなるn型コンタクト層203が持つ大きい電子親和力及び組成傾斜領域とを考慮した電子エネルギーのバンドダイヤグラムである。ここでは、本実施形態に係る発光ダイオード素子のうちMQW活性層205及びその下方でのバンドダイヤグラムを模式的に示している。図3(b)に示すように、InAlGaNよりなるn型コンタクト層203におけるn型GaN層202側における伝導帯Ecの下端の電子エネルギーが下がっている。 FIG. 3B is a band diagram of electron energy considering the high electron affinity and composition gradient region of the n-type contact layer 203 made of In 0.09 Al 0.33 Ga 0.58 N in the light-emitting diode device according to the second embodiment. is there. Here, an MQW active layer 205 and a band diagram below the MQW active layer 205 of the light-emitting diode element according to the present embodiment are schematically shown. As shown in FIG. 3B, the electron energy at the lower end of the conduction band Ec on the n-type GaN layer 202 side in the n-type contact layer 203 made of InAlGaN is lowered.

以上説明したように、第2の実施形態によると、窒化物半導体発光素子、すなわち発光ダイオード素子において、オーミック電極であるn側電極207と接するn型コンタクト層203の組成をInAlGaNよりなる4元混晶とすることにより、InAlGaNにおける電子親和力がGaNと比べて大きいことから、InAlGaNにおける伝導帯の下端の位置がGaNよりも低下するため、オーミックコンタクト抵抗を極めて小さくすることができ、その結果、発光ダイオード素子における直列抵抗及び動作電圧を低減することが可能となる。   As described above, according to the second embodiment, in the nitride semiconductor light emitting device, that is, the light emitting diode device, the composition of the n-type contact layer 203 in contact with the n-side electrode 207 that is an ohmic electrode is changed to a quaternary mixed material composed of InAlGaN. Since the electron affinity in InAlGaN is larger than that in GaN, the ohmic contact resistance can be extremely reduced because the position of the lower end of the conduction band in InAlGaN is lower than that in GaN. It is possible to reduce the series resistance and operating voltage in the diode element.

(第3の実施形態)
以下、本発明の第3の実施形態について図面を参照しながら説明する。
(Third embodiment)
Hereinafter, a third embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.

図4は本発明の第3の実施形態に係る窒化物半導体発光素子であって、発光ダイオード素子の断面構成を示している。   FIG. 4 shows a nitride semiconductor light emitting device according to the third embodiment of the present invention, and shows a cross-sectional structure of the light emitting diode device.

図4に示すように、第3の実施形態に係る発光ダイオード素子は、下から順次積層された、厚さが0.1μmのp型Al0.1Ga0.9Nよりなるp型クラッド層305、InGaNよりなるMQW活性層306、厚さが0.5μmのn型Al0.1Ga0.9Nよりなるn型クラッド層307及び厚さが100nmの4元混晶であるn型InAlGaNよりなるn型コンタクト層308を有している。ここで、MQW活性層306は、井戸層が厚さが3nmのIn0.35Ga0.65Nよりなり、障壁層が厚さが10nmのGaNよりなり、3層の井戸層を有している。また、ここでは、p型クラッド層305、MQW活性層306、n型クラッド層307及びn型コンタクト層308が、MQW活性層306を含むpn接合構造体300である。なお、pn接合構造体300は後述するように、n型コンタクト層308側からエピタキシャル成長により形成される。 As shown in FIG. 4, the light-emitting diode device according to the third embodiment includes a p-type cladding layer 305 made of p-type Al 0.1 Ga 0.9 N having a thickness of 0.1 μm and stacked sequentially from the bottom. An MQW active layer 306, an n-type cladding layer 307 made of n-type Al 0.1 Ga 0.9 N having a thickness of 0.5 μm, and an n-type contact layer 308 made of n-type InAlGaN that is a quaternary mixed crystal having a thickness of 100 nm. Have. Here, in the MQW active layer 306, the well layer is made of In 0.35 Ga 0.65 N having a thickness of 3 nm, the barrier layer is made of GaN having a thickness of 10 nm, and has three well layers. Here, the p-type cladding layer 305, the MQW active layer 306, the n-type cladding layer 307 and the n-type contact layer 308 are the pn junction structure 300 including the MQW active layer 306. The pn junction structure 300 is formed by epitaxial growth from the n-type contact layer 308 side, as will be described later.

n型コンタクト層308上の一部の領域には、該n型コンタクト層308側から積層されたTi、Al、Ni及びAuよりなり、オーミック特性を持つn側電極309が選択的に形成されている。   An n-side electrode 309 made of Ti, Al, Ni, and Au stacked from the n-type contact layer 308 side and having ohmic characteristics is selectively formed in a partial region on the n-type contact layer 308. Yes.

p型クラッド層305におけるMQW活性層306の反対側の面上には、開口部を有し側端面が露出した厚さが約400nmの酸化シリコン(SiO2 )よりなる絶縁膜304が形成されており、該開口部を埋めるように白金(Pt)よりなる高反射電極303が形成されている。 On the opposite surface of the p-type cladding layer 305 to the MQW active layer 306, an insulating film 304 made of silicon oxide (SiO 2 ) having an opening and a side end face exposed with a thickness of about 400 nm is formed. A high reflection electrode 303 made of platinum (Pt) is formed so as to fill the opening.

絶縁膜304及び高反射電極303におけるp型クラッド層305の反対側の面上には、Ti及びAuが積層されてなる下地金属膜302を下地層として、厚さが約50μmのAuよりなるめっき層301が形成されている。   On the surface opposite to the p-type cladding layer 305 in the insulating film 304 and the highly reflective electrode 303, plating is made of Au having a thickness of about 50 μm, using the base metal film 302 in which Ti and Au are laminated as the base layer. A layer 301 is formed.

この構成により、MQW活性層306において電子と正孔とが再結合して生じた例えば波長が470nmの青色発光光は、高反射電極303で反射され、且つn型コンタクト層308におけるn側電極309が設けられていない領域を透過して外部に取り出される。   With this configuration, for example, blue light having a wavelength of 470 nm generated by recombination of electrons and holes in the MQW active layer 306 is reflected by the highly reflective electrode 303, and the n-side electrode 309 in the n-type contact layer 308. Is taken out through the region where no is provided.

n型コンタクト層308は、第2の実施形態と同様に、In0.09Al0.33Ga0.58Nにより構成されると共に、n型コンタクト層308とAl0.1Ga0.9Nよりなるn型クラッド層307との0.13eVの禁制帯幅を段階的又は連続的に調整してヘテロ障壁を緩和するために、n型コンタクト層308におけるn型クラッド層307との界面及びその近傍部分に組成傾斜領域を設けている。これにより、n型クラッド層307とn型コンタクト層308との間には電位障壁がなく、直列抵抗がより低減された発光ダイオード素子を実現できる。 Similar to the second embodiment, the n-type contact layer 308 is made of In 0.09 Al 0.33 Ga 0.58 N, and the n-type contact layer 308 and the n-type cladding layer 307 made of Al 0.1 Ga 0.9 N In order to relax the hetero barrier by adjusting the forbidden band width of .13 eV stepwise or continuously, a composition gradient region is provided at the interface with the n-type cladding layer 307 in the n-type contact layer 308 and in the vicinity thereof. . As a result, there is no potential barrier between the n-type cladding layer 307 and the n-type contact layer 308, and a light-emitting diode element with further reduced series resistance can be realized.

なお、第3の実施形態においては、n型コンタクト層308におけるn型クラッド層307との界面側に組成傾斜領域を設けたが、これとは逆に、n型クラッド層307におけるn型コンタクト層308との界面側に組成傾斜領域を設けることにより、n型クラッド層307とn型コンタクト層308との界面の電位障壁をなくすようにしてもよい。すなわち、n型クラッド層307に組成傾斜領域を設ける場合は、n型クラッド層307のn型コンタクト層308との界面においてその禁制帯幅が3.46eVとなるように、n型クラッド層307の組成をAl0.04Ga0.96Nとするとよい。 In the third embodiment, the composition gradient region is provided on the interface side of the n-type contact layer 308 with the n-type cladding layer 307. On the contrary, the n-type contact layer in the n-type cladding layer 307 is provided. By providing a composition gradient region on the interface side with 308, the potential barrier at the interface between the n-type cladding layer 307 and the n-type contact layer 308 may be eliminated. That is, when the composition gradient region is provided in the n-type cladding layer 307, the n-type cladding layer 307 has a forbidden band width of 3.46 eV at the interface between the n-type cladding layer 307 and the n-type contact layer 308. The composition may be Al 0.04 Ga 0.96 N.

Ptよりなる高反射電極303は、可視域及び紫外域で73%程度の高い反射率を有している。従って、仕事関数が大きく且つp型クラッド層305に対して比較的に良好なオーミック特性を実現できる限りは、白金(Pt)に代えて他の金属、例えば反射率が約97%の銀(Ag)又は反射率が約84%のロジウム(Rh)等の金属を用いることができる。   The highly reflective electrode 303 made of Pt has a high reflectance of about 73% in the visible region and the ultraviolet region. Therefore, as long as the work function is large and a relatively good ohmic characteristic can be realized with respect to the p-type cladding layer 305, another metal such as silver (Ag) having a reflectivity of about 97% is substituted for platinum (Pt). ) Or a metal such as rhodium (Rh) having a reflectivity of about 84%.

以上説明したように、第2の実施形態によると、第1の実施形態と同様に、発光ダイオード素子において、オーミック電極であるn側電極309と接するn型コンタクト層308の組成をInAlGaNよりなる4元混晶とすることにより、InAlGaNにおける電子親和力がGaNと比べて大きいことから、InAlGaNにおける伝導帯の下端の位置がGaNよりも低下する。このため、オーミックコンタクト抵抗を極めて小さくすることができるので、発光ダイオード素子における直列抵抗及び動作電圧を低減することが可能となる。   As described above, according to the second embodiment, as in the first embodiment, the composition of the n-type contact layer 308 in contact with the n-side electrode 309 that is an ohmic electrode in the light-emitting diode element is 4 made of InAlGaN. By using the original mixed crystal, since the electron affinity in InAlGaN is larger than that in GaN, the position of the lower end of the conduction band in InAlGaN is lower than that in GaN. For this reason, since the ohmic contact resistance can be made extremely small, the series resistance and the operating voltage in the light emitting diode element can be reduced.

また、p型クラッド層305におけるMQW活性層306の反対側の面上には、反射率が70%以上の高反射電極303を設けているため、MQW活性層306で生じた発光光が高反射電極303を反射した後に、n型コンタクト層308側に透過して取り出される。このため、光の取り出し効率が大幅に改善される。   Further, on the surface of the p-type cladding layer 305 opposite to the MQW active layer 306, a highly reflective electrode 303 having a reflectance of 70% or more is provided, so that the emitted light generated in the MQW active layer 306 is highly reflected. After reflecting the electrode 303, it is transmitted through the n-type contact layer 308 side and taken out. For this reason, the light extraction efficiency is greatly improved.

さらに、高反射電極303におけるp型クラッド層305の反対側の面上には金属下地膜302を介在させたAuよりなるめっき層301を設けているため、MQW活性層306から生じた熱がめっき層301を介して拡散される。その結果、放熱性が向上するので、高出力動作が可能となる。また、サファイア等の絶縁性基板を含まない構成であるため、静電耐圧が向上する。   Further, since the plating layer 301 made of Au with the metal base film 302 interposed is provided on the surface opposite to the p-type cladding layer 305 in the highly reflective electrode 303, the heat generated from the MQW active layer 306 is plated. Diffused through layer 301. As a result, heat dissipation is improved, and high output operation is possible. Further, since the structure does not include an insulating substrate such as sapphire, the electrostatic withstand voltage is improved.

以下、前記のように構成された発光ダイオード素子の製造方法について図面を参照しながら説明する。   Hereinafter, a method of manufacturing the light-emitting diode element configured as described above will be described with reference to the drawings.

図5(a)〜図5(f)は本発明の第3の実施形態に係る発光ダイオード素子の製造方法の工程順の断面構成を示している。   FIG. 5A to FIG. 5F show cross-sectional structures in the order of steps of a method for manufacturing a light-emitting diode element according to the third embodiment of the present invention.

まず、図5(a)に示すように、例えば、MOCVD法により、サファイアよりなる基板401の主面上に、n型GaNよりなる下地層402、4元混晶であるn型InAlGaNよりなるn型コンタクト層308、n型Al0.1Ga0.9Nよりなるn型クラッド層307、InGaNよりなるMQW活性層306及びp型Al0.1Ga0.9Nよりなるp型クラッド層305を順次エピタキシャル成長により形成する。 First, as shown in FIG. 5A, for example, an MOCVD method is used to form an underlayer 402 made of n-type GaN on a main surface of a substrate 401 made of sapphire, and n made of n-type InAlGaN that is a quaternary mixed crystal. A type contact layer 308, an n-type cladding layer 307 made of n-type Al 0.1 Ga 0.9 N, an MQW active layer 306 made of InGaN, and a p-type cladding layer 305 made of p-type Al 0.1 Ga 0.9 N are sequentially formed by epitaxial growth.

続いて、例えば化学的気相堆積(CVD)法により、p型クラッド層305の上に全面にわたって厚さが400nmのSiO2 よりなる絶縁膜304を堆積する。その後、リソグラフィ法により、絶縁膜304における高反射電極を形成する領域に複数の開口部を持つレジストパターン(図示せず)を形成し、形成したレジストパターンをマスクとして絶縁膜304をエッチングすることにより、該絶縁膜304に複数の開口部を形成してp型クラッド層305を部分的に露出する。ここで、各開口部がそれぞれ1つの電極形成領域に相当する。続いて、例えば電子ビーム蒸着法により、レジストパターン及び各開口部から露出したp型クラッド層305の上にPt膜を堆積する。その後、レジストパターン及びその上のPt膜を除去するいわゆるリフトオフ法により、絶縁膜304の各開口部からそれぞれ露出するp型クラッド層305の上にPtよりなる高反射電極303を形成する。 Subsequently, an insulating film 304 made of SiO 2 having a thickness of 400 nm is deposited on the entire surface of the p-type cladding layer 305 by, for example, chemical vapor deposition (CVD). Thereafter, a resist pattern (not shown) having a plurality of openings is formed in a region of the insulating film 304 where the highly reflective electrode is to be formed by lithography, and the insulating film 304 is etched using the formed resist pattern as a mask. The p-type cladding layer 305 is partially exposed by forming a plurality of openings in the insulating film 304. Here, each opening corresponds to one electrode formation region. Subsequently, a Pt film is deposited on the resist pattern and the p-type cladding layer 305 exposed from each opening by, for example, electron beam evaporation. Thereafter, a highly reflective electrode 303 made of Pt is formed on the p-type cladding layer 305 exposed from each opening of the insulating film 304 by a so-called lift-off method for removing the resist pattern and the Pt film thereon.

なお、ここで、p型クラッド層305の高反射電極303とのコンタクト抵抗をさらに低減できるようように、例えばMgが1×1021cm-3程度に添加されたp+ 型GaNよりなるn型コンタクト層をp型クラッド層305の上に形成してもよい。 Here, in order to further reduce the contact resistance between the p-type cladding layer 305 and the highly reflective electrode 303, for example, n-type made of p + -type GaN doped with Mg at about 1 × 10 21 cm −3. A contact layer may be formed on the p-type cladding layer 305.

次に、図5(b)に示すように、電子ビーム蒸着法により、高反射電極303及び絶縁膜304の上に、Ti及びAuの積層膜であり厚さが200nm程度の下地金属膜302を形成する。その後、めっき法により、厚さが50μm程度のAuよりなるめっき層301を形成する。ここで、めっき層301の厚さは10μm以上であればよい。   Next, as shown in FIG. 5B, a base metal film 302, which is a laminated film of Ti and Au and has a thickness of about 200 nm, is formed on the highly reflective electrode 303 and the insulating film 304 by electron beam evaporation. Form. Thereafter, a plating layer 301 made of Au having a thickness of about 50 μm is formed by plating. Here, the thickness of the plating layer 301 should just be 10 micrometers or more.

次に、図5(c)に示すように、めっき層301における下地金属膜302の反対側の面上に、厚さが約100μmの高分子フィルムよりなる保持材403を貼り合わせる。ここで、保持材403となる高分子フィルムは、例えばポリエステルよりなり、加熱により発泡し接着力が低下又は消失する接着層を介してめっき層301と接着する。続いて、基板401における下地層402の反対側の面から、波長が355nmのNd(ネオジム):YAG(イットリウムアルミニウムガーネット)レーザの第3高調波光を基板面内でスキャンしながら照射する。照射されたレーザ光はその波長からサファイアよりなる基板401では吸収されず、n型GaNよりなる下地層402でのみ吸収される。このため、下地層402におけるレーザ光の照射部分にのみ局所的な発熱が生じ、生じた発熱により下地層402の基板401との界面付近が熱分解する。すなわち、GaNが窒素(N2 )ガスと金属ガリウム(Ga)とに熱分解される。続いて、塩酸(HCl)等の酸性溶液により、金属Gaを除去することにより、基板401はpn接合構造体300と容易に分離する。これにより、めっき層301上に発光ダイオードとなるpn接合構造体300が形成され、n型コンタクト層308が上面に露出したデバイス構造を得る。 Next, as shown in FIG. 5C, a holding material 403 made of a polymer film having a thickness of about 100 μm is bonded onto the surface of the plating layer 301 on the side opposite to the base metal film 302. Here, the polymer film to be the holding material 403 is made of, for example, polyester, and adheres to the plating layer 301 through an adhesive layer that is foamed by heating and whose adhesive strength is reduced or disappears. Subsequently, the substrate 401 is irradiated with the third harmonic light of an Nd (neodymium): YAG (yttrium aluminum garnet) laser having a wavelength of 355 nm while scanning in the substrate surface from the surface opposite to the base layer 402. The irradiated laser light is not absorbed by the substrate 401 made of sapphire from the wavelength, but is absorbed only by the base layer 402 made of n-type GaN. For this reason, local heat generation occurs only in the portion of the base layer 402 irradiated with laser light, and the generated heat causes thermal decomposition of the vicinity of the interface of the base layer 402 with the substrate 401. That is, GaN is thermally decomposed into nitrogen (N 2 ) gas and metal gallium (Ga). Subsequently, the substrate 401 is easily separated from the pn junction structure 300 by removing the metal Ga with an acidic solution such as hydrochloric acid (HCl). As a result, a pn junction structure 300 to be a light emitting diode is formed on the plating layer 301, and a device structure in which the n-type contact layer 308 is exposed on the upper surface is obtained.

なお、下地層402に照射する光源には、Nd:YAGレーザの第3高調波光に代えて、波長が248nmのKrFエキシマレーザ又は波長が365nmの水銀灯の輝線を用いることができる。   Note that as a light source for irradiating the base layer 402, a bright line of a KrF excimer laser having a wavelength of 248 nm or a mercury lamp having a wavelength of 365 nm can be used instead of the third harmonic light of the Nd: YAG laser.

また、基板401をpn接合構造体300から分離する方法として、光を照射する方法に代えて、基板401を研磨して除去する方法を用いてもよい。   Further, as a method of separating the substrate 401 from the pn junction structure 300, a method of polishing and removing the substrate 401 may be used instead of the light irradiation method.

次に、図5(d)に示すように、例えば電子ビーム蒸着法及びリフトオフ法により、基板401の分離によって露出したn型コンタクト層308の上に、オーミック電極であるn側電極309を形成する。   Next, as shown in FIG. 5D, an n-side electrode 309 that is an ohmic electrode is formed on the n-type contact layer 308 exposed by the separation of the substrate 401 by, for example, an electron beam evaporation method and a lift-off method. .

次に、図5(e)に示すように、複数のデバイスを含むエピタキシャル成長層であるpn接合構造体300を個々に350μm角のチップに分割する。具体的には、例えば塩素(Cl2 )ガスを用いて、pn接合構造体300に対して高反射電極303をそれぞれ内側に含むように絶縁膜304を分割可能な領域で選択的にエッチングする。続いて、下地金属膜302及びめっき層301は、例えば王水(濃塩酸と濃硝酸とを約3:1で混合した酸性水溶液)等によって選択的に除去する。これにより、複数の発光ダイオード素子(チップ)が保持材403上に貼り合わされた状態で配列する。この保持材403を例えば200℃に加熱すると、前述した通り、高分子フィルムよりなる保持材403に塗布された接着層が加熱により発泡して接着力がほぼ消失するため、個々の発光ダイオード素子を保持材403から容易に剥がすことができる。これにより、図5(f)に示す1つの発光ダイオード素子を得る。 Next, as shown in FIG. 5E, the pn junction structure 300, which is an epitaxial growth layer including a plurality of devices, is divided into 350 μm square chips individually. Specifically, for example, chlorine (Cl 2 ) gas is used to selectively etch the insulating film 304 in a region where the insulating film 304 can be divided so as to include the highly reflective electrodes 303 inside the pn junction structure 300. Subsequently, the base metal film 302 and the plating layer 301 are selectively removed by aqua regia (an acidic aqueous solution in which concentrated hydrochloric acid and concentrated nitric acid are mixed at about 3: 1), for example. Thereby, a plurality of light emitting diode elements (chips) are arranged in a state of being bonded onto the holding material 403. When the holding material 403 is heated to 200 ° C., for example, as described above, the adhesive layer applied to the holding material 403 made of a polymer film is foamed by heating and the adhesive force is almost lost. It can be easily peeled off from the holding material 403. Thus, one light emitting diode element shown in FIG.

なお、基板401上に形成したn型GaNよりなる下地層402は、GaNに限られない。すなわち、照射したレーザ光を吸収する部分が下地層402中に存在する限りは、例えば、AlGaN又はInGaN等のいかなる組成のIII-V族窒化物化合物半導体でもよく、又はII−VI族酸化物である酸化亜鉛(ZnO)でもよい。   The underlying layer 402 made of n-type GaN formed on the substrate 401 is not limited to GaN. That is, as long as the portion that absorbs the irradiated laser beam is present in the underlayer 402, for example, a group III-V nitride compound semiconductor such as AlGaN or InGaN, or a group II-VI oxide may be used. Some zinc oxide (ZnO) may be used.

また、上記のレーザ光を吸収しない基板401には、サファイア以外にも、酸化マグネシウム(MgO)又はLiGauAl1-u2 (但し、uは、0≦u≦1である。)を用いることができる。 In addition to sapphire, magnesium oxide (MgO) or LiGa u Al 1-u O 2 (where u is 0 ≦ u ≦ 1) is used for the substrate 401 that does not absorb the laser light. be able to.

また、保持材403は高分子フィルムに限られない。例えばシリコン(Si)、砒化ガリウム(GaAs)、燐化インジウム(InP)、燐化ガリウム(GaP)又は銅タングステン(CuW)等のIII-V族窒化物半導体と異なるいわゆる異種基板を、光を照射する前又は後にめっき層301に貼り合わせてもよい。この場合の保持材403である異種基板は、導電性を持たせれば、図5(e)に示す工程において、各発光ダイオードチップから必ずしも剥がす必要はない。   The holding material 403 is not limited to a polymer film. For example, a so-called heterogeneous substrate different from a III-V group nitride semiconductor such as silicon (Si), gallium arsenide (GaAs), indium phosphide (InP), gallium phosphide (GaP) or copper tungsten (CuW) is irradiated with light. You may affix on the plating layer 301 before or after performing. In this case, the dissimilar substrate which is the holding material 403 is not necessarily peeled off from each light emitting diode chip in the step shown in FIG.

(第4の実施形態)
以下、本発明の第4の実施形態について図面を参照しながら説明する。
(Fourth embodiment)
Hereinafter, a fourth embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.

図6は本発明の第4の実施形態に係る窒化物半導体発光素子であって、半導体レーザ素子の断面構成を示している。   FIG. 6 shows a nitride semiconductor light emitting device according to the fourth embodiment of the present invention, and shows a cross-sectional structure of the semiconductor laser device.

図6に示すように、例えば、サファイアよりなる基板501の上には、厚さが2μmのn型又はアンドープのGaNよりなる下部下地層502Aが形成され、該下部下地層502Aの上には、開口幅が約5μmで且つ開口間隔が約10μmのストライプ状の開口パターンを有し、厚さが100nmのSiO2 よりなるマスク層503が形成されている。マスク層503の上には、該マスク層503に開口パターンから露出する下部下地層502Aから選択成長(横方向成長)により成長した、厚さが2μmのn型又はアンドープのGaNよりなる上部下地層502Bが形成されている。この選択的横方向成長により、上部下地層502Bにおけるマスク層503の上側部分では、下部下地層502Aの1019cm-2台の転位密度が106 cm-2台にまで低減される。 As shown in FIG. 6, for example, a lower base layer 502A made of n-type or undoped GaN having a thickness of 2 μm is formed on a substrate 501 made of sapphire, and on the lower base layer 502A, A mask layer 503 made of SiO 2 having a stripe-shaped opening pattern with an opening width of about 5 μm and an opening interval of about 10 μm and a thickness of 100 nm is formed. On the mask layer 503, an upper base layer made of n-type or undoped GaN having a thickness of 2 μm and grown by selective growth (lateral growth) from the lower base layer 502A exposed from the opening pattern on the mask layer 503. 502B is formed. By this selective lateral growth, the dislocation density of 10 19 cm −2 in the lower base layer 502A is reduced to 10 6 cm −2 in the upper portion of the mask layer 503 in the upper base layer 502B.

上部下地層502Bの上には、厚さが100nmの4元混晶であって上部に組成傾斜領域を有するn型InAlGaNよりなるn型コンタクト層504、厚さが1.2μmのn型Al0.07Ga0.93Nよりなるn型クラッド層505、InGaNよりなるMQW活性層506、厚さが0.5μmのp型Al0.07Ga0.93Nよりなるp型クラッド層507及び厚さが200nmのp型GaNよりなるp型コンタクト層508が順次エピタキシャル成長により形成されている。ここで、導電型がn型の各窒化物半導体層にはSiがドーパントとして導入され、導電型がp型の各窒化物半導体層にはMgがドーパントとして導入されている。また、MQW活性層506は、井戸層が厚さが3nmのIn0.1Ga0.9Nよりなり、障壁層が厚さが7nmのGaNよりなり、3層の井戸層を有している。さらに、MQW活性層506からは、発振波長が405nmの青紫色発光光が生じるように、結晶成長条件が最適化されている。 On the upper base layer 502B, an n-type contact layer 504 made of n-type InAlGaN having a quaternary mixed crystal having a thickness of 100 nm and having a composition gradient region on the upper portion, an n-type Al 0.07 having a thickness of 1.2 μm. N-type cladding layer 505 made of Ga 0.93 N, MQW active layer 506 made of InGaN, p-type cladding layer 507 made of p-type Al 0.07 Ga 0.93 N having a thickness of 0.5 μm, and p-type GaN having a thickness of 200 nm. The p-type contact layer 508 is sequentially formed by epitaxial growth. Here, Si is introduced as a dopant into each n-type nitride semiconductor layer of conductivity type, and Mg is introduced as a dopant into each p-type nitride semiconductor layer of conductivity type. Further, the MQW active layer 506 has a well layer made of In 0.1 Ga 0.9 N with a thickness of 3 nm, a barrier layer made of GaN with a thickness of 7 nm, and has three well layers. Further, the crystal growth conditions are optimized so that blue-violet emission light having an oscillation wavelength of 405 nm is generated from the MQW active layer 506.

エピタキシャル成長層はn型コンタクト層504の一部を露出するように選択的に除去されており、露出されたn型コンタクト層504の上には、基板501側から順次積層されたTi、Al、Ni及びAuよりなり、オーミック特性を持つn側電極509が形成されている。   The epitaxial growth layer is selectively removed so as to expose a part of the n-type contact layer 504, and Ti, Al, and Ni are sequentially stacked on the exposed n-type contact layer 504 from the substrate 501 side. And an n-side electrode 509 made of Au and having ohmic characteristics.

p型コンタクト層508及びp型クラッド層507の上部は、例えば幅が2μm程度のストライプ状(リッジ状)に形成されている。ここで、ストライプ状部分は、マスク層503における開口パターンの上方であって、転位密度が小さい領域に形成される。   The upper portions of the p-type contact layer 508 and the p-type cladding layer 507 are formed in a stripe shape (ridge shape) having a width of about 2 μm, for example. Here, the stripe portion is formed in a region above the opening pattern in the mask layer 503 and having a low dislocation density.

ストライプ状に形成されたp型コンタクト層508の上には、基板501側から順次積層されたNi、Pt及びAuよりなり、オーミック特性を持つp側電極511が形成されている。   On the p-type contact layer 508 formed in a stripe shape, a p-side electrode 511 made of Ni, Pt, and Au sequentially stacked from the substrate 501 side and having ohmic characteristics is formed.

エピタキシャル成長層の露出面上には、n側電極509及びp側電極511を除いて、厚さが200nmのSiO2 よりなる保護絶縁膜510が形成されている。また、n側電極509の上及びp側電極511の上には、基板501側から順次積層されたTi及びAuよりなるパッド電極512がそれぞれ形成されている。ここで、p側電極511上のパッド電極512は、ストライプ状部分を覆うように形成される。 On the exposed surface of the epitaxial growth layer, a protective insulating film 510 made of SiO 2 having a thickness of 200 nm is formed except for the n-side electrode 509 and the p-side electrode 511. On the n-side electrode 509 and the p-side electrode 511, pad electrodes 512 made of Ti and Au, which are sequentially stacked from the substrate 501 side, are formed. Here, the pad electrode 512 on the p-side electrode 511 is formed so as to cover the striped portion.

ストライプ状部分は、保護絶縁膜510とp型クラッド層507との屈折率差によってMQW活性層506からの発光光が閉じ込められ、青紫色レーザ光の導波路として機能する。ストライプ状に形成された導波路は、該導波路の長手方向(レーザ光の共振方向)に対して垂直な方向に、例えば共振器長が700μmとなるように且つ劈開面が互いに対向するように形成されている。両劈開面のうちの一方の端面に高反射率を得られるように誘電体膜がコーティングされて、青紫色半導体レーザ構造が形成される。   The stripe-shaped portion functions as a waveguide for blue-violet laser light because light emitted from the MQW active layer 506 is confined by the refractive index difference between the protective insulating film 510 and the p-type cladding layer 507. The waveguides formed in a stripe shape are perpendicular to the longitudinal direction of the waveguide (resonance direction of the laser beam), for example, so that the resonator length is 700 μm and the cleavage planes face each other. Is formed. A dielectric film is coated on one end face of the both cleaved faces so as to obtain a high reflectance, thereby forming a blue-violet semiconductor laser structure.

以上の構成により、高出力動作時の空間的ホールバーニングによる電流−光出力特性におけるキンク現象の発生を抑制でき、安定した単一横モードを有する高出力レーザ素子を実現できる。   With the above configuration, it is possible to suppress the occurrence of the kink phenomenon in the current-light output characteristics due to spatial hole burning during high output operation, and to realize a high output laser device having a stable single transverse mode.

第4の実施形態の特徴として、第1〜第3の各実施形態と同様に、n型コンタクト層504におけるオーミック電極であるn側電極509との接触部分の組成はIn0.09Al0.33Ga0.58Nである。さらに、n型コンタクト層504とAl0.07Ga0.93Nよりなるn型クラッド層505との0.07eVの禁制帯幅を段階的又は連続的に調整してヘテロ障壁を緩和するために、n型コンタクト層504におけるn型クラッド層505との界面及びその近傍部分に組成傾斜領域を設けている。これにより、n型クラッド層505とn型コンタクト層504との間には電位障壁がなく、直列抵抗がより低減された半導体レーザ素子を実現できる。 As a feature of the fourth embodiment, as in the first to third embodiments, the composition of the contact portion of the n-type contact layer 504 with the n-side electrode 509 which is an ohmic electrode is In 0.09 Al 0.33 Ga 0.58 N It is. Further, in order to relax the hetero barrier by adjusting the forbidden band width of 0.07 eV between the n-type contact layer 504 and the n-type cladding layer 505 made of Al 0.07 Ga 0.93 N stepwise or continuously, A composition gradient region is provided at the interface of the layer 504 with the n-type cladding layer 505 and in the vicinity thereof. Thereby, there is no potential barrier between the n-type cladding layer 505 and the n-type contact layer 504, and a semiconductor laser device with a further reduced series resistance can be realized.

なお、第4の実施形態においては、n型コンタクト層504におけるn型クラッド層505との界面側に組成傾斜領域を設けたが、これとは逆に、n型クラッド層505におけるn型コンタクト層504との界面側に組成傾斜領域を設けることにより、n型クラッド層505とn型コンタクト層504との界面の電位障壁をなくすようにしてもよい。すなわち、n型クラッド層505に組成傾斜領域を設ける場合は、n型クラッド層505のn型コンタクト層504との界面においてその禁制帯幅が3.46eVとなるように、n型クラッド層505の組成をAl0.04Ga0.96Nとするとよい。 In the fourth embodiment, the composition gradient region is provided on the interface side of the n-type contact layer 504 with the n-type cladding layer 505. Conversely, the n-type contact layer in the n-type cladding layer 505 is provided. The potential barrier at the interface between the n-type cladding layer 505 and the n-type contact layer 504 may be eliminated by providing a composition gradient region on the interface side with the 504. That is, when the composition gradient region is provided in the n-type cladding layer 505, the n-type cladding layer 505 has a forbidden band width of 3.46 eV at the interface between the n-type cladding layer 505 and the n-type contact layer 504. The composition may be Al 0.04 Ga 0.96 N.

さらに、n型コンタクト層504には、n型ドーパントであるSiが例えば1×1018cm-3以上の高濃度にドーピングされている。従って、n型コンタクト層504に接して形成されたn側電極509と該n型コンタクト層504とのコンタクト抵抗は1×10-6Ωcm2 以下となる極めて小さい値を得ることができる。 Further, the n-type contact layer 504 is doped with Si, which is an n-type dopant, at a high concentration of, for example, 1 × 10 18 cm −3 or more. Therefore, the contact resistance between the n-side electrode 509 formed in contact with the n-type contact layer 504 and the n-type contact layer 504 can be an extremely small value of 1 × 10 −6 Ωcm 2 or less.

以上説明したように、第4の実施形態によると、窒化物半導体発光素子、すなわち半導体レーザ素子において、オーミック電極であるn側電極509と接するn型コンタクト層504の組成をInAlGaNよりなる4元混晶とすることにより、InAlGaNにおける電子親和力がGaNと比べて大きいことから、InAlGaNにおける伝導帯の下端の位置がGaNよりも低下する。このため、オーミックコンタクト抵抗を極めて小さくすることができるので、半導体レーザ素子における直列抵抗及び動作電圧を低減することが可能となる。従って、消費電力を低減でき且つ長寿命の青紫色半導体レーザ素子を実現することができる。   As described above, according to the fourth embodiment, in the nitride semiconductor light emitting device, that is, the semiconductor laser device, the composition of the n-type contact layer 504 in contact with the n-side electrode 509 that is an ohmic electrode is changed to a quaternary mixed material composed of InAlGaN. By using a crystal, since the electron affinity in InAlGaN is larger than that in GaN, the position of the lower end of the conduction band in InAlGaN is lower than that in GaN. For this reason, since the ohmic contact resistance can be extremely reduced, the series resistance and the operating voltage in the semiconductor laser element can be reduced. Therefore, it is possible to realize a blue-violet semiconductor laser element that can reduce power consumption and has a long lifetime.

なお、第4の実施形態においては、サファイアよりなる基板501上に、選択的横方向成長法により形成した転位密度が低い領域上に、ストライプ状の導波路を形成するレーザ素子について説明したが、n型コンタクト層504を含めその上方に成長するエピタキシャル成長層における転位密度のオーダが例えば106 cm-2台を実現できる限りは、下部下地層502A、マスク層503及び上部下地層502Bを設けずに、基板501として窒化ガリウム(GaN)を用いることができる。また、基板501にサファイアを用いる場合であっても、例えば1μm程度と比較的に厚い窒化アルミニウム(AlN)よりなる単層の下地層を設けることにより、エピタキシャル成長層に生じる転位密度を低減してもよい。 In the fourth embodiment, a laser element has been described in which a striped waveguide is formed on a substrate 501 made of sapphire on a region having a low dislocation density formed by a selective lateral growth method. The lower base layer 502A, the mask layer 503, and the upper base layer 502B are not provided as long as the order of the dislocation density in the epitaxial growth layer including the n-type contact layer 504 can be, for example, 10 6 cm −2. Gallium nitride (GaN) can be used as the substrate 501. Even when sapphire is used for the substrate 501, dislocation density generated in the epitaxial growth layer can be reduced by providing a single-layer base layer made of aluminum nitride (AlN) which is relatively thick, for example, about 1 μm. Good.

また、第4の実施形態に係る青紫色半導体レーザ素子は、MQW活性層506とn型クラッド層505との間及びMQW活性層506とp型クラッド層507との間に、例えばn型GaN及びp型GaNよりなり、発光光の閉じ込め効率を向上する光ガイド層をそれぞれ形成してもよい。   Further, the blue-violet semiconductor laser device according to the fourth embodiment includes, for example, n-type GaN and n-type GaN between the MQW active layer 506 and the n-type cladding layer 505 and between the MQW active layer 506 and the p-type cladding layer 507. Each of the light guide layers made of p-type GaN and improving the confinement efficiency of the emitted light may be formed.

さらに、MQW活性層506の上に、例えばp型Al0.15Ga0.85Nよりなる、いわゆる電子障壁層を設け、MQW活性層506からの電子のp型半導体層側へのオーバーフローを抑制する構成としてもよい。 Further, a so-called electron barrier layer made of, for example, p-type Al 0.15 Ga 0.85 N is provided on the MQW active layer 506 to suppress overflow of electrons from the MQW active layer 506 to the p-type semiconductor layer side. Good.

(第5の実施形態)
以下、本発明の第5の実施形態について図面を参照しながら説明する。
(Fifth embodiment)
Hereinafter, a fifth embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.

図7は本発明の第5の実施形態に係る窒化物半導体発光素子であって、半導体レーザ素子の断面構成を示している。   FIG. 7 shows a nitride semiconductor light emitting device according to the fifth embodiment of the present invention, and shows a cross-sectional configuration of the semiconductor laser device.

図7を用いて、第5の実施形態に係る半導体レーザ素子の構成を製造方法と共に説明する。   The structure of the semiconductor laser device according to the fifth embodiment will be described together with the manufacturing method with reference to FIG.

まず、図7に示すように、例えばMOCVD法により、n型GaNよりなるn型基板601の主面上に、厚さが1.2μmのn型Al0.07Ga0.93Nよりなるn型クラッド層602、InGaNよりなるMQW活性層603、厚さが0.5μmのp型Al0.07Ga0.93Nよりなるp型クラッド層604及び厚さが200nmのp型GaNよりなるp型コンタクト層605を順次エピタキシャル成長により形成する。ここで、MQW活性層603は、井戸層が厚さが3nmのIn0.1Ga0.9Nよりなり、障壁層が厚さが7nmのGaNよりなり、3層の井戸層を有している。さらに、MQW活性層603からは、発振波長が405nmの青紫色発光光が生じるように、結晶成長条件が最適化されている。 First, as shown in FIG. 7, an n-type cladding layer 602 made of n-type Al 0.07 Ga 0.93 N having a thickness of 1.2 μm is formed on the main surface of an n-type substrate 601 made of n-type GaN, for example, by MOCVD. Then, an MQW active layer 603 made of InGaN, a p-type cladding layer 604 made of p-type Al 0.07 Ga 0.93 N having a thickness of 0.5 μm, and a p-type contact layer 605 made of p-type GaN having a thickness of 200 nm are successively grown by epitaxial growth. Form. Here, in the MQW active layer 603, the well layer is made of In 0.1 Ga 0.9 N having a thickness of 3 nm, the barrier layer is made of GaN having a thickness of 7 nm, and has three well layers. Further, the crystal growth conditions are optimized so that blue-violet emission light having an oscillation wavelength of 405 nm is generated from the MQW active layer 603.

次に、n型基板601におけるn型クラッド層602の反対側の面を研磨して、n型基板601を150μmかそれ以下に薄膜化する(裏面研磨)。その後、研磨したn型基板601の裏面、すなわちn型クラッド層602の反対側の面上に、MOCVD法により、厚さが100nmの4元混晶であるn型In0.09Al0.33Ga0.58Nよりなるn型コンタクト層606を形成する。 Next, the surface of the n-type substrate 601 opposite to the n-type cladding layer 602 is polished to thin the n-type substrate 601 to 150 μm or less (back surface polishing). Thereafter, the n-type In 0.09 Al 0.33 Ga 0.58 N, which is a quaternary mixed crystal having a thickness of 100 nm, is formed on the back surface of the polished n-type substrate 601, that is, the surface opposite to the n-type cladding layer 602 by MOCVD. An n-type contact layer 606 is formed.

次に、第4の実施形態と同様に、p型コンタクト層605及びp型クラッド層604の上部に、例えば幅が2μm程度のストライプ状(リッジ状)部分をエッチングにより選択的に形成する。続いて、CVD法により、p型クラッド層604上におけるストライプ状部分の両側方に厚さが200nmのSiO2 よりなる保護絶縁膜607を選択的に形成する。 Next, as in the fourth embodiment, a striped (ridged) portion having a width of about 2 μm, for example, is selectively formed on the p-type contact layer 605 and the p-type cladding layer 604 by etching. Subsequently, a protective insulating film 607 made of SiO 2 having a thickness of 200 nm is selectively formed on both sides of the striped portion on the p-type cladding layer 604 by CVD.

次に、電子ビーム蒸着法等により、p型コンタクト層605の上に基板側からNi、Pt及びAuよりなるオーミック特性を持つp側電極608を形成し、続いて、p側電極608の上に、Ti及びAuよりなるパッド電極610を形成する。   Next, a p-side electrode 608 having an ohmic characteristic made of Ni, Pt, and Au is formed on the p-type contact layer 605 from the substrate side by an electron beam evaporation method or the like, and subsequently, on the p-side electrode 608. A pad electrode 610 made of Ti and Au is formed.

次に、n型コンタクト層606におけるn型基板601の反対側の面上に、基板側からTi、Al、Ni及びAuよりなり、オーミック特性を持つn側電極609を形成する。なお、p側電極608とn側電極609との形成順序は特に問われない。   Next, an n-side electrode 609 made of Ti, Al, Ni, and Au and having ohmic characteristics is formed on the surface of the n-type contact layer 606 opposite to the n-type substrate 601 from the substrate side. Note that the order of forming the p-side electrode 608 and the n-side electrode 609 is not particularly limited.

第5の実施形態においても、n型コンタクト層606に接して形成されたn側電極609と該n型コンタクト層606とのコンタクト抵抗は1×10-6Ωcm2 以下となる極めて小さい値を得ることができる。 Also in the fifth embodiment, the contact resistance between the n-side electrode 609 formed in contact with the n-type contact layer 606 and the n-type contact layer 606 is an extremely small value of 1 × 10 −6 Ωcm 2 or less. be able to.

次に、ストライプ状の導波路の長手方向に対して垂直な方向に互いに対向する劈開面を形成することにより導波路を共振器とする。その後、劈開面のうちの反射端面を誘電体によりコーティングして該反射端面の反射率を大きくして半導体レーザ構造を得る。   Next, the waveguide is made a resonator by forming cleavage planes facing each other in a direction perpendicular to the longitudinal direction of the striped waveguide. Thereafter, the reflective end face of the cleavage plane is coated with a dielectric to increase the reflectivity of the reflective end face to obtain a semiconductor laser structure.

以上の構成により、導波路には、保護絶縁膜607とp型クラッド層604との屈折率差によってMQW活性層603からの発光光が閉じ込められる結果、電流−光出力特性におけるキンク現象の発生を抑制でき、安定した単一横モードを有する高出力レーザ素子を実現できる。   With the above configuration, light emission from the MQW active layer 603 is confined in the waveguide by the refractive index difference between the protective insulating film 607 and the p-type cladding layer 604, and as a result, the occurrence of a kink phenomenon in the current-light output characteristics is generated. A high-power laser device that can be suppressed and has a stable single transverse mode can be realized.

第5の実施形態によると、窒化物半導体発光素子、すなわち半導体レーザ素子において、第4の実施形態と同様に、オーミック電極であるn側電極609と接するn型コンタクト層606の組成をInAlGaNよりなる4元混晶とすることにより、InAlGaNにおける電子親和力がGaNと比べて大きいことから、InAlGaNにおける伝導帯の下端の位置がGaNよりも低下する。このため、オーミックコンタクト抵抗を極めて小さくすることができるので、半導体レーザ素子における直列抵抗及び動作電圧を低減することが可能となる。従って、消費電力を低減でき且つ長寿命の青紫色半導体レーザ素子を実現することができる。   According to the fifth embodiment, in the nitride semiconductor light emitting device, that is, the semiconductor laser device, the composition of the n-type contact layer 606 in contact with the n-side electrode 609 that is an ohmic electrode is made of InAlGaN, as in the fourth embodiment. By using a quaternary mixed crystal, since the electron affinity in InAlGaN is larger than that in GaN, the position of the lower end of the conduction band in InAlGaN is lower than that in GaN. For this reason, since the ohmic contact resistance can be extremely reduced, the series resistance and the operating voltage in the semiconductor laser element can be reduced. Therefore, it is possible to realize a blue-violet semiconductor laser element that can reduce power consumption and has a long lifetime.

さらに、第5の実施形態においては、n型基板601にn型GaNを用いているため、例えば絶縁性のサファイアを用いる場合と異なり、n側電極609を形成する際にエピタキシャル成長層の一部をエッチングする必要がなくなる。また、GaNはサファイアと異なり、エピタキシャル成長層と同一の窒化物半導体であるため、へき開が容易に行なえるので、共振器の端面の平坦性及び反射率が向上する。その結果、より低いしきい値電流で動作する半導体レーザ素子を実現することができる。例えば、n型基板601にGaNを用いた場合には、エピタキシャル成長層における転位密度のオーダが106 cm-2台かそれ以下にまで小さくできるため、より長寿命化が可能となる。 Furthermore, in the fifth embodiment, since n-type GaN is used for the n-type substrate 601, unlike the case where, for example, insulating sapphire is used, a part of the epitaxial growth layer is formed when the n-side electrode 609 is formed. There is no need to etch. In addition, unlike sapphire, GaN is the same nitride semiconductor as the epitaxial growth layer, and therefore can be easily cleaved, so that the flatness and reflectance of the end face of the resonator are improved. As a result, a semiconductor laser element that operates at a lower threshold current can be realized. For example, when GaN is used for the n-type substrate 601, the order of dislocation density in the epitaxial growth layer can be reduced to 10 6 cm −2 or less, so that the lifetime can be further increased.

また、第5の実施形態に係る青紫色半導体レーザ素子は、MQW活性層603とn型クラッド層602との間及びMQW活性層603とp型クラッド層604との間に、例えばn型GaN及びp型GaNよりなり、発光光の閉じ込め効率を向上する光ガイド層をそれぞれ形成してもよい。   The blue-violet semiconductor laser device according to the fifth embodiment includes, for example, n-type GaN and n-type GaN between the MQW active layer 603 and the n-type cladding layer 602 and between the MQW active layer 603 and the p-type cladding layer 604. Each of the light guide layers made of p-type GaN and improving the confinement efficiency of the emitted light may be formed.

さらに、MQW活性層603の上に、例えばp型Al0.15Ga0.85Nよりなる、いわゆる電子障壁層を設け、MQW活性層603からの電子のp型半導体層側へのオーバーフローを抑制する構成としてもよい。 Further, a so-called electron barrier layer made of, for example, p-type Al 0.15 Ga 0.85 N may be provided on the MQW active layer 603 to suppress overflow of electrons from the MQW active layer 603 to the p-type semiconductor layer side. Good.

(第6の実施形態)
以下、本発明の第6の実施形態について図面を参照しながら説明する。
(Sixth embodiment)
Hereinafter, a sixth embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.

図8は本発明の第6の実施形態に係る窒化物半導体発光素子であって、半導体レーザ素子の断面構成を示している。   FIG. 8 shows a cross-sectional configuration of a semiconductor laser device, which is a nitride semiconductor light emitting device according to the sixth embodiment of the present invention.

第6の実施形態の第5の実施形態との相違点は、n型GaNよりなるn型基板601自体に4元混晶であるn型InAlGaNを用いると共に、n型InAlGaNよりなる基板とn型AlGaNよりなるn型クラッド層との間に、n型InAlGaNよりなる組成傾斜層が設けられている点である。   The difference of the sixth embodiment from the fifth embodiment is that n-type InAlGaN that is a quaternary mixed crystal is used for the n-type substrate 601 itself made of n-type GaN, and that the n-type InAlGaN substrate and the n-type InAlGaN are used. A composition gradient layer made of n-type InAlGaN is provided between the n-type cladding layer made of AlGaN.

図8を用いて、第6の実施形態に係る半導体レーザ素子の構成を製造方法と共に説明する。   The structure of the semiconductor laser device according to the sixth embodiment will be described together with the manufacturing method with reference to FIG.

まず、図8に示すn型InAlGaNよりなるn型基板701を作製する。   First, an n-type substrate 701 made of n-type InAlGaN shown in FIG. 8 is produced.

例えば、ハイドライド気相成長(Hydride Vapor Phase Epitaxy:HVPE)法により、サファイア基板(図示せず)の上に、厚さが約200nmのGaNよりなるバッファ層(図示せず)と、第1〜第5の実施形態と同様に、窒化ガリウム(GaN)と格子整合する厚さが300μm程度のn型In0.09Al0.33Ga0.58N層とを形成する。具体的には、In、Al及びGaをそれぞれボート内に投入し、続いて、各ボート上に塩化水素(HCl)ガスを供給することにより、塩化インジウム(InCl)、塩化アルミニウム(AlCl)及び塩化ガリウム(GaCl)の各III 族ソースガスを製造する。製造された各III 族ソースガスと窒素源を含むアンモニア(NH3 )ガスとを用いて、例えば基板温度を1000℃程度としてエピタキシャル成長を行なう。III 族ソースガスの流量を増大させることにより、例えば成長速度が50μm/h以上となる高速な成長が可能である。ここで、バッファ層の成長時には、III 族ソースガスのうちGaClのみを用いる。また、n型のドーパントであるシリコン(Si)のドーピングにはシラン(SiH4 )ガスを用いる。 For example, a buffer layer (not shown) made of GaN having a thickness of about 200 nm is formed on a sapphire substrate (not shown) by a hydride vapor phase epitaxy (HVPE) method. Similarly to the fifth embodiment, an n-type In 0.09 Al 0.33 Ga 0.58 N layer having a thickness of about 300 μm lattice-matched with gallium nitride (GaN) is formed. Specifically, In, Al, and Ga are introduced into the boats respectively, and then hydrogen chloride (HCl) gas is supplied onto each boat, so that indium chloride (InCl), aluminum chloride (AlCl), and chloride are supplied. Each group III source gas of gallium (GaCl) is manufactured. Epitaxial growth is performed using the manufactured group III source gas and ammonia (NH 3 ) gas containing a nitrogen source at a substrate temperature of about 1000 ° C., for example. By increasing the flow rate of the group III source gas, for example, high-speed growth with a growth rate of 50 μm / h or more is possible. Here, during the growth of the buffer layer, only GaCl out of the group III source gas is used. Silane (SiH 4 ) gas is used for doping silicon (Si) which is an n-type dopant.

続いて、サファイア基板におけるn型基板701の反対側の面から、波長が355nmのNd:YAGレーザの第3高調波光を照射する。このレーザ光の照射により、バッファ層におけるサファイア基板との界面及びその近傍領域において、バッファ層を構成するGaNが熱分解されるため、n型In0.09Al0.33Ga0.58N層をサファイア基板から分離してn型In0.09Al0.33Ga0.58Nよりなるn型基板701を得ることができる。 Subsequently, the third harmonic light of an Nd: YAG laser having a wavelength of 355 nm is irradiated from the surface of the sapphire substrate opposite to the n-type substrate 701. By irradiation with this laser light, GaN constituting the buffer layer is thermally decomposed at the interface of the buffer layer with the sapphire substrate and in the vicinity thereof, so that the n-type In 0.09 Al 0.33 Ga 0.58 N layer is separated from the sapphire substrate. Thus, an n-type substrate 701 made of n-type In 0.09 Al 0.33 Ga 0.58 N can be obtained.

次に、n型基板701上のバッファ層の分解物を除去した後、例えばMOCVD法により、n型基板701の上に、厚さが100nmのn型InAlGaNよりなる組成傾斜層702、厚さが1.2μmのn型Al0.07Ga0.93Nよりなるn型クラッド層703、InGaNよりなるMQW活性層704、厚さが0.5μmのp型Al0.07Ga0.93Nよりなるp型クラッド層705及び厚さが200nmのp型GaNよりなるp型コンタクト層706をエピタキシャル成長により順次形成する。ここで、MQW活性層704は、井戸層が厚さが3nmのIn0.1Ga0.9Nよりなり、障壁層が厚さが7nmのGaNよりなり、3層の井戸層を有している。さらに、MQW活性層704からは、発振波長が405nmの青紫色発光光が生じるように、結晶成長条件が最適化されている。 Next, after the decomposition product of the buffer layer on the n-type substrate 701 is removed, the composition gradient layer 702 made of n-type InAlGaN having a thickness of 100 nm is formed on the n-type substrate 701 by MOCVD, for example. An n-type cladding layer 703 made of 1.2 μm n-type Al 0.07 Ga 0.93 N, an MQW active layer 704 made of InGaN, a p-type cladding layer 705 made of p-type Al 0.07 Ga 0.93 N having a thickness of 0.5 μm, and a thickness A p-type contact layer 706 made of p-type GaN having a thickness of 200 nm is sequentially formed by epitaxial growth. Here, in the MQW active layer 704, the well layer is made of In 0.1 Ga 0.9 N having a thickness of 3 nm, the barrier layer is made of GaN having a thickness of 7 nm, and has three well layers. Further, crystal growth conditions are optimized so that blue-violet emission light having an oscillation wavelength of 405 nm is generated from the MQW active layer 704.

次に、第4又は第5の実施形態と同様に、p型コンタクト層706及びp型クラッド層705の上部に、例えば幅が2μm程度のストライプ状(リッジ状)部分をエッチングにより選択的に形成する。続いて、CVD法により、p型クラッド層705上におけるストライプ状部分の両側方に厚さが200nmのSiO2 よりなる保護絶縁膜707を選択的に形成する。 Next, as in the fourth or fifth embodiment, a stripe-shaped (ridge-shaped) portion having a width of, for example, about 2 μm is selectively formed on the p-type contact layer 706 and the p-type cladding layer 705 by etching. To do. Subsequently, a protective insulating film 707 made of SiO 2 having a thickness of 200 nm is selectively formed on both sides of the stripe portion on the p-type cladding layer 705 by CVD.

次に、電子ビーム蒸着法等により、p型コンタクト層706の上にn型基板701側からNi、Pt及びAuよりなるオーミック特性を持つp側電極708を形成し、続いて、p側電極708の上に、Ti及びAuよりなるパッド電極710を形成する。   Next, a p-side electrode 708 having ohmic characteristics made of Ni, Pt, and Au is formed on the p-type contact layer 706 from the n-type substrate 701 side by an electron beam evaporation method or the like, and then the p-side electrode 708 is formed. A pad electrode 710 made of Ti and Au is formed thereon.

次に、型n基板701における組成傾斜層702の反対側の面に対して厚さが150μm程度になるまで薄膜化(裏面研磨)する。その後、薄膜化されたn型基板701の裏面上に、基板側からTi、Al、Ni及びAuよりなり、オーミック特性を持つn側電極709を形成する。これにより、n側電極709はn型基板701とのコンタクト抵抗として1×10-6Ωcm2 以下となる極めて小さい値を得ることができる。 Next, thinning (backside polishing) is performed until the thickness of the n-type substrate 701 on the opposite side of the composition gradient layer 702 is about 150 μm. Thereafter, an n-side electrode 709 made of Ti, Al, Ni and Au and having ohmic characteristics is formed on the back surface of the thinned n-type substrate 701 from the substrate side. As a result, the n-side electrode 709 can obtain an extremely small value of 1 × 10 −6 Ωcm 2 or less as the contact resistance with the n-type substrate 701.

次に、ストライプ状の導波路の長手方向に対して垂直な方向に互いに対向する劈開面を形成することにより導波路を共振器とする。その後、劈開面のうちの一方の端面を誘電体によりコーティングし、該端面の反射率を大きくして半導体レーザ構造を得る。   Next, the waveguide is made a resonator by forming cleavage planes facing each other in a direction perpendicular to the longitudinal direction of the striped waveguide. Thereafter, one end face of the cleavage plane is coated with a dielectric, and the reflectance of the end face is increased to obtain a semiconductor laser structure.

以上の構成により、導波路には、保護絶縁膜707とp型クラッド層705との屈折率差によってMQW活性層704からの発光光が閉じ込められる結果、電流−光出力特性におけるキンク現象の発生を抑制でき、安定した単一横モードを有する高出力レーザ素子を実現できる。   With the above configuration, light emission from the MQW active layer 704 is confined in the waveguide by the refractive index difference between the protective insulating film 707 and the p-type cladding layer 705, and as a result, the occurrence of a kink phenomenon in the current-light output characteristics is generated. A high-power laser device that can be suppressed and has a stable single transverse mode can be realized.

また、n型クラッド層703を構成するAl0.07Ga0.93Nの禁制帯幅が3.53eVであることから、n型基板701を構成するn型In0.09Al0.33Ga0.58Nとの間の0.07eVの禁制帯幅を段階的又は連続的に調整してヘテロ障壁を緩和するために、n型InAlGaNよりなる組成傾斜層702を設けている。これにより、n型クラッド層703とn型基板701との間には電位障壁がなく、直列抵抗がより低減される。 Further, since the forbidden band width of Al 0.07 Ga 0.93 N constituting the n-type clad layer 703 is 3.53 eV, it is 0. 0 between the n-type In 0.09 Al 0.33 Ga 0.58 N constituting the n-type substrate 701. In order to relax the hetero barrier by adjusting the forbidden band width of 07 eV stepwise or continuously, the composition gradient layer 702 made of n-type InAlGaN is provided. Thereby, there is no potential barrier between the n-type cladding layer 703 and the n-type substrate 701, and the series resistance is further reduced.

なお、第6の実施形態においては、n型基板701とn型クラッド層703と間に組成傾斜層702を設けたが、該組成傾斜層702に代えて、n型クラッド層703におけるn型基板701との界面側に組成傾斜領域を設けることにより、n型クラッド層703とn型基板701との界面の電位障壁をなくすようにしてもよい。すなわち、n型クラッド層703に組成傾斜領域を設ける場合は、n型クラッド層703のn型基板701との界面においてその禁制帯幅が3.46eVとなるように、n型クラッド層703の組成をAl0.04Ga0.96Nとするとよい。 In the sixth embodiment, the composition gradient layer 702 is provided between the n-type substrate 701 and the n-type cladding layer 703. Instead of the composition gradient layer 702, the n-type substrate in the n-type cladding layer 703 is used. A potential barrier at the interface between the n-type cladding layer 703 and the n-type substrate 701 may be eliminated by providing a composition gradient region on the interface side with the 701. That is, when the composition gradient region is provided in the n-type cladding layer 703, the composition of the n-type cladding layer 703 is set so that the forbidden band width is 3.46 eV at the interface between the n-type cladding layer 703 and the n-type substrate 701. Is preferably Al 0.04 Ga 0.96 N.

以上説明したように、第6の実施形態によると、窒化物半導体発光素子、すなわち半導体レーザ素子において、オーミック電極であるn側電極709と接するn型基板701の組成をInAlGaNよりなる4元混晶とすることにより、InAlGaNにおける電子親和力がGaNと比べて大きいことから、InAlGaNにおける伝導帯の下端の位置がGaNよりも低下する。このため、オーミックコンタクト抵抗を極めて小さくすることができるので、半導体レーザ素子における直列抵抗及び動作電圧を低減することが可能となる。従って、消費電力を低減でき且つ長寿命の青紫色半導体レーザ素子を実現することができる。   As described above, according to the sixth embodiment, in the nitride semiconductor light emitting device, that is, the semiconductor laser device, the composition of the n-type substrate 701 in contact with the n-side electrode 709 that is an ohmic electrode is changed to a quaternary mixed crystal made of InAlGaN. Thus, since the electron affinity in InAlGaN is larger than that in GaN, the position of the lower end of the conduction band in InAlGaN is lower than that in GaN. For this reason, since the ohmic contact resistance can be extremely reduced, the series resistance and the operating voltage in the semiconductor laser element can be reduced. Therefore, it is possible to realize a blue-violet semiconductor laser element that can reduce power consumption and has a long lifetime.

さらに、第6の実施形態においては、n型基板701にn型InAlGaNを用いているため、例えば絶縁性のサファイアを用いる場合と異なり、n側電極709を形成する際にエピタキシャル成長層の一部をエッチングする必要がなくなる。また、InAlGaNはサファイアと異なり、エピタキシャル成長層と同一の窒化物半導体であるため、へき開が容易に行なえるので、共振器の端面の平坦性及び反射率が向上する。その結果、より低いしきい値電流で動作する半導体レーザ素子を実現することができる。   Furthermore, in the sixth embodiment, since n-type InAlGaN is used for the n-type substrate 701, a part of the epitaxial growth layer is formed when the n-side electrode 709 is formed, unlike the case of using insulating sapphire, for example. There is no need to etch. Further, since InAlGaN is the same nitride semiconductor as the epitaxial growth layer unlike sapphire, it can be easily cleaved, so that the flatness and reflectivity of the end face of the resonator are improved. As a result, a semiconductor laser element that operates at a lower threshold current can be realized.

なお、第6の実施形態に係る青紫色半導体レーザ素子は、MQW活性層704とn型クラッド層703との間及びMQW活性層704とp型クラッド層705との間に、例えばn型GaN及びp型GaNよりなり、発光光の閉じ込め効率を向上する光ガイド層をそれぞれ形成してもよい。   The blue-violet semiconductor laser device according to the sixth embodiment includes, for example, n-type GaN and n-type GaN between the MQW active layer 704 and the n-type cladding layer 703 and between the MQW active layer 704 and the p-type cladding layer 705. Each of the light guide layers made of p-type GaN and improving the confinement efficiency of the emitted light may be formed.

さらに、MQW活性層704の上に、例えばp型Al0.15Ga0.85Nよりなる、いわゆる電子障壁層を設け、MQW活性層704からの電子のp型半導体層側へのオーバーフローを抑制する構成としてもよい。 Further, a so-called electron barrier layer made of, for example, p-type Al 0.15 Ga 0.85 N is provided on the MQW active layer 704 to suppress overflow of electrons from the MQW active layer 704 to the p-type semiconductor layer side. Good.

なお、第1〜第6の各実施形態において、エピタキシャル成長用の基板として用いたサファイア、GaN又はInAlGaNの主面の面方位は、発光素子が形成できる限りはいかなる面方位でも良い。例えば、代表的な面方位である(0001)面や、該(0001)面からオフアングルを設けた面方位であってもよい。さらに、基板は半導体レーザ素子に適用する場合は、ストライプ状の導波路の長手方向に対して垂直な方向に劈開できる限りいかなる面方位であってもよい。   In each of the first to sixth embodiments, the plane orientation of the main surface of sapphire, GaN or InAlGaN used as the substrate for epitaxial growth may be any plane orientation as long as a light emitting element can be formed. For example, a (0001) plane that is a typical plane orientation, or a plane orientation in which an off-angle is provided from the (0001) plane may be used. Furthermore, when the substrate is applied to a semiconductor laser element, it may have any plane orientation as long as it can be cleaved in a direction perpendicular to the longitudinal direction of the striped waveguide.

また、基板材料として、サファイア又はGaN等のIII-V族窒化物以外に、MgO、LiGaO2 又はLiGauAl1-u2 (但し、uは、0≦u≦1である。)を用いることができる。これらの基板材料は、いずれも結晶性に優れたGaN等の窒化物半導体を形成することができる。その上、例えば波長が355nmのNd:YAGレーザの第3次高調波光を照射して、基板をエピタキシャル成長層から分離する場合には、GaN、InxGa1-xN(但し、xは、0<x≦1)又はZnOは、Nd:YAGレーザの第3次高調波光を吸収して容易に分解されるため、結晶性に優れた窒化物半導体よりなるエピタキシャル成長層を容易に基板から分離することができる。 In addition to III-V nitrides such as sapphire or GaN, MgO, LiGaO 2 or LiGa u Al 1-u O 2 (where u is 0 ≦ u ≦ 1) is used as the substrate material. be able to. Any of these substrate materials can form a nitride semiconductor such as GaN having excellent crystallinity. In addition, for example, when the substrate is separated from the epitaxial growth layer by irradiation with the third harmonic light of an Nd: YAG laser having a wavelength of 355 nm, GaN, In x Ga 1-x N (where x is 0 <X ≦ 1) or ZnO is easily decomposed by absorbing the third harmonic light of the Nd: YAG laser, so that the epitaxial growth layer made of a nitride semiconductor having excellent crystallinity can be easily separated from the substrate. Can do.

また、窒化物半導体のエピタキシャル成長法は、MOCVD法に限られず、例えば、分子線エピタキシ(Molecular Beam Epitaxy:MBE)法又はHVPE法を、各エピタキシャル成長層の厚さ又は組成によって適宜用いてもよい。   In addition, the epitaxial growth method of the nitride semiconductor is not limited to the MOCVD method, and for example, a molecular beam epitaxy (MBE) method or an HVPE method may be appropriately used depending on the thickness or composition of each epitaxial growth layer.

本発明に係る窒化物半導体発光素子又はその製造方法は、低電圧動作が可能となり、可視域及び紫外域の発光ダイオード素子又は高密度光ディスク用の半導体レーザ素子等に有用である。   The nitride semiconductor light emitting device or the manufacturing method thereof according to the present invention can operate at a low voltage, and is useful for a light emitting diode device in a visible region and an ultraviolet region, a semiconductor laser device for a high density optical disk, or the like.

(a)は本発明の第1の実施形態に係る発光ダイオード素子を示す構成断面図である。(b)は本発明の第1の実施形態に係る発光ダイオード素子の要部のバンドダイヤグラム図である。BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS (a) is a structure sectional drawing which shows the light emitting diode element which concerns on the 1st Embodiment of this invention. FIG. 4B is a band diagram of the main part of the light-emitting diode element according to the first embodiment of the present invention. 本発明の第1の実施形態に係るInAlGaNよりなる4元混晶層(コンタクト層)におけるInの組成xに対するAlの組成yの比の値と結晶歪量との関係を示すグラフである。4 is a graph showing the relationship between the value of the ratio of the Al composition y to the In composition x in the quaternary mixed crystal layer (contact layer) made of InAlGaN according to the first embodiment of the present invention and the amount of crystal strain. (a)は本発明の第2の実施形態に係る発光ダイオード素子を示す構成断面図である。(b)は本発明の第2の実施形態に係る発光ダイオード素子の要部のバンドダイヤグラム図である。(A) is a structure sectional drawing which shows the light emitting diode element which concerns on the 2nd Embodiment of this invention. (B) is a band diagram of the principal part of the light-emitting diode device according to the second embodiment of the present invention. 本発明の第3の実施形態に係る発光ダイオード素子を示す構成断面図である。It is a structure sectional view showing a light emitting diode device concerning a 3rd embodiment of the present invention. (a)〜(f)は本発明の第3の実施形態に係る発光ダイオード素子の製造方法を示す工程順の構成断面図である。(A)-(f) is the structure sectional drawing of the order of a process which shows the manufacturing method of the light emitting diode element which concerns on the 3rd Embodiment of this invention. 本発明の第4の実施形態に係る半導体レーザ素子を示す構成断面図である。It is a structure sectional view showing a semiconductor laser device concerning a 4th embodiment of the present invention. 本発明の第5の実施形態に係る半導体レーザ素子を示す構成断面図である。It is a structure sectional view showing a semiconductor laser device concerning a 5th embodiment of the present invention. 本発明の第6の実施形態に係る半導体レーザ素子を示す構成断面図である。It is a structure sectional view showing a semiconductor laser device concerning a 6th embodiment of the present invention. 従来の発光ダイオード素子を示す構成断面図である。It is a structure sectional view showing a conventional light emitting diode element.

符号の説明Explanation of symbols

101 基板
102 下地層
103 n型コンタクト層
104 多重量子井戸(MQW)活性層
105 p型クラッド層
106 n側電極(オーミック電極)
107 透明電極
108 p側電極
201 基板
202 下地層
203 n型コンタクト層
204 n型クラッド層
205 多重量子井戸(MQW)活性層
206 p型クラッド層
207 n側電極(オーミック電極)
208 透明電極
209 p側電極
300 pn接合構造体
301 めっき層
302 下地金属膜
303 高反射電極
304 絶縁膜
305 p型クラッド層
306 多重量子井戸(MQW)活性層
307 n型クラッド層
308 n型コンタクト層
309 n側電極(オーミック電極)
401 基板
402 下地層
403 保持材
501 基板
502A 下部下地層
502B 上部下地層
503 マスク層
504 n型コンタクト層
505 n型クラッド層
506 多重量子井戸(MQW)活性層
507 p型クラッド層
508 p型コンタクト層
509 n側電極(オーミック電極)
510 保護絶縁膜
511 p側電極(オーミック電極)
512 パッド電極
601 n型基板
602 n型クラッド層
603 多重量子井戸(MQW)活性層
604 p型クラッド層
605 p型コンタクト層
606 n型コンタクト層
607 保護絶縁膜
608 p側電極(オーミック電極)
609 n側電極(オーミック電極)
610 パッド電極
701 n型基板
702 傾斜組成層
703 n型クラッド層
704 多重量子井戸(MQW)活性層
705 p型クラッド層
706 p型コンタクト層
707 保護絶縁膜
708 p側電極(オーミック電極)
709 n側電極(オーミック電極)
710 パッド電極
DESCRIPTION OF SYMBOLS 101 Substrate 102 Underlayer 103 n-type contact layer 104 Multiple quantum well (MQW) active layer 105 p-type cladding layer 106 n-side electrode (ohmic electrode)
107 transparent electrode 108 p-side electrode 201 substrate 202 base layer 203 n-type contact layer 204 n-type cladding layer 205 multiple quantum well (MQW) active layer 206 p-type cladding layer 207 n-side electrode (ohmic electrode)
208 Transparent electrode 209 P-side electrode 300 Pn junction structure 301 Plating layer 302 Base metal film 303 High reflective electrode 304 Insulating film 305 P-type cladding layer 306 Multiple quantum well (MQW) active layer 307 n-type cladding layer 308 n-type contact layer 309 n-side electrode (ohmic electrode)
401 Substrate 402 Underlayer 403 Holding material 501 Substrate 502A Lower underlayer 502B Upper underlayer 503 Mask layer 504 n-type contact layer 505 n-type cladding layer 506 Multiple quantum well (MQW) active layer 507 p-type cladding layer 508 p-type contact layer 509 n-side electrode (ohmic electrode)
510 Protective insulating film 511 p-side electrode (ohmic electrode)
512 pad electrode 601 n-type substrate 602 n-type cladding layer 603 multiple quantum well (MQW) active layer 604 p-type cladding layer 605 p-type contact layer 606 n-type contact layer 607 protective insulating film 608 p-side electrode (ohmic electrode)
609 n-side electrode (ohmic electrode)
610 pad electrode 701 n-type substrate 702 graded composition layer 703 n-type cladding layer 704 multiple quantum well (MQW) active layer 705 p-type cladding layer 706 p-type contact layer 707 protective insulating film 708 p-side electrode (ohmic electrode)
709 n-side electrode (ohmic electrode)
710 Pad electrode

Claims (10)

第1のIII-V族窒化物半導体よりなる活性層と、
前記活性層における互いに対向する対向面のうちの一の面上に形成され、n型の導電性を有する第1クラッド層と、
前記第1クラッド層における前記活性層と反対側の他の面上に形成され、GaNよりなる下地層と、
前記第1クラッド層と接するように形成されたオーミック電極とを備え、
前記第1クラッド層は、GaNよりも電子親和力が大きいInxAlyGa1-x-yN(但し、x,yは、0<x<1、0<y<1、0<x+y<1である。)よりなり、且つ前記下地層よりもバンドギャップが大きいことを特徴とする窒化物半導体発光素子。
An active layer made of a first group III-V nitride semiconductor;
A first clad layer formed on one of opposing surfaces of the active layer and having n-type conductivity;
An underlayer made of GaN formed on the other surface of the first cladding layer opposite to the active layer;
An ohmic electrode formed in contact with the first cladding layer,
Said first cladding layer, In x Al y Ga 1- xy N ( provided that has a large electron affinity than GaN, x, y is the 0 <x <1,0 <y < 1,0 <x + y <1 And a band gap larger than that of the underlayer.
前記第1クラッド層には、該第1クラッド層と接してTiとAlとの積層膜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 a laminated film of Ti and Al is formed on the first cladding layer in contact with the first cladding layer. 3. 前記オーミック電極は、コンタクト抵抗が1×10-6Ωcm2 以下であることを特徴とする請求項1又は2に記載の窒化物半導体発光素子。 The nitride semiconductor light emitting device according to claim 1, wherein the ohmic electrode has a contact resistance of 1 × 10 −6 Ωcm 2 or less. 前記第1クラッド層は、AlzGa1-zN(但し、zは、0<z≦1である。)よりなり、n型の導電性を有する組成傾斜領域を有し、
前記組成傾斜領域は、前記第1クラッド層の組成傾斜領域を除く領域との界面における伝導帯の下端が連続となるように、Al、Ga又はInの組成が傾斜し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。
The first cladding layer is made of Al z Ga 1-z N (where z is 0 <z ≦ 1), and has a composition gradient region having n-type conductivity,
The composition gradient region is characterized in that the composition of Al, Ga or In is inclined such that the lower end of the conduction band at the interface with the region excluding the composition gradient region of the first cladding layer is continuous. The nitride semiconductor light-emitting device according to claim 1.
前記第1クラッド層と接するように形成され、AlzGa1-zN(但し、zは、0<z≦1である。)よりなり、n型の導電性を有するn型半導体層をさらに備え、
前記n型半導体層は、該n型半導体層と前記第1クラッド層との界面における伝導帯の下端が連続となるように、Alの組成が傾斜し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。
An n-type semiconductor layer formed of Al z Ga 1-z N (where z is 0 <z ≦ 1) and having n-type conductivity is formed to be in contact with the first cladding layer. Prepared,
2. The Al composition of the n-type semiconductor layer is inclined so that a lower end of a conduction band at an interface between the n-type semiconductor layer and the first cladding layer is continuous. The nitride semiconductor light emitting device described.
前記活性層の他の面上に形成され、第2のIII-V族窒化物半導体よりなり、p型の導電性を有する第2クラッド層と、
前記第2クラッド層と接するように形成され、前記活性層から出射される発光光の波長における反射率が70%よりも大きい金属電極とをさらに備え、
前記発光光は、前記第1クラッド層を通して取り出され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。
A second cladding layer formed on the other surface of the active layer, made of a second group III-V nitride semiconductor and having p-type conductivity;
A metal electrode formed so as to be in contact with the second cladding layer and having a reflectance of greater than 70% at a wavelength of emitted light emitted from the active layer;
The nitride semiconductor light emitting device according to claim 1, wherein the emitted light is extracted through the first cladding layer.
前記金属電極は、白金(Pt)、銀(Ag)又はロジウム(Rh)を主成分に含むことを特徴とする請求項6に記載の窒化物半導体発光素子。   The nitride semiconductor light emitting device according to claim 6, wherein the metal electrode contains platinum (Pt), silver (Ag), or rhodium (Rh) as a main component. 前記金属電極と接するように形成され、厚さが10μm以上の金属膜をさらに備えていることを特徴とする請求項6又は7に記載の窒化物半導体発光素子。   The nitride semiconductor light-emitting element according to claim 6, further comprising a metal film formed to be in contact with the metal electrode and having a thickness of 10 μm or more. 前記金属膜は、金(Au)を主成分に含むことを特徴とする請求項8に記載の窒化物半導体発光素子。   The nitride semiconductor light emitting device according to claim 8, wherein the metal film contains gold (Au) as a main component. 前記活性層の他の面上に形成され、第2のIII-V族窒化物半導体よりなり、p型の導電性を有する第2クラッド層をさらに備え、
前記第2クラッド層は導波路となるストライプ構造を有し、前記ストライプ構造により前記活性層においてレーザ発振を生じることを特徴とする請求項1〜5のいずれか1項に記載の窒化物半導体発光素子。
A second cladding layer formed on the other surface of the active layer, made of a second group III-V nitride semiconductor and having p-type conductivity;
6. The nitride semiconductor light emitting device according to claim 1, wherein the second cladding layer has a stripe structure serving as a waveguide, and the stripe structure causes laser oscillation in the active layer. 7. element.
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