CN1252883C - 氮化镓系列化合物半导体元件 - Google Patents

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Abstract

本发明的目的在于提供寿命长、温度特性优良的氮化镓系列化合物半导体元件，通过在由包含In并掺杂了n型杂质的n型氮化镓系列化合物半导体组成的活性层107上层叠包含低浓度的n型杂质和p型杂质的(最好是非掺杂生长的)第1间隙层108a和包含铝并掺杂了p型杂质的第2间隙层，抑制在活性层和间隙层的界面附近的施主和受主的补偿。

Description

氮化镓系列化合物半导体元件
技术领域
本发明涉及使用氮化物半导体(InxAlyGa1-x-yN、0≤X、0≤Y、X+Y≤1)的氮化镓系列化合物半导体元件，尤其涉及具有包含In的活性层的氮化镓系列化合物半导体元件。
背景技术
使用了氮化物半导体的氮化镓系列化合物半导体元件在发光二极管元件(LED)，激光二极管元件(LD)等发光元件，太阳能电池、光传感器等感光元件，或晶体管，功率器件等电子器件中被使用。尤其是，一般认为使用了氮化物半导体的半导体激光元件能够在从紫外区域到红色区域的宽范围可见光区域振荡，其应用范围除光器件系统的光源外能期待涉及激光打印机、光网络等光源等多方面的光源。
在现有的氮化镓系列化合物半导体元件中，往往在基本构成中具有将包含In的n型活性层和包含铝的p型包复合层组合起来的异质pn结。另外，由于包含In的n型活性层容易分解，因此，为了防止在比较高的温度中当生长p型包覆层时的活性层的分解，往往在薄膜中形成在n型活性层和p型包覆层之间由AlGaN组成的间隙层。
作为现有的氮化镓系列化合物半导体元件的一例，在图3中表示氮化物半导体激光的模式断面图。图3的氮化物半导体激光具有用n型和p型AlGaN包覆层挟持由InGaN组成的MQW活性层的双异质构造。在ELOG所生长的GaN基片101上，经由缓冲层102依次层叠着n型AlGaN接触层103、n型InGaN裂纹防止层104、n型AlGaN/GaN超晶格包覆层105、非掺杂GaN光引导层106、由InGaN组成的量子阱活性层107、p型AlGaN间隙层108、非掺杂GaN光引导层109、p型AlGaN/GaN超晶格包覆层110、p型GaN接触层111。另外，162是由ZrO2组成的保护膜，164是由SiO2和TiO2组成的电介质多层膜，120是p电极，121是n电极，122和123是取出电极。
活性层107具有不掺杂Inx1Ga1-x1N阱层(0＜x＜1)和Si掺杂Inx2Ga1-x2N势垒层(0≤x2＜1)、(x1＞x2)只交替地反复适当的次数并被层叠的MQW构造。P型AlGaN间隙层108与活性层107形成异质pn结，将电子有效地封闭在活性层107中，并使激光的阈值降低。另外，P型间隙层108为了完成向活性层107供给空穴的任务，掺杂了高浓度的Mg。P型间隙层108可以用15～500左右的薄膜生长，若是薄膜，那么能够在比p型光引导层109和p型包覆层110更低温中生长，因此，通过形成P型间隙层108，与在活性层上直接形成p型光引导层109等的场合比较，能够抑制包含In的活性层107的分解。
依靠图3所示的构造的氮化镓系列化合物半导体激光，在室温、5mW的连续振荡的条件下能够达到超过1万小时的寿命。
但是，在氮化镓系列化合物半导体元件中，为了扩大其用途，要求进一步提高元件寿命。尤其对于氮化镓系列化合物半导体激光来说，提高元件寿命极为重要，进而，还要求提高在高温动作时的门限特性。
发明内容
本专利发明者着眼于，在氮化镓系列化合物半导体元件中，(1)接近n型活性层的p型间隙层的杂质浓度低的一方，元件寿命和温度特性变成良好，以及(2)在n型活性层和p型间隙层的pn结界面上，n型和p型杂质相互抵消结果，存在着无助于载流子生成的杂质，达到了实现本发明的目的。
一边参照图2A，一边说明关于上述(2)之点。图2A是表示在现有的氮化物半导体元件中的p型间隙层108和n型活性层107的pn结界面的状态的模式图。如图所述那样，被掺杂在p型间隙层108中的p型杂质10放出空穴(图中a)，被掺杂在n型活性层107中的n型杂质12放出电子(图中b)，这些空穴和电子变成了载流子并形成元件电流。但是，当在n型活性层上使p型间隙层生长时，p型间隙层中的p型杂质10通过热扩散，一部分侵入到n型活性层，相反，n型活性层中的n型杂质12通过热扩散一部分侵入到p型间隙层。为此，在pn结界面附近，p型杂质10的一部分和n型杂质12的一部分就会混杂在相同的区域内，施主和受主如图中c那样进行补偿，并无助于有效的载流子生成。
因此，涉及本发明的氮化镓系列化合物半导体元件，具有由包含In并掺杂了n型杂质的n型氮化镓系列化合物半导体组成的活性层和由包含Al并掺杂了p型杂质的p型氮化镓系列化合物半导体组成的p型包覆层，其特征在于，在所述活性层和所述p型包覆层之间层叠了由包含比所述活性层浓度低的n型杂质和比所述p型包覆层浓度低的p型杂质的氮化镓系列化合物半导体组成的第1间隙层，以及由包含铝并掺杂了p型杂质的p型氮化镓系列化合物半导体组成的第2间隙层。
另外其特征在于，希望所述第1间隙层被形成为与所述活性层连接，而且，所述第2间隙层被形成为与第1间隙层连接。其特征还在于，希望p型的光引导层被形成为与所述第2间隙层连接。
图2B是表示在涉及本发明的氮化物半导体元件中的p型间隙层108和n型活性层107的pn结界面的状态的模式图。如图2B所示那样，若依据本发明，由于在n型活性层和p型间隙层(＝第2间隙层108b)之间设置了使n型杂质和p型杂质都含有低浓度的第1间隙层108a，因此在包含高浓度的杂质的p型间隙层与n型活性层直接连接的场合(图2A的场合)比较，能够抑制施主和受主的补偿。从而，能够减少向只补偿被抑制的部分的p型间隙层(＝第2间隙层)的p型杂质的掺杂量，并能够提高元件寿命和特性温度。
最终的元件中杂质浓度没有特别被限定，但希望第1间隙层中n型杂质和p型杂质的浓度是1.0×1017cm-3以下，所述第2间隙层中的p型杂质浓度是8.0×1018～2.0×1019cm-3。此外，在本发明中，所谓第1间隙层中的n型杂质和p型杂质的浓度就是在层的厚度方向上的平均值。在第1间隙层中的n型杂质和p型杂质的浓度中，由于来自其它层的热扩散的影响，在层的厚度方向形成浓度梯度。即，第1间隙层中的n型杂质浓度在接近活性层一侧高，随着离开活性层而降低，另外相反，第1间隙层中的p型杂质浓度在接近第2间隙层一侧高，随着离开第2间隙层而降低。
另外，为了有效地抑制施主和受主的补偿，希望第1间隙层不掺杂n型杂质和p型杂质而生长。即使在不掺杂杂质生长的场合，第1间隙层也会通过来自活性层的热扩散包含n性杂质以及通过来自第2间隙层的热扩散包含p型杂质。
为了使杂质浓度低的第1间隙层变成高电阻层，从抑制元件的驱动电压的观点出发，第1间隙层最好是薄的一方。另一方面，从抑制p型杂质和n型杂质的抵消的观点出发，第1间隙层最好是厚的一方。抑制施主和受主的补偿的效果当被掺杂到活性层中的n型杂质在第1间隙层中表示的散热长度和被掺杂到第2间隙层的p型杂质在第1间隙层中表示的热扩散长度的合计长度大致等于第1间隙层的膜厚时变为最大。这时，从第2间隙层热扩散来的p型杂质和从n型活性层热扩散来的n型杂质混合的区域在理论上变为无。此处，n型和p型杂质在第1间隙层中表示的热扩散长度将在向其杂质的第1间隙层的热扩散最活泼地发生的工序中表示的值作为基准。即，所谓“n型杂质在第1间隙层中表示的热扩散长度”是指n型杂质在第1间隙层的生长温度(绝对温度)中表示的热扩散长度。所谓“p型杂质在第1间隙层中表示的热扩散长度”是指p型杂质在第2间隙层的生长温度(绝对温度)中表示的热扩散长度。此外，至少具有阱层和势垒层的多重量子阱构造的活性层，当该活性层用非掺杂结束的场合，在该非掺杂层和第1间隙层的合计膜厚等于上述热扩散长度的合计(长度)时，杂质的补偿抑制效果变位最大。例如，具有交替地层叠了非掺杂阱层和n型杂质掺杂势垒层的多重量子阱构造的活性层当用非掺杂阱层结束的场合，在阱层和第1间隙层的合计膜厚等于上述热扩散长度的合计(长度)时，杂质的补偿抑制效果变为最大。
此处，所谓热扩散长度叫做t秒后杂质的扩散长度，L由(D·t)的平方根决定(L是理论值)。此处D是扩散常数，并用D＝DO·a2exp(-U/kT)表示，D0是生长初期的扩散常数，a是在该材料中的晶格常数，U是在该材料中的势能，k是波尔兹曼常数，T是指温度。
在第1间隙层中，例如，能够使用GaN层、InxGa1-xN层(0＜x＜1)、以及AlyGa1-yN层(0＜y＜1)，另外，能够使用层叠了这些2种以上的层。GaN层对抑制活性层中的In分解是有效的，并且，在容易形成结晶性良好的层这一点是所希望的。Inx1Ga1-x1N层在即使形成厚膜，Vf也没有上升，结晶性良好地堆积这一点上是所希望的。AlyGa1-yN层(0＜y＜1)在对于抑制活性层的In的分解是最有效的这一点上是所希望的。
如上述那样，第1间隙层的所希望的膜厚由于n型和p型杂质依赖于在第1间隙层中表示的热扩散长度，因此即使通过第1间隙层的组成也发生变化。例如，在第1间隙层由GaN层组成的场合，希望第1间隙层的膜厚是15～100(更希望是50～80)。在第1间隙层由InxGa1-xN层(0＜x＜1)组成的场合，希望膜厚是15～150(更理想的是85～115)。在第1间隙层由AlyGa1-yN层(0＜y＜1)组成的场合，希望膜厚是15～50(更理想的是20～50)。
另一方面，为了在低温下得到结晶性良好的膜，希望第2间隙层的膜厚是15～500。
活性层可以是含有In并掺杂了n型杂质的氮化镓系列化合物半导体，也可以是体(bulk)、单一量子阱构造、多重量子阱构造的任何一种。其中，也希望具有由含有In的氮化镓系列化合物半导体组成的阱层，以及交替地层叠由添加了n型杂质的氮化镓系列化合物半导体组成的势垒层而形成的量子阱构造的活性层，但在该场合，做到第1间隙层含有浓度比势垒层低的n型杂质。
作为在本发明的氮化镓系列化合物半导体元件中使用的n型杂质可以举出Si、Ge、Sn、S、O等，最好是Si、Sn。另外，作为p型杂质虽然没有特别被限定，但可以举出Be、Zn、Mn、Cr、Mg、Ca等，最好使用Mg。
此外，在本说明书中，所谓不掺杂是指在氮化物半导体生长时在没有添加作为掺杂剂的p型杂质和n型杂质等的状态下让生长，例如，是指在有机金属气相生长法中，在反应容器内，在没有供给作为掺杂剂的杂质的状态下让生长。
图1是说明本发明的一个实施形态的模式断面图。
图2A和2B是表示涉及现有(图2A)和本发明(图2B)的氮化镓系列化合物半导体元件的活性层和p型间隙层的界面附近的状态的模式图。
图3是表示现有的氮化镓系列化合物半导体元件的一例的模式图。
具体实施方式
以下，一边参照附图，一边说明关于本发明的实施形态。在本发明的氮化镓系列化合物半导体元件中，能够使用作为GaN、AlN、或InN，或者作为它们的混合晶体的氮化镓系列化合物半导体(InxAlyGa1-x-yN、0≤X、0≤Y、X+Y≤1)，也可以是用B、P置换它们的一部分的混合晶体。
此处，作为氮化镓系列化合物半导体元件的一例，以氮化镓系列化合物半导体激光为例进行说明。
图1是表示涉及本发明的氮化镓系列化合物半导体激光的断面图。图1的氮化物半导体激光的InaGa1-aN(0≤a＜1)组成的活性层107通过n型AlbGa1-bN(0≤b＜1)层103～106(各层中的b的值不同)和p型AlcGa1-cN(0≤c＜1)层108～111(各层中的c的值不同)被挟持，形成所谓双异质构造。
活性层107具有将Inx1Ga1-x1N阱层和Inx2Ga1-x2N势垒层(0≤x2＜1、x1＞x2)交替地反复适当次数并被层叠的MQW构造(多重量子阱构造。阱层通过未掺杂被形成，另一方面，在全部势垒层中掺杂了Si、Sn等n型杂质。通过在势垒层中掺杂了n型杂质，使活性层中的初期电子浓度变大，提高向阱层的电子注入效率，并提高激光的发光效率。活性层107可以用阱层结束，也可以用势垒层结束。在活性层107中，由于蒸汽压高的InN较大量地被混晶(形成混合晶体)，因此容易分解，并在比其它的层更低温下(约900℃)生长。
间隙层108由用非掺杂生长的第1间隙层108a和掺杂高浓度的Mg生长的第2间隙层108b上的2层被构成。
第1间隙层108a完成防止被掺杂到n型活性层107的势垒层的Si和被掺杂到第2间隙层108b的Mg的补偿的任务，例如，就是通过未掺杂使GaN层、InxGa1-xN层(0＜x＜1)AlyGa1-yN层(0＜y＜1)、或它们2种以上的层叠体生长。第1间隙层108a的膜厚约为15以上，是被掺杂到活性层107的Si在第1间隙层108a中表示的热扩散长度和被掺杂到第2间隙层108b的Mg在第1间隙层108a中表示的热扩散长度的合计长度以下。此处，能够用上述的式子表示Si和Mg在第1间隙层108a中表示的热扩散长度L。由此，能防止从n型活性层107热扩散的Si和从接着生长的第2间隙层108b热扩散的Mg的混在一起。
在将第1间隙层108a设定为通过未掺杂使InxGa1-xN层(0＜x＜1)、AlyGa1-yN层(0＜y＜1)中的2种以上的层叠体生长的场合，对于第1间隙层所希望的膜厚来说，作为其层叠体的构成在具有InGaN的场合设定为15～150，在具有GaN的场合设定为15～100。由此，能得到与用单一的层设置第1间隙层的场合相同的杂质的补偿抑制效果大的氮化物半导体激光元件。
从n型活性层107扩散到第1间隙层108a的Si，在第1间隙层108a中，从与n型活性层107的界面向与第2间隙层108b的界面浓度逐渐降低。相反地，从第2间隙层108b扩散到第1间隙层108a的Mg，在第1间隙层中，从与第2间隙层108b的界面向与n型活性层107的界面浓度逐渐降低。通过来自n型活性层107和第2间隙层108b的热扩散被包含在第1间隙层108a中的Mg和Si各自为1.0×1017cm-3以下。此外，在使第1间隙层108a生长时，可以在低浓度下(在来自活性层和第2间隙层的热扩散后的最终的浓度变成1.0×1017cm-3以下那样的浓度下)一边掺杂Si和Mg等杂质一边使生长。第1间隙层10ga由于只大致等量包含n型和p型杂质的双方，结果变成i型。
第1间隙层108a为了抑制活性层107中的In分解，希望在与活性层107大致相同的温度下(约900℃)生长。若在比活性层107更加低温下生长，那么In有从活性层107被扩散之虞，若在比活性层107更加高温下生长，那么活性层中的In将容易分解。
另一方面，第2间隙层108b承担向活性层107供给空穴和向活性层封闭电子的任务，例如，在AlzGa1-zN层(0＜z＜1、更希望0.1＜z＜0.5)中作为p型杂质使Mg被掺杂成8.0×1018～2.0×1019cm-3的浓度而形成。第2间隙层108b为了得到结晶性良好的薄膜，希望在1000℃以上的高温下生长。被掺杂到第2间隙层108b中的Mg向衬底层进行热扩散，但由于有第1间隙层10ga，因此几乎没有与从n型活性层107扩散来的Si混合。因此，被掺杂到第2间隙层108的大致全部的Mg就会有助于有效的载流子生成，与在n型活性层上直接形成的现有的p型间隙层比较，能够以更少的Mg掺杂量得到同等的激光振荡。
另外，由添加了在活性层中间最接近第1间隙层的n型杂质的氮化镓系列化合物半导体组成的n型杂质浓度希望是5.0×1017～1.0×1019cm-3。以下，对于图1所示的氮化物半导体激光，将说明有关详细的构造。作为基片101希望使用GaN，但也可以使用与氮化物半导体不同的异种基片。例如，作为异种基片能使与以C面、R面、以及A面的任何一面作为主面的蓝宝石、尖晶石(MgAl2O4那样的绝缘性基片)、Si(包含6H、4H、3C)、ZnS、ZnO、GaAs、Si、以及氮化物半导体晶格匹配的氧化物基片等的氮化物半导体成长，并从现有可知，能够使用与氮化物半导体不同的基片材料。作为理想的异种基片能举出蓝宝石、尖晶石。另外，希望异种基片可以进行偏角(offangle)，在这种场合，若使用偏角成了阶跃形状的基片，是为了使由氮化镓组成衬底层结晶性良好地生长。而且，在使用异种基片的场合，当在异种基片上使作为元件构造形成前的衬底层的氮化物半导体生长后，用研磨等方法去掉异种基片，作为氮化物半导体的单质基片可以形成元件构造，另外，也可以只在元件构造形成后去掉异种基片的方法。
在使用异种基片的场合，若经由由缓冲层(低温生长层)和氮化物半导体(最好是GaN)组成的衬底层形成元件构造，那么氮化物半导体的生长将变成良好的生长。另外，作为在异种基片上设置的衬底层(生长基片)，除此之外，若使用ELOG(Epitaxially Laterally Overgrowth)生长的氮化物半导体，那么能得到结晶性良好的生长基片。作为ELOG生长层的具体例子，有这样的层等，即，通过在异种基片上，将使氮化物半导体生长，在其表面进行设置等而形成了氮化物半导体生长困难的保护膜的掩模区域，以及使氮化物半导体生长的非掩模区域设置成带状，并从该非掩模区域使氮化物半导体生长，通过除向膜厚方向的生长外，还形成向横方向生长，在掩模区域氮化物半导体也生长并成膜。在其它的形态中，也可以是在生长于异种基片上的氮化物半导体层中设置开口部分，从该开口部分侧面形成向横方向的生长，并成膜的层。
在基片101上，经由缓冲层102形成作为n型氮化物半导体层的n型接触层103、裂缝防止层104、n型包覆层105、以及n型光引导层106。除n型包覆层105的其它层通过元件也能够省略。n型氮化物半导体层在至少与活性层连接的部分必须具有比活性层更宽的带隙，因此，希望是包含铝的组成。另外，各层可以一边掺杂n型杂质一边生长并作为n型，也可以通过未掺杂生长并作为n型。
在n型氮化物半导体层103～106上形成活性层107。活性层107如上述那样，具有使InxiGa1-x1N阱层(0＜x＜1)和Inx2Ga1-x2N势垒层(0≤x2＜1、x1＞x2)只交替地反复适当的次数来层叠的MQW构造。阱层通过未掺杂被形成，全部的势垒层用Si、Sn等n型杂质希望是1×1017～1×1019cm-3的浓度掺杂并形成。
在活性层107上，形成第1间隙层108a、第2间隙层108b。如上述那样，第1间隙层108通过未掺杂被形成，但通过来自成为衬底的活性层107的扩散含有Si等n型杂质，通过来自接着生长的第2间隙层108b的扩散含有Mg等p型杂质。因此，第1间隙层108a中的n型杂质浓度比活性层107低，第1间隙层108a中的p型杂质浓度比第2间隙层108b低，都变成1×1017cm-3。
第2间隙层108b由具有比p型包覆层110高的铝混晶比的p型氮化物半导体组成，希望具有AlzGa1-ZN层(0.1＜z＜0.5)的组成。另外，Mg等p型杂质用8×1018～2×1019cm-3的浓度被掺杂。
在第2间隙层108b上，形成p型光引导层109、p型包覆层110、p型接触层111。除p型包覆层110的其它层通过元件也能够省略。这些p型氮化物半导体层在至少与活性层连接的部分必须具有比活性层更宽的带隙，因此，希望是包含铝的组成。另外，各层可以一边掺杂p型杂质一边生长并作为p型，也可以从邻接的其它层使p型杂质扩散并作为p型。
希望这些第1间隙层和第2间隙层对于活性层形成(采取补偿)以便随着离开活性层带隙能将变大。即，第1间隙层用带隙能比活性层的任何层大的层被形成，而且将第2间隙层假定为带隙能比第1间隙层更大的层。通过假定这样的构成，能够最有效地形成电子的封闭，并抑制载流子的溢出。作为理想的形态，能举出在活性层内与第1间隙层邻接的层是InxGa1-xN层(0＜x＜1)，第1间隙层是GaN层，第2间隙层是AlyGa1-yN层(0＜y＜1)的形态，或者，在活性层内与第1间隙层邻接的层是InxGa1-xN层(0＜x＜1)，第1间隙层是顺序形成GaN层和AlyGa1-yN层(0＜y＜1)，第2间隙层是AlzGa1-zN层(y＜z、0＜z＜1)的形态，并且这2个形态能够特别地使结晶性恰好接近活性层，而且延长作为激光元件的寿命。
n型氮化物半导体层和p型氮化物半导体层，尤其在激光元件、端面发光元件中，具有设置了光引导层的构造，通过该光引导层变成设置了波导线路的构造。通过假定该光引导层具有比活性层内的阱层大的带隙能，同时使活性层和光引导层的折射率差变小，能设置良好的波导路线。即使是超晶格构造用单一膜形成也没关系。通过用单一膜形成，与假定为超晶格的场合比较，能够使电流容易流过，并降低Vf。这时，单一膜的膜厚是至少没有量子效果程度的膜厚，希望是比势垒层、第1间隙层、第2间隙层的任何一个更大的膜厚，更希望用300以上的膜厚形成。在p型氮化物半导体层中，直到p型光引导层109的途中，形成脊形带，而且，形成保护膜161、162、p型电极120、n型电极121、p小块电极122、以及n小块电极123，并构成半导体激光。
以下，作为实施例，说明关于图1所示的构造的氮化镓系列化合物半导体激光。此外，实施例1～7的任何实施例，也通过未掺杂使第1间隙层生长，但作为最终的激光元件，存在于第1间隙层中的n型杂质和p型杂质的浓度将变成1.0×1017cm-3以下。
[实施例1]
(基片101)
作为基片，使用在异种基片上生长的氮化物半导体，在本实施例中，在用厚膜(100μm)使GaN生长后，去掉异种基片，使用由80μm的GaN组成的氮化物半导体基片。基片的详细形成方法如以下那样。将由以2英寸φ、C面作为主面的蓝宝石组成的异种基片设置在MOVPE反应容器内，使温度变成500℃，使用三甲基镓(TMG)、氨(NH3)，用200的膜厚使由GaN组成的缓冲层生长，之后，升高温度，用1.5μm的膜厚使未掺杂的GaN生长，并设定衬底层。接着，在衬底层表面形成多个带状的掩模，从掩模开口部分(窗口部分)选择生长氮化物半导体，在本实施例中选择生长GaN，再用厚膜使由伴随横向生长(ELOG)的生长成膜的氮化物半导体生长，并去掉异种基片、缓冲层、衬底层，得到氮化物半导体基片。这时，选择生长时的掩模由SiO2组成，假定掩模幅度为15μm，开口部分(窗口部分)幅度为5μm。
(缓冲层102)
在氮化物半导体基片上，使温度变成1015℃，使用TMG(三甲基镓)、TMA(三甲基铝)、氨，用4μm的膜厚使由Al0.05Ga0.95N组成的缓冲层102生长。该层在AlGaN的n型接触层和由GaN组成的氮化物半导体基片之间作为缓冲层而起作用。
(n型接触层103)
在接着得到的缓冲层102上使用TMG、TMA、氨、以及作为杂质气体的硅烷气体，用4μm的膜厚使由在1015℃下掺杂了Si的Al0.05Ga0.95N组成的n型接触层103生长。
(裂缝防止层104)
接着，使用TMG、TMI(三甲基铟)、氨，将温度变成900℃，用0.15μm使由In0.06Ga0.94N组成的裂缝防止层104生长。此外，该裂缝防止层可以省略。
(n型包覆层105)
接着，将温度变成1015℃，在原料气体中使用TMA、TMG和氨，用25的膜厚使由未掺杂的Al0.05Ga0.95N组成的A层生长，接着，停止TMA，作为杂质气体使用硅烷气体，用25的膜厚使由搀杂了5×1018/cm3的Si的GaN组成的B层生长。然后，将该操作分别重复200次，使A层和B层层叠，并使由总膜厚1μm的多层膜(超晶格构造)组成的n型包覆层106生长。这时，作为未掺杂AlGaN的铝混晶比，若在0.05以上0.3以下的范围，那么就能够充分地设置作为包覆层起作用的折射率差。
(n型光引导层106)
接着，在同样的温度下，在原料中使用TMG和氨，用0.15μm的膜厚使由未掺杂的GaN组成的n型光引导层106生长。另外，也可以掺杂n型杂质。
(活性层107)
接着，将温度变成900℃，在原料中使用TMI(三甲基铟)、TMG和氨，作为杂质气体使用硅烷气体，用140的膜厚使由掺杂了5×1018cm3的Si的In0.05Ga0.95N组成的势垒层(B)生长，然后停止硅烷气体，用40的膜厚使由未掺杂的In0.1Ga0.9N组成的阱层(W)生长，并按照(B)/(W)/(B)/(W)····/(B)的顺序层叠该势垒层(B)、阱层(W)，最终层设定为势垒层。活性层107变成总膜厚约500的多重量子阱构造(MQW)。
(第1间隙层108a)
接着，在同样的温度下，在原料中使用TMA、TMG和氨，用75的膜厚使由GaN组成的第1间隙层108a生长。
(第2间隙层108b)
接着，将温度升高到1000℃，在原料气体中使用TMA、TMG和氨，作为杂质气体使用Cp2Mg(环戊二烯基镁)，用100的膜厚使由搀杂了7.5×1018/cm3的Mg的Al0.3Ga0.7N组成的第2间隙层108b生长。
(p型光引导层109)
接着，将温度变成1000℃，在原料气体中使用TMG和氨，用0.15μm的膜厚使由未掺杂的GaN组成的p型光引导层109生长。该p型光引导层109作为未掺杂来生长，但通过来自p型电子封闭层108、p型包覆层109等的邻接层的Mg的扩散，使Mg的浓度变成5×1016/cm3并表示p型。另外，该层在生长时可以有意地掺杂Mg。
(p型包覆层110)
接着，在1000℃下，用25的膜厚使由Al0.05Ga0.95N组成的层生长，继而停止TMA，使用CP2Mg，用25的膜厚使由掺杂Mg的GaN组成的层生长，并将它重复90次，使由总膜厚0.45μm的超晶格层组成的p型包覆层110生长。在p型包覆层包含至少一方含有铝的氮化物半导体层，并用层叠了带隙能相互不同的氮化物半导体层的超晶格制作的场合，杂质在其中任何一层掺杂得多，若进行所谓调制掺杂，那么结晶性处于变好的倾向，但双方也可以相同地进行掺杂。包覆层110希望设定为含有铝的氮化物半导体层构造，最好设定为含有AlxGa1-xN(0＜x＜1)的超晶格构造，更希望设定为层叠了GaN和AlGaN的超晶格构造。由于通过将p侧包覆层110设定为超晶格构造，能够提高整个包覆层的铝混晶比，因此使包覆层自身的折射率变小，更由于带隙能变大，在降低阈值方面非常有效。而且，由于通过设定了超晶格，使在包覆层自身中产生的坑比没有形成超晶格的坑变小，因此也减少短路的发生。
(p型接触层111)
最后，在1000℃下，在p型包覆层110上用150的膜厚使由搀杂了1×1020/cm3的Mg的p型GaN组成的p型接触层111生长。p型接触层111能够用p型的InxAlyGa1-x-yN(0≤X，0≤Y，X+Y≤1)构成，若希望假定为掺杂了Mg的GaN，就能得到p型电极120和最理想的欧姆接触。由于接触层111是形成电极的层，因此希望设定为1×1017/cm3以上的高载流子浓度。若比1×1017/cm3低，就处于难以得到电极和理想的欧姆的倾向。而且，将接触层的组成设定为GaN，就容易得到电极材料和理想的欧姆。反应结束后，在反应容器内，在700℃的氮气氛中，使晶片退火，并使p型更加低电阻化。
象以上那样使氮化物半导体生长，并在层叠了各层以后，从反应容器取出晶片，在最上层的p型接触层的表面形成由SiO2组成的保护膜，并使用RIE(反应性离子蚀刻法)，通过SiCl4气体蚀刻，如图1所示那样，使应形成n电极的n型接触层103的表面露出。这样，为要使氮化物半导体蚀刻得深，作为保护膜SiO2最合适。
以下，作为上述的带状的波导路线(传输线)区域，形成脊形带。首先，在最上层的p型接触层(上部接触层)的大致整个面上通过PVD装置，用0.5μm的膜厚形成由Si氧化物(主要是SiO2)组成的第1保护膜161后，在第1保护膜161上加上规定形状的掩模，通过RIE(反应性离子蚀刻法)装置，使用CF4气体，通过光刻(蚀)法技术设定为带宽1.6μm的第1保护膜161。这时，脊形带的高度(蚀刻深度)通过蚀刻p型接触层111，以及p型包覆层109、p型光引导层110的一部分，并蚀刻到使p型光引导层109的膜厚变成0.1μm深度而形成。
接着，在脊形带形成后，从第1保护膜161上起，用0.5μm的膜厚在第1保护膜161和通过蚀刻被露出的p型光引导层109上使由Zr氧化物(主要是ZrO2)组成的第2保护膜162连续并形成。
第2保护膜162形成后，在600℃将晶片进行热处理。这样，在将SiO2以外的材料作为第2保护膜形成的场合，在第2保护膜成膜后，由于通过在300℃以上，最好是400℃以上，氮化物半导体的分解温度以下(1200℃)进行热处理，使第2保护膜对第1保护膜的溶解材料(氟酸)难以溶解，因此更希望增加该工序。
接着，将晶片浸渍在氟酸中，通过分离法去掉第1保护膜161。通过这种方法去掉被设置在p型接触层111上的第1保护膜161，并使p型接触层露出。象以上那样做，如图1所示那样，在脊形带的侧面以及与它连续的平面(p型光引导层109的露出面)上形成第2保护膜162。
这样一来，被设置在p型接触层112上的第1保护膜161被去掉后，如图1所示那样，在已露出的该p型接触层111的表面形成由Ni/Au组成的p电极120。但是，p电极120设定为100μm的带宽，如图1所示那样，连续到第2保护膜162上并形成。第2保护膜162形成后，在已经被露出的n型接触层103的表面，在与带平行的方向形成由Ti/Al组成的带状的n电极121。
接着，为了形成n电极，在蚀刻被露出的面上，由于在p，n电极上设置取出电极，因此掩模成规定的区域，并在设置了由SiO2和TiO2组成的电介质多层膜164后，在p，n电极上分别设置了由Ni-Ti-Au(1000-1000-8000)组成的取出(小块)电极122，123。这时，活性层107的幅度为200μm的幅度(与共振器方向垂直的方向的幅度)，在共振器面(反射面一侧)也被设置由SiO2和TiO2组成的电介质多层膜。
象以上那样做，在形成了n电极和p电极之后，在与带状电极垂直的方向，在氮化物半导体的M面(GaN的M面、(11-00)等)分割成条状，再分割条状的晶片得到激光元件。这时，共振器长度是650μm。
在室温中，对于阈值2.8kA/cm2，5～30mW的输出，能得到振荡波长405nm的连续振荡的激光元件。激光元件的元件寿命对于60℃，5mW的连续振荡约为2000小时，特性温度对于后述的比较例也将提高。
[实施例2]
除第1间隙层108a外，与实施例1相同制作氮化镓系列化合物半导体激光。在温度900℃下，在原料气体中使用TMA、TMG和氨，作为未掺杂Al0.3Ga0.7N用35的膜厚使第1间隙层108a生长。该氮化镓系列化合物半导体激光也出示与实施例1相同的寿命和特性温度。
[实施例3]
除第1间隙层108a外，与实施例1相同制作氮化镓系列化合物半导体激光。将温度变成900℃，在原料气体中使用TMI(三甲基铟)，TMG和氨，作为未掺杂In0.05Ga0.95N用100的膜厚使第1间隙层108a生长。该氮化镓系列化合物半导体激光也示出与实施例1相同的寿命和特性温度。
[实施例4]
除将活性层107的最终层设定为约40厚的阱层，将第1间隙层108a的厚度设定为约60以外，与实施例3相同制作氮化镓系列化合物半导体激光。该氮化镓系列化合物半导体激光也示出与实施例1相同的寿命和特性温度。
[实施例5]
象以下那样除使活性层，第1间隙层108a以及第2间隙层108b生长以外，与实施例相同制作氮化镓系列化合物半导体激光。
(活性层107)
接着，将温度变成900℃，在原料气体中使用TMI(三甲基铟)，TMG和氨，作为杂质气体使用硅烷气体，用140的膜厚使由掺杂了5×1018/cm3的Si的In0.05Ga0.95N组成的势垒层(B)生长，停止硅烷气体，用70的膜厚使由未掺杂的In0.1Ga0.9N组成的阱层(W)生长，并按(B)/(W)/(B)/(W)····/(B)的顺序层叠该势垒层(B)、阱层(W)。最终层设定为势垒层，只将最终层Si的掺杂量设定为1×1018/cm3。活性层107变成总膜厚560的多重量子阱构造(MQW)。
(第1间隙层108a)
接着，在同样的温度下，在原料气体中，使用TMA、TMG和氨，用30的膜厚使由Al0.15Ga0.85N组成的第1间隙层108a生长。
(第2间隙层108b)
接着，将温度上升到1000℃，在原料气体中使用TMA、TMG和氨，作为杂质气体使用Cp2Mg(环戊二烯基镁)，用70的膜厚使由掺杂了7.5×1018/cm3的Mg的Al0.25Ga0.75N组成的第2间隙层108b生长。
由此得到的激光元件在室温中，对于阈值2.8kA/cm2、5～30mW的输出能得到振荡波长405nm的连续振荡的激光元件。激光元件的寿命对于60℃、5mW的连续振荡约为3500小时，特性温度对于后述的比较例也将提高。
[实施例6]
象以下那，除使第1间隙层108a、以及第2间隙层108b生长以外，与实施例5相同制作氮化镓系列化合物半导体激光。
(第1间隙层108a)
在900℃下，在原料气体中使用TMA、TMG和氨，用30的膜厚使由GaN组成的第1间隙层108a生长。
(第2间隙层108b)
接着，将温度升高到1000℃，在原料气体中使用TMA、TMG和氨，作为杂质气体使用Cp2Mg(环戊二烯基镁)，用100的膜厚使由掺杂了7.5×1018/cm3的Mg的Al0.25Ga0.75N组成的第2间隙层108b生长。
由此得到的激光元件在室温中，对于阈值2.8kA/cm2、5～30mW的输出能得到振荡波长405nm的连续振荡的激光元件。激光元件的寿命对于60℃、5mW的连续振荡约为3000小时，特性温度对于后述的比较例也将提高。
[实施例7]
除象以下那样使活性层107、第1间隙层108a、108b生长外，与实施例1相同制作氮化镓系列化合物半导体激光。
(活性层107)
接着，将温度变成900℃，在原料气体中使用TMI(三甲基铟)、TMG和氨，作为杂质气体使用硅烷气体，用140的膜厚使由掺杂了5×1018/cm3的Si的In0.05Ga0.95N组成的势垒层(B)生长，停止硅烷气体，用70的膜厚使由未掺杂的In0.1Ga0.9N组成的阱层(W)生长，并按(B)/(W)/(B)/(W)····/(B)的顺序层叠该势垒层(B)、阱层(W)。最终层设定为势垒层，并这样设定，即，按顺序层叠由掺杂了1×1018/cm3量的Si的In0.05Ga0.95N组成的层(膜厚100)、以及由未掺杂的In0.05Ga0.95N组成的层(膜厚50)的2层。活性层107变成总膜厚570的多重量子阱构造(MQW)。
(第1间隙层108a)
接着，在同样的温度下，在原料气体中使用TMA、TMG和氨，用30的膜厚使由Al0.15Ga0.85N组成的第1间隙层108a生长。
(第2间隙层108b)
接着，将温度上升到1000℃，在原料气体中使用TMA、TMG和氨，，作为杂质气体使用Cp2Mg(环戊二烯基镁)，用70的膜厚使由掺杂了7.5×1018/cm3的Mg的Al0.25Ga0.75N组成的第2间隙层108b生长。
由此得到的激光元件在室温中对于阈值2.8kA/cm2、5～30mW的输出能得到振荡波长405nm的连续振荡的激光元件。激光元件的寿命对于60℃、5mW的连续振荡约为2800小时，特性温度对于后述的比较例也将提高。
[变形例]
接着，作为变形例象以下那样使活性层107、第1间隙层108a以及第2间隙层108b生长。其它的构成与实施例1相同制作氮化镓系列化合物半导体激光。
(活性层107)
接着，将温度变成900℃，在原料气体中使用TMI(三甲基铟)、TMG和氨，作为杂质气体使用硅烷气体，用140的膜厚使由掺杂了5×1018/cm3的Si的In0.05Ga0.95N组成的势垒层(B)生长，停止硅烷气体，用70的膜厚使由未掺杂的In0.1Ga0.9N组成的阱层(W)生长，并按(B)/(W)/(B)/(W)····/(B)的顺序层叠该势垒层(B)、阱层(W)。最终层设定为势垒层，只最终层设定为未掺杂。活性层107变成总膜厚560的多重量子阱构造(MQW)。
(第1间隙层108a)
接着，在同样的温度下，在原料气体中使用TMA、TMG和氨，用30的膜厚使由GaN组成的第1间隙层108a生长。
(第2间隙层108b)
接着，将温度上升到1000℃，在原料气体中使用TMA、TMG和氨，作为杂质气体使用Cp2Mg(环戊二烯基镁)，用70的膜厚使由掺杂了7.5×1018/cm3的Mg的Al0.25Ga0.75N组成的第2间隙层108b生长。
在该激光元件中，由添加了最接近第1间隙层108a的n型杂质的氮化镓系列化合物半导体组成的层变成有间隔地经由未掺杂的势垒层和未掺杂的阱层的Si掺杂的势垒层，在添加了n型杂质的层和添加了p型杂质的层之间未掺杂的层的总厚度变成240。
由此得到的激光元件与全部的实施例比较，寿命变短，但与比较例1～3比较，寿命变长。
[比较例1]
除没有形成第1间隙层108a，在活性层107上直接形成第2间隙层108b外，与实施例1相同制作氮化镓系列化合物半导体激光。在室温中，对于阈值4.0kA/cm2、5～30mW的输出能得到振荡波长405nm的连续振荡的激光元件。激光元件的寿命对于60℃、5mW的连续振荡约为1000小时，特性温度变成约200K。
[比较例2]
除没有形成第1间隙层108a，在活性层107上象以下那样直接形成第2间隙层108b外，与实施例1相同制作氮化镓系列化合物半导体激光。
(第2间隙层108b)
接着，将温度上升到1000℃，在原料气体中使用TMA、TMG和氨，作为杂质气体使用Cp2Mg(环戊二烯基镁)，用100的膜厚使由掺杂了1.0×1019/cm3的Mg的Al0.3Ga0.7N组成的第2间隙层108b生长。
在室温中，对于阈值2.8kA/cm2、5～30mW的输出能得到振荡波长405nm的连续振荡的激光元件。激光元件的寿命对于60℃、5mW的连续振荡约为1000小时，特性温度变成约200K。
[比较例3]
除了使第1间隙层108a、以及第1间隙层108b按如下的次序生长之外，与第1实施例同样地制作氮化镓系列化合物半导体激光。
在900℃下，在原料气体中使用TMA、TMG和氨，作为杂质气体使用Cp2Mg(环戊二烯基镁)，用30的膜厚使由掺杂了1.0×1019/cm3的Mg的GaN组成的第1间隙层108a生长。
(第2间隙层108b)
接着，将温度上升到1000℃，在原料气体中使用TMA、TMG和氨，作为杂质气体使用Cp2Mg(环戊二烯基镁)，用100的膜厚使由掺杂了7.5×1018/cm3的Mg的Al0.25Ga0.75N组成的第2间隙层108b生长。
由此得到的激光元件，由于与第2间隙层比较第1间隙层的p型杂质多，因此寿命短，对于60℃、5mW的连续振荡变成约800小时，另外，由于与第间隙层比较第2间隙层的p型杂质少，因此与实施例1比较Vf变高。
若依据本发明，由于通过由杂质浓度低的(最好是非掺杂的)第1间隙层和掺杂了p型杂质的第2间隙层的2层构成在含有In的活性层上形成的p型间隙层，能够抑制在活性层和p型间隙层的界面附近引起的施主和受主的补偿，因此能够减小p型间隙层的p型杂质浓度，得到长寿命、温度特性优的氮化镓系列化合物半导体元件。

Claims (12)

1.一种氮化镓系列化合物半导体元件，具有由包含In并掺杂了n型杂质的n型氮化镓系列化合物半导体组成的活性层和由包含铝并掺杂了p型杂质的p型氮化镓系列化合物半导体组成的p型包覆层，其特征在于，在所述活性层和所述p型包覆层之间层叠了由包含了与所述活性层相比具有更低浓度的n型杂质和与所述p型包覆层相比具有更低浓度的p型杂质的氮化镓系列化合物半导体组成的第1间隙层，以及由包含铝并掺杂了p型杂质的p型氮化镓系列化合物半导体组成的第2间隙层。
2.如权利要求1记载的氮化镓系列化合物半导体元件，其特征在于，所述第1间隙层被形成为与所述活性层连接，而且，所述第2间隙层被形成为与第1间隙层连接。
3.如权利要求1记载的氮化镓系列化合物半导体元件，其特征在于，所述第1间隙层中的n型杂质和p型杂质的浓度是1.0×1017cm-3以下，所述第2间隙层中的p型杂质浓度是8.0×1018～2.0×1019cm-3。
4.如权利要求1记载的氮化镓系列化合物半导体元件，其特征在于，所述第1间隙层不掺杂n型杂质和p型杂质而生长，并通过来自活性层的热扩散包含n型杂质，通过来自第2间隙层的热扩散包含p型杂质。
5.如权利要求1记载的氮化镓系列化合物半导体元件，其特征在于，所述第1间隙层的膜厚，是被掺杂到活性层中的n型杂质在第1间隙层中表示的热扩散长度和被掺杂到第2间隙层的p型杂质在第1间隙层中表示的热扩散长度的合计长度以下。
6.如权利要求1记载的氮化镓系列化合物半导体元件，其特征在于，所述第1间隙层由从由GaN层、InxGa1-xN层、以及AlyGa1-yN组成的群中被选择的1层或它们的层叠体组成，其中，0＜x＜1，0＜y＜1。
7.如权利要求1记载的氮化镓系列化合物半导体元件，其特征在于，所述的第1间隙层由GaN层组成，膜厚为15～100。
8.如权利要求1记载的氮化镓系列化合物半导体元件，其特征在于，所述的第1间隙层由InxGa1-xN层组成，其中0＜x＜1，膜厚为15～150。
9.如权利要求1记载的氮化镓系列化合物半导体元件，其特征在于，所述的第1间隙层由AlyGa1-yN层组成，其中0＜y＜1，膜厚为15～50。
10.如权利要求1记载的氮化镓系列化合物半导体元件，其特征在于，所述的第2间隙层的膜厚为15～500。
11.如权利要求1记载的氮化镓系列化合物半导体元件，其特征在于，所述活性层交替地层叠由包含In的氮化镓系列化合物半导体组成的阱层和由添加了的n型杂质的氮化镓系列化合物半导体组成的势垒层而形成，所述第1间隙层包含与所述势垒层相比具有更低浓度的n型杂质。
12.如权利要求1记载的氮化镓系列化合物半导体元件，其特征在于，上述活性层由交替地层叠所述氮化镓系列化合物半导体构成的阱层和氮化镓系列化合物半导体组成的势垒层来形成，在上述活性层中包含的阱层或势垒层中，作为添加了n型杂质的层的最接近第1间隙层的n型杂质的浓度为5.0×1017～1.0×1019cm-3。
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