JP2000223743A - 窒化物系半導体発光素子及び窒化物半導体層の成長方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ＧａＮ基板の上に形成される窒化物系半導体
層の結晶性が良く、長寿命化に適した窒化物系半導体発
光素子を提供することを目的とする。 【解決手段】 ＧａＮからなる基板１の上面に、窒化物
系半導体からなる発光層を形成してなる窒化物系半導体
発光素子において、前記基板の上面のＣ面に対する傾斜
角度が、０．０３°以上、１０°以下である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はＧａＮ等の窒化物系
の半導体材料よりなる半導体レーザ、発光ダイオード等
の窒化物系半導体発光素子及び窒化物半導体の成長方法
に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、この種の窒化物系の半導体発光素
子では、基板としてサファイア基板が用いられている。
しかしながら、サファイア基板は、その形成される窒化
物系の半導体層との格子不整合率が大きいため、サファ
イア基板上に５００〜６００℃の低温で第１のバッファ
層を形成した後、９００〜１２００℃の高温で第２のバ
ッファ層を成長させ、その上に発光層等の窒化物系半導
体層を形成する必要があった。

【０００３】このため、最近、ＧａＮ基板上に直接９０
０〜１２００℃の高温でバッファ層を形成し、その上に
クラッド層、活性層等の発光層を形成する方法が、研究
され提案されている。

【０００４】しかしながら、単にＧａＮ基板上に高温で
バッファ層を形成しただけでは、その上の形成される発
光層の結晶性は満足できるものではなく、発光素子を長
時間使用した場合、発光特性が劣化するという問題があ
る。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】本発明は上記従来例の
欠点に鑑み為されたものであり、ＧａＮ基板上に形成さ
れる窒化物系発光層の結晶性が良く、長時間使用した場
合においても、発光特性が劣化するのを抑えた窒化物系
半導体発光素子を提供することを目的とするものであ
る。

【０００６】また、本発明は、ＧａＮ基板上に結晶性の
良い窒化物系半導体層を成長させることが出来る窒化物
系半導体層の成長方法を提供することを目的とするもの
である。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明の窒化物系半導体
発光素子は、ＧａＮからなる基板の上面に窒化物系半導
体からなる発光層を形成してなる窒化物系半導体発光素
子において、前記基板の上面がＣ面に対して傾斜してい
ることを特徴とする。

【０００８】このような構成の半導体発光素子では、基
板の上面に形成される半導体発光層の上面に形成される
半導体層の格子欠陥が減少し、寿命が長くなる。

【０００９】特に、前記基板の上面の傾斜角度が、０．
０３°以上、１０°以下であれば、上述の格子欠陥の減
少が明らかに現われ、しかも傾斜させたために生じるス
テップ状の段差による悪影響が抑えれる。

【００１０】更に、前記基板の上面の傾斜角度が、０．
０５°以上であれば、上述の格子欠陥の減少が顕著に現
れる。

【００１１】また、本発明の窒化物系半導体発光素子で
は、前記基板の上面には窒化物半導体からなるバッファ
層が形成され、該バッファ層の上面に前記発光層が形成
されていれば良い。

【００１２】前記バッファ層の厚みが、０．５μｍ以上
であれば、上述の格子欠陥の減少が一層顕著に現れる。

【００１３】特に、前記バッファ層の厚みが、１μｍ以
上であれば、上述の格子欠陥の減少がより一層顕著に現
れる。

【００１４】この場合、前記基板の上面の傾斜角度が、
０．５°以下であれば、上述の格子欠陥の減少は十分に
得られる。

【００１５】また、前記バッファ層のキャリア濃度が、
１×１０²⁰／ｃｍ³以下であれば、上述の格子欠陥の減
少が一層顕著に現れる。

【００１６】特に、前記バッファ層のキャリア濃度が、
１×１０¹⁸／ｃｍ³以下であれば、上述の格子欠陥の減
少がより一層顕著に現れる。

【００１７】この場合、前記基板の上面の傾斜角度が、
１°以下であれば、上述の格子欠陥の減少は十分に得ら
れる。

【００１８】また、本発明の窒化物半導体層の成長方法
は、Ｃ面に対して傾斜しているＧａＮ基板の上面に、窒
化物半導体からなるバッファ層を成長させ、該バッファ
層上に窒化物半導体層を成長させることを特徴とする。

【００１９】このような成長方法によれば、ＧａＮ基板
上に形成される窒化物半導体層の格子欠陥は減少する。

【００２０】また、前記バッファ層の成長温度が９００
℃以上、１２００℃以下であればよく、低温で成長させ
るバッファ層は、無くても良い。

【００２１】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照しつつ本発明の
実施の形態について詳細に説明する。

【００２２】先ず、図１に示すように、ｎ−ＧａＮから
なる基板１のＣ面から所定角度θ傾斜した面上に、ＭＯ
ＣＶＤ法によりＳｉドープのｎ−ＧａＮからなるバッフ
ァ層２を形成した。尚、この時の成長温度は１０５０℃
である。その上にＳｉドープのｎ−Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎか
らなる厚さ０．８μｍのｎ−クラッド層３、多重量子井
戸構造の活性層４、Ｍｇドープのｐ−Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎ
からなる厚さ０．８μｍのｐ−クラッド層５、Ｍｇドー
プのｐ−ＧａＮからなる厚さ０．１μｍのｐ−コンタク
ト層６をＭＯＣＶＤ法により順に形成し、更に、ＧａＮ
基板１の下面にはｎ−電極７を形成し、ｐ−コンタクト
層６上にｐ−電極８を形成することにより発光ダイオー
ドを作成した。

【００２３】バッファ層２は厚さ１μｍ、Ｓｉドープの
キャリア濃度が５×１０¹⁸ｃｍ^-3である。

【００２４】また、活性層４は、ＧａＮからなる厚さ
０．１μｍの一対の光ガイド層の間に、Ｉｎ_0.02Ｇａ
_0.98Ｎからなる厚さ６０Åの障壁層と、Ｉｎ_0.10Ｇａ
_0.90Ｎからなる厚さ３０Åの井戸層とが交互に形成され
た多重量子井戸構造である。尚、障壁層の層数は４層、
井戸層の層数は３層であり、両側の層は障壁層である。

【００２５】尚、基板１の上面を所定角度だけ傾斜させ
る方法としては、例えば、予め基板上面をＣ面に形成し
た後、ラッピング装置等を用いてＣ面に対して斜め方向
に研磨を施す方法が採用可能である。また、基板ウエハ
を切断形成する際に、基板上面をＣ面に対して傾斜させ
ることも考えられる。

【００２６】図２は、図１に示した構成の発光ダイオー
ドにおいて、傾斜角度θを変化させた場合におけるｐ−
コンタクト層６表面の格子欠陥密度と、寿命との関係を
示す図である。

【００２７】尚、バッファ層６表面の格子欠陥密度は、
発光ダイオードをＮａＯＨまたはＫＯＨの溶液中に入れ
て４００℃で煮沸した後、電子走査線顕微鏡で１ｃｍ²
当たりの欠陥の個数を数えることにより求めた。また、
寿命は、その各試料を７０℃の環境下で３０ｍＡの電流
を流して連続動作させた場合において、発光強度が初期
値より１０％低下した時間である。

【００２８】この図２より判るように、ＧａＮからなる
基板の上面をＣ面から傾斜させ、その傾斜した上面上に
形成された発光素子は、Ｃ面上に形成した発光素子（傾
斜角度θ＝０°）に比べ、ｐ−コンタクト層６表面にお
ける格子欠陥密度は低下し、寿命が長くなる。尚、ｐ−
コンタクト層６表面における格子欠陥密度の低下は、基
板１上に形成されるバッファ層２、ｎ−クラッド層３、
活性層４、ｐ−クラッド層５の結晶性が良化したためで
あることは明らかである。

【００２９】特に、傾斜角度が０．０３°以上になる
と、ｐ−コンタクト層６表面の格子欠陥密度は急激に低
下し、１．０×１０⁶／ｃｍ²以下となり、これに伴い寿
命も大幅に長くなることが判る。

【００３０】尚、基板１のＣ面から傾斜した面上に窒化
物層を成長させる場合、成長層の表面にステップ状の段
差が生じ、このステップ状の段差は傾斜角度θが大きく
なる程、顕著に現れる。そして、例えば、半導体レーザ
を製造する場合、活性層に段差が生じ、共振器内の損失
が大きくなる等の問題が生じる。このため、傾斜角度θ
は１０°以下にしておくことが好ましい。

【００３１】図３は、バッファ層２の厚みを０．１μ
ｍ、０．５μｍ、１μｍ、５μｍ、１０μｍと変えた場
合における、傾斜角度θとｐ−コンタクト層６表面の格
子欠陥密度を前述と同様に測定して、その結果を示した
図である。

【００３２】この図３から判るように、バッファ層２
は、０．１μｍ〜１０μｍの何れの厚みにおいても、基
板上面がＣ面から傾斜すると、表面の格子欠陥密度は低
下する。特に、バッファ層２の厚みが０．５μｍ以上に
なると、格子欠陥密度の低下は大きく、その効果は傾斜
角度θが０．０３°以上で急激に現れる。更に、傾斜角
度θが０．０５°以上になると、バッファ層２の厚みに
応じて格子欠陥密度が十分に低い値となる。

【００３３】また、バッファ層２の厚みが１μｍ以上に
なると、上述した効果は一層顕著に現れる。また、バッ
ファ層２の厚みが１μｍ以上の場合、特に、傾斜角度θ
が０．５°まで大きくなると、格子欠陥密度が１×１０
⁵／ｃｍ²程度に十分に小さくなり、傾斜角度θがそれ以
上に大きくなっても、格子欠陥密度の更なる低下は表わ
れなかった。

【００３４】図４は、バッファ層２のＳｉドープのキャ
リア濃度を１×１０²¹／ｃｍ³、１×１０²⁰／ｃｍ³、１
×１０¹⁹／ｃｍ³、１×１０¹⁸／ｃｍ³、１×１０¹⁷／ｃ
ｍ³と変えた場合における、傾斜角度θとｐ−コンタク
ト層６表面の格子欠陥密度を前述と同様に測定して、そ
の結果を示した図である。

【００３５】この図４から判るように、バッファ層２の
キャリア濃度が１×１０¹⁷／ｃｍ³〜１×１０²¹／ｃｍ³
の何れの場合においても、基板上面がＣ面から傾斜する
と、ｐ−コンタクト層６表面の格子欠陥密度は低下す
る。特に、バッファ層２のキャリア濃度が１×１０²⁰／
ｃｍ³以下になると、格子欠陥密度の低下は大きく、そ
の効果は傾斜角度θが０．０３°以上で急激に現れる。
更に、傾斜角度θが０．０５°以上になると、バッファ
層２のキャリア濃度に応じて格子欠陥密度が十分に低い
値となる。

【００３６】また、バッファ層２のキャリア濃度が１×
１０¹⁸／ｃｍ³以下になると、上述した効果は一層顕著
に現れる。特に、バッファ層２のキャリア濃度が１×１
０¹⁸／ｃｍ³以下の場合、傾斜角度θが１°まで大きく
なると、格子欠陥密度が１×１０⁵／ｃｍ²程度に十分に
小さくなり、傾斜角度θがそれ以上に大きくなっても、
格子欠陥密度の更なる低下は表われなかった。

【００３７】本発明は、例えば、図５に示すようなリッ
ジ導波型の半導体レーザ素子に用いることが可能であ
る。

【００３８】図５において、１１はＧａＮよりなる基板
であり、基板１１上にｎ−ＧａＮからなるバッファ層１
２が形成され、その上にはｎ−ＩｎＧａＮからなるクラ
ック防止層１３、ｎ−ＡｌＧａＮからなる厚さ第１クラ
ッド層１４、アンドープのｉ−ＩｎＧａＮからなる多重
量子井戸構造の活性層１５、ｐ−ＡｌＧａＮからなる第
２クラッド層１６、ｐ−ＧａＮからなるｐ−コンタクト
層１７をＭＯＣＶＤ法により順に形成されている。第２
クラッド層１６の所定の深さまで除去されてストライプ
状のリッジ部１８が形成されている。基板１１の下面に
はｎ−電極１９が、ｐ−コンタクト層１７の上面にはｐ
−電極２０が形成されている。また、リッジ部１８の側
面から第２クラッド層１６のエッチング除去された上面
に亘って保護膜２１が形成されている。

【００３９】この構成の半導体レーザにおいて、上述の
図２〜図４の結果に基づいて、基板１の上面をＣ面から
所定角度θ傾斜させ、バッファ層１２の厚み及びキャリ
ア濃度を設定することにより、格子欠陥を減少させ、寿
命を長くすることが出来る。

【００４０】尚、上述の図２〜図４は、基板１の上面の
傾斜方向を＜１１−２０＞方向とした場合であるが、例
えば＜１０−１０＞方向、＜１０−１０＞方向と＜１１
−２０＞方向との間の方向等、他の方向に傾斜させた場
合においても、略同様の結果が得られた。

【００４１】また、本発明は、セルフアライン構造等の
他の半導体レーザは勿論のこと、半導体レーザ以外の他
の半導体発光素子にも適用可能である。

【００４２】また、基板上に形成される窒化物系半導体
層としても、上述した以外のものでも良く、III属元素
として、Ｇａ、或いはＧａにＡｌ、Ｉｎ、Ｂの少なくと
１つを含んでいれば良い。またＶ族元素としてＮ以外に
ＰやＡｓ等を少量含んでいても良い。

【００４３】

【発明の効果】本発明に依れば、ＧａＮ基板の上に形成
される窒化物系半導体層の結晶性が良く、長寿命化に適
した窒化物系半導体発光素子を提供し得る。

【００４４】また、本発明によれば、ＧａＮ基板上に結
晶性の良い窒化物系半導体層を成長させることが出来る
窒化物系半導体層の成長方法を提供し得る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明を用いた発光ダイオードの構成を示す断
面図である。

【図２】発光ダイオードのコンタクト層表面の格子欠陥
密度及び寿命と基板上面の傾斜角度との関係を示す図で
ある。

【図３】発光ダイオードのバッファ層の厚みによるコン
タクト層表面の格子欠陥密度及と、基板上面の傾斜角度
との関係を示す図である。

【図４】発光ダイオードのバッファ層のキャリア濃度に
よるコンタクト層表面の格子欠陥密度及と、基板上面の
傾斜角度との関係を示す図である。

【図５】本発明を用いたリッジ導波型半導体レーザ素子
の構成を示す断面図である。

【符号の説明】

１、１１ 基板 ２、１２ バッファ層 ３、１４ ｎ−クラッド層 ４、１５ 活性層 ５、１６ ｐクラッド層

フロントページの続き Ｆターム(参考） 5F041 AA43 CA05 CA23 CA34 CA40 CA49 CA57 CA65 5F073 AA74 CA07 CB02 CB07 CB14 DA05 DA21 DA35 EA28

Claims (12)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ＧａＮからなる基板の上面に窒化物系半
   導体からなる発光層を形成してなる窒化物系半導体発光
   素子において、前記基板の上面がＣ面に対して傾斜して
   いることを特徴とする窒化物系半導体発光素子。
2. 【請求項２】 前記基板の上面の傾斜角度が、０．０３
   °以上、１０°以下であることを特徴とする請求項１記
   載の半導体発光素子。
3. 【請求項３】 前記基板の上面の傾斜角度が、０．０５
   °以上であることを特徴とする請求項１又は２記載の半
   導体発光素子。
4. 【請求項４】 前記基板の上面には窒化物半導体からな
   るバッファ層が形成され、該バッファ層の上面に前記発
   光層が形成されていることを特徴とする請求項１、２又
   は３記載の半導体発光素子。
5. 【請求項５】 前記バッファ層の厚みが、０．５μｍ以
   上であることを特徴とする請求項４記載の半導体発光素
   子。
6. 【請求項６】 前記バッファ層の厚みが、１μｍ以上で
   あることを特徴とする請求項５記載の半導体発光素子。
7. 【請求項７】 前記基板の上面の傾斜角度が、０．５°
   以下であることを特徴とする請求項６記載の半導体発光
   素子。
8. 【請求項８】 前記バッファ層のキャリア濃度が、１×
   １０²⁰／ｃｍ³以下であることを特徴とする請求項４、
   ５、６又は７記載の半導体発光素子。
9. 【請求項９】 前記バッファ層のキャリア濃度が、１×
   １０¹⁸／ｃｍ³以下であることを特徴とする請求項８記
   載の半導体発光素子。
10. 【請求項１０】 前記基板の上面の傾斜角度が、１°以
    下であることを特徴とする請求項９記載の半導体発光素
    子。
11. 【請求項１１】 Ｃ面に対して傾斜しているＧａＮ基板
    の上面に、窒化物半導体からなるバッファ層を成長さ
    せ、該バッファ層上に窒化物半導体からなる発光層を成
    長させることを特徴とする窒化物半導体層の成長方法。
12. 【請求項１２】 前記バッファ層の成長温度が９００℃
    以上、１２００℃以下であることを特徴とする請求項１
    １記載の窒化物半導体層の成長方法。