JP2001015809A - 窒化物系半導体発光素子の製造方法、窒化物系半導体レーザ素子の製造方法、および窒化物系半導体レーザ素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 窒化物系半導体発光素子において、活性層の
発光特性を向上させる製法および素子構造を提供するこ
と。 【解決手段】 少なくとも発光層がＩｎを含む窒化物系
半導体層からなり、上記発光層の成長速度が６ｎｍ／分
以上であることを特徴とする窒化物系半導体発光素子の
製造方法。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は窒化物系半導体から
なる発光素子およびレーザ素子の製造方法、およびレー
ザ素子の構造に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、青色から紫外域の発光ダイオード
や半導体レーザ用の材料としてＧａＮをはじめとする窒
化物系半導体を用いたものが実現されつつある。この材
料系は直接遷移型のバンド構造を有していることから高
い発光効率を得られることから注目されている。中でも
この材料系を用いた半導体レーザは、その発振波長が短
いがゆえに高密度の情報処理用の光源としての応用が期
待されている。

【０００３】ここでいう「窒化物系半導体」とはＧａＮ
をベースとした半導体で、３族の構成要素としてＧａの
一部がＢ、Ａｌ、Ｉｎなどに置換された混晶系も含むも
のとする。

【０００４】このような半導体レーザでは寿命は１万時
間レベルに到達したが、この素子においても動作電圧、
しきい電流密度の点では５Ｖ、４ｋＡ／ｃｍ^２というレ
ベルで、実用レベルと言われている３．３Ｖ、１ｋＡ／
ｃｍ^２とは、動作時の電力密度に換算してまだ約６倍の
差異があり、十分なものとはいえない。

【０００５】通常、このような窒化物系半導体を用いた
半導体レーザにおいては、大まかには図１のような層構
造をとっている。すなわち、ＩｎＧａＮの多重量子井戸
（ＭＱＷ）構造からなる活性層１５を、活性層に近い側
からＧａＮガイド層１４および１６、ＡｌＧａＮクラッ
ド層１３および１７、およびＧａＮコンタクト層１２お
よび１８で上下をはさみ、それらをサファイア基板１１
上に有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）などを用いて
作製したものである。このような素子を形成する過程に
おいて発明者らは電流密度および電圧が上昇する要因を
検討してみた。

【０００６】その結果、要因となるものを２つ見出し
た。すなわち、その第１は活性層１５それ自身の発光特
性の不足であり、その第２は活性層１５上に層１６から
１８を成長している際の活性層の発光特性の劣化であ
る。

【０００７】まず、第１の要因である活性層自身の発光
特性の不足について述べる。

【０００８】従来、ＭＯＣＶＤ法によってＩｎＧａＮ層
を成長させる場合、例えば特開平６−２０９１２２号公
報にあるように成長速度として０．１〜６ｎｍ／分とい
う低速度で成長していた。なぜなら、ＩｎＧａＮ層では
島状成長から平面成長への移行が膜厚が薄い状態で生じ
るので、成長速度が高いと結晶性が低下すると考えられ
ていたためである。実際にこのような条件下で成長され
たＩｎＧａＮの結晶性はよく、例えば室温でのフォトル
ミネッセンス測定を行なった結果でも、深い準位からの
発光はそれほど見られずバンド端発光が支配的である。
しかし、そのバンド端発光強度は発光素子を作製するた
めには必ずしも十分といえるものではなかった。そのた
めに、上述したように現状の半導体レーザ素子において
は電力密度が実用レベルに達していないという課題があ
った。

【０００９】次に、第２の要因である活性層の熱劣化に
ついて述べる。

【００１０】窒化物系半導体レーザ素子は先に述べたよ
うに大まかには図１のような構造をとっている。このよ
うな構造を、例えばＭＯＣＶＤ法などで形成する際に
は、基板１１上に約１１００℃で１２から１４までの層
（ｎ型層）を、約８００℃でＩｎＧａＮ活性層１５を、
再び約１１００℃で１６から１８までの層（ｐ型層）を
形成している。

【００１１】図２はＩｎＧａＮ−ＭＱＷ構造を形成した
後、約１１００℃で熱処理するという処理を行なったそ
の前後での光励起による発光強度を示したグラフであ
る。図中、実線が熱処理前、破線が熱処理後の発光強度
である。図からも明らかなように、熱処理を施すことに
よって、発光に要する光励起密度が非常に高くなる、す
なわち、活性層の発光特性が劣化する現象が顕著に見ら
れている。

【００１２】同等の課題意識に対する解決手段として
は、特開平１０−１４４６１２号公報や特開平１０−３
３５７００号公報などによっても指摘されている。しか
し、いずれの場合も活性層より上層の成長温度を著しく
低温化するものである。このような低温成長を行なうこ
とは、ＡｌＧａＮ層やＧａＮ層の結晶性を低下させるこ
とであるということは、特開平１０−１４４６１２号公
報にも示されている通りである。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】以上述べてきたように
従来の窒化物系半導体レーザ素子に用いる半導体積層構
造を成長・形成する際には、２つの課題が見出された。
その第１は活性層自身の発光特性の不足であり、その第
２は活性層上の層を高温で成長する際に活性層の発光特
性が著しく劣化するという現象である。

【００１４】

【課題を解決するための手段】我々は、上記課題を解決
すべく検討を重ねた結果、いくつかの実験事実を見出し
本発明に至った。

【００１５】第１の発明は、上述した第１の課題である
活性層自身の発光特性を向上させるためのものである。

【００１６】すなわち、少なくとも発光層がＩｎを含む
窒化物系半導体層からなり、上記発光層の成長速度が６
ｎｍ／分以上であることを特徴とする窒化物系半導体発
光素子の製造方法である。

【００１７】第２の発明は、上述した第１の発明に関す
るものである。

【００１８】すなわち、少なくとも発光層がＩｎおよび
Ｇａを含む窒化物系半導体層からなり、供給するＧａ原
料に対するＩｎ原料のモル供給量比が５以下であること
を特徴とする窒化物系半導体発光素子の製造方法であ
る。

【００１９】第３の発明は、上述した第２の課題である
活性層の発光特性の熱による劣化に対するものである。

【００２０】すなわち、基板と、Ｉｎを含む窒化物系半
導体活性層と、活性層の上下に形成されたｐ型窒化物系
半導体層およびｎ型窒化物系半導体層とによって構成さ
れた窒化物系半導体発光素子を成長する際に、上記Ｉｎ
を含む窒化物系半導体活性層よりも基板側の成長層の成
長速度に比べ、上側の成長層の成長速度が高いことを特
徴とする窒化物系半導体発光素子の製造方法である。

【００２１】第４の発明は、上記第２の課題を特に半導
体レーザ素子に適用したものである。すなわち、少なく
ともＩｎを含む第１の窒化物系半導体層からなる活性層
と、その上に成長された第２の窒化物系半導体積層構造
とを含む窒化物系半導体レーザ素子を成長する際に、第
２の窒化物系半導体積層構造の成長時間の和が３０分以
下であることを特徴とする窒化物系半導体レーザ素子の
製造方法である。

【００２２】第５の発明は、上記第２の課題を解決する
手段の１つとして、新規な積層構造を提案するものであ
る。

【００２３】すなわち、ｎ型層と、少なくともＩｎを含
む活性層と、ｐ型層とがこの順で成長された窒化物半導
体レーザ素子において、ｎ型層中にＡｌＧａＮクラッド
層を含み、ｐ型層はＧａＮ層のみで構成されることを特
徴とするものである。 （作用）まず、第１の要件であるＩｎＧａＮ活性層自身
の発光特性について述べる。ＩｎＧａＮ層では、膜厚が
薄い状態で島状成長（３次元成長）から平面成長（２次
元成長）へ移行することが知られている。これは基板面
に垂直な方向（以下、垂直方向という）の成長速度に対
して基板面内方向（以下、水平方向という）の成長速度
が高いためである。この時、垂直方向の成長速度はＧａ
原料の供給量に関係し、水平方向の成長速度はＩｎ原料
の供給量に関係している。垂直方向の成長速度に対して
水平方向の成長速度が高いと、散らばった初期結晶を核
としてそこから水平方向に延びた結晶同士が小さな面積
で急激にぶつかるために、その界面で結晶に欠陥などが
生じやすく、そのため光学遷移確率が減少し、発光強度
が低下する。これを防ぐためには水平方向の成長速度に
対して垂直方向の成長速度を高めることによって、衝突
面積を大きくし衝撃を少なくすることが必要である。こ
のことはＧａ原料に対するＩｎ原料の供給比を小さくす
ることによって実現することができる。このような状況
を選ぶことによってＩｎＧａＮ層の発光強度を高めるこ
とができる。

【００２４】次に、第２の要件である活性層の熱劣化に
ついて述べる。通常、ＧａＮ層上にＩｎＧａＮ層を成長
させた時、基板側にあるＧａＮ層の格子定数に合わせ
て、ＩｎＧａＮ層が成長されると考えられている。しか
し、発明者らが室温ＰＬによる発光波長を検討した結
果、以下のことが得られた。すなわち、１）ＧａＮ層上
にＩｎＧａＮからなるＭＱＷ構造を形成した場合、上層
のＩｎＧａＮ層の格子定数に合わせて下地のＧａＮ層が
歪んでいること、２）これにある一定時間以上の熱処理
を施すと、逆にＧａＮ層の歪が緩和され、ＩｎＧａＮ層
がＧａＮ層に応じて歪むこと、の２点である。高密度光
励起による発振しきい値と上記ＰＬ結果とを比較したと
ころ、１）のような状態ではしきい値が低いが、２）の
状態ではしきい値が高くなるという相関が得られた。し
たがって、成長時に活性層に与えられた歪を保持できる
程度の熱履歴しか上層の成長時に与えないようにするこ
とによって、活性層の発光効率の低下を抑制することが
できる。

【００２５】

【発明の実施の形態】以下に本発明の実施の形態につい
て図面を参照して説明する。 （第１の実施の形態）図３に、本発明の第１の実施形態
に関わる発光ダイオード３００の断面構造概略図を示
す。図３では、基板３０１にｃ面を主面とするサファイ
アを用いており、その上にＧａＮバッファ層３０２を介
して、ｎ型ＧａＮ層３０３、ＩｎＧａＮ−ＭＱＷ発光層
３０４、ｐ型ＡｌＧａＮ層３０５、ｐ型ＧａＮ層３０６
が積層形成されている。また、ｎ型ＧａＮ層３０３に対
してｎ側電極３１０が形成されている。一方、ｐ型Ｇａ
Ｎ層に対して透明電極３２０と絶縁膜３３０とがｐ層表
面上に形成されており、電極３２０の一部に少し重なる
ように、かつ大部分は絶縁膜３３０上にくるようにボン
ディングパッド３２１が形成されている。このような構
成としているのは、ボンディングパッドは電極厚があり
すぎて光が透過しないため、ボンディングパッド部分の
電流を光が取り出しやすい部分に供給するためである。

【００２６】以下にこの構造の製造方法について述べ
る。上記発光ダイオード３００は周知の有機金属気相成
長（ＭＯＣＶＤ）法により製造されている。用いた原料
は、アンモニア（ＮＨ_３）、トリメチルガリウム（Ｇａ
（ＣＨ_３）_３、以下「ＴＭＧ」と記す）、トリメチルア
ルミニウム（Ａｌ（ＣＨ_３）_３、以下「ＴＭＡ」と記
す）、トリメチルインジウム（Ｉｎ（ＣＨ_３）_３、以下
「ＴＭＩ」と記す）、ビスシクロペンタジエニルマグネ
シウム（Ｍｇ（Ｃ_５Ｈ_５）_２、以下「Ｃｐ_２Ｍｇ」と記
す）、シラン（ＳｉＨ_４）であり、キャリアガスとして
は水素（Ｈ_２）および／または窒素（Ｎ_２）を用いる。
なお、ここでいう温度とはＭＯＣＶＤ装置に装着された
熱電対の指示温度である。

【００２７】まず、有機溶剤及び酸によって洗浄された
ｃ面を主面とする単結晶のサファイア基板３０１を用意
し、これをＭＯＣＶＤ装置の反応室内に載置され、高周
波によって加熱されるサセプタ上に装着した。次に常圧
で水素を２５Ｌ／分の流量で流しながら、温度１１３０
℃で約１０分間、気相エッチングを施し、表面にできた
自然酸化膜などを除去した。

【００２８】次に、５００℃まで降温し、水素を１５Ｌ
／分、窒素を５Ｌ／分、アンモニアを１０Ｌ／分、ＴＭ
Ｇを２５ｃｃ／分の流量で約４分間供給することによ
り、ＧａＮ低温バッファ層３０２を形成した。

【００２９】次に、水素を１５Ｌ／分、窒素を５Ｌ／
分、アンモニアを１０Ｌ／分の流量で流しながら、約１
２分かけて１１００℃まで昇温した後、この温度で、Ｔ
ＭＧを１００ｃｃ／分、水素によって１０ｐｐｍに希釈
したＳｉＨ_４を１０ｃｃ／分の流量を約１２０分供給
し、ｎ型ＧａＮ層３０３を成長した。

【００３０】次に、窒素を約２０Ｌ／分、アンモニアを
１０Ｌ／分の流量で流しながら約３分間で８００℃まで
降温した。この温度で窒素を約２０Ｌ／分、アンモニア
を１０Ｌ／分、ＴＭＧを２５ｃｃ／分の流量で固定し、
ＴＭＩのみの流量を２０ｃｃ／分で約１分、４５０ｃｃ
／分で約２０秒という組み合わせを４回行ない、最後に
２０ｃｃ／分で約２分間供給し、Ｉｎ組成１４％の井戸
層とＩｎ組成２％の障壁層とを有する周期４の多重量子
井戸（ＭＱＷ）構造からなる発光層３０４を形成した。
この時、Ｇａ原料に対するＩｎ原料のモル供給量比は
４．６であり、発光層３０４の成長速度は９ｎｍ／分で
ある。

【００３１】本実施例の活性層の成長は単純にＴＭＩ原
料の流量を交互に切り換えて行なったが、ＴＭＩの流量
を例えば４５０ｃｃ／分で固定し、ほとんどの供給ライ
ンを窒素とし、１つのガス供給ラインから水素をパルス
的に供給することによってＩｎＧａＮ層のＩｎ組成を制
御することも可能である。これは水素が結晶中に取り込
まれるＩｎ量を抑制するためである。このように水素量
でＩｎ組成を制御することにより比較的乱れの少ない界
面を形成することができる。

【００３２】このような乱れの少ない界面を形成する別
の方法としては、成長中断がある。これは各原料を供給
し、原料を切り換える際に一定間隔の時間、３族原料の
みを供給せずに放置するものである。このような供給を
停止している時間では、表面に付着した分子が移動によ
って再配列し界面が平坦になるという特性がある。

【００３３】次に、窒素を約２０Ｌ／分、アンモニアを
１０Ｌ／分の流量で流しながら約２分間で１０００℃ま
で昇温した。次にキャリアガスを１５Ｌ／分、窒素を５
Ｌ／分に約１分間かけて変更しながら１１００℃までさ
らに昇温した後、この温度で水素を２５Ｌ／分、窒素を
５Ｌ／分、アンモニアを１５Ｌ／分、ＴＭＧを１００ｃ
ｃ／分、ＴＭＡを６０ｃｃ／分、Ｃｐ_２Ｍｇを５０ｃｃ
／分の流量で約３分供給することにより、ｐ型ＡｌＧａ
Ｎ層３０５を形成した。

【００３４】次に、これらの原料のうち、ＴＭＡの供給
のみを停止し、さらに約１０分間供給することにより、
ｐ型ＧａＮ層３０６を形成した。

【００３５】この後、ＴＭＧおよびＣｐ_２Ｍｇの供給を
停止し、その状態で３５０℃まで降温し、さらに３５０
℃でアンモニアの供給を停止し室温まで冷却し、反応室
内を窒素に置換した後、反応室から成長ウエハーを取り
出した。

【００３６】次に、図４に示すパターンとなるように、
ＳｉＯ_２膜およびレジストでマスキングし、膜のない部
分をｎ型ＧａＮ層３０３が露出するまでエッチングし
た。約１２０μｍΦの窪みの部分に周知の真空蒸着法や
スパッタ法などによって、Ａｌ、Ｐｔ、Ａｕの順で積層
形成し、ｎ側電極３１０とした。また、エッチングせず
に残した部分には、１００μｍ角のＳｉＯ_２絶縁膜３３
０、半導体層側からＮｉ膜／ＩＴＯ膜の積層構造による
ｐ側電極３２０を形成した。ＩＴＯ膜の一部と絶縁膜３
３０の大部分にかかるようにＴｉ／Ａｕの積層構造から
なるボンディングパッド３２１を形成した。このボンデ
ィグパッド３２１とｎ側電極３１０に対して、Ａｕから
なるボンディングワイヤーを接続して外部リードフレー
ムとの電気的接続を図った。

【００３７】本実施例の成長条件（成長速度９ｎｍ／分
程度）と従来の成長条件（成長速度５ｎｍ／分程度）と
を用いて、発光層であるＩｎＧａＮ−ＭＱＷ構造を別に
作製し比較してみたところ、前者の方が発光出力が約５
０％高かった。したがって、本実施例による発光ダイオ
ードでは、従来の発光ダイオードと比較して、５０％以
上の出力向上を図ることができるものと考えられる。 （第２の実施の形態）図５に、本発明の第２の実施形態
に関わる半導体レーザ５００の断面構造の概略図を示
す。図５では、ｃ面サファイア基板５０１上に、ＧａＮ
低温バッファ層５０２およびＧａＮ高温バッファ層５０
３を介して、ｎ型ＧａＮコンタクト層５０４、ｎ型Ａｌ
ＧａＮクラッド層５０５、ｎ型ＧａＮガイド層５０６、
ＩｎＧａＮ多重量子井戸構造活性層５０７、ｐ型ＡｌＧ
ａＮオーバーフロー防止層５０８、ｐ型ＧａＮガイド層
５０９、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層５１０、ｐ型ＧａＮ
コンタクト層５１１、ｎ型ＧａＮ電流ブロック層５１
２、ｐ型ＧａＮ埋込層兼コンタクト層５１３が、順次積
層されている。ここで、ｐ型ＧａＮコンタクト層５１３
は表面側から高不純物濃度層と低不純物濃度層との２段
構造とすることも可能である。

【００３８】以下に、この構造の製造方法について詳細
を述べる。用いた原料等は第１の実施例と同じである。
ここでも、結晶成長過程における温度とは、ＭＯＣＶＤ
装置内のサセプタに装着された熱電対の指示温度であ
る。

【００３９】まず、有機溶剤及び酸によって洗浄された
ｃ面を主面とする単結晶のサファイア基板５０１を用意
し、これをＭＯＣＶＤ装置の反応室内に載置され、高周
波によって加熱されるＳｉＣでコーティングされたカー
ボンサセプタ上に装着した。次に常圧で水素を２５Ｌ／
分の流量で流しながら、温度１１３０℃で約１０分間、
気相エッチングを施し、表面にできた自然酸化膜を除去
した。

【００４０】次に、５００℃まで降温し、水素を１５Ｌ
／分、窒素を５Ｌ／分、アンモニアを１０Ｌ／分、ＴＭ
Ｇを２５ｃｃ／分の流量で約４分間供給することによ
り、ＧａＮ低温バッファ層５０２を形成した。

【００４１】次に、水素を１５Ｌ／分、窒素を５Ｌ／
分、アンモニアを１０Ｌ／分の流量で流しながら約１２
分かけて１１００℃まで昇温した後、水素キャリアの一
部でＴＭＧをバブリングし、ＴＭＧを１００ｃｃ／分の
流量でそれぞれ約６０分供給することにより、ＧａＮ高
温バッファ層５０３を形成した。さらに、これらの原料
に水素によって１０ｐｐｍに希釈されたＳｉＨ_４を１５
ｃｃ／分の流量を加えてそれぞれ約１３０分間供給する
ことにより、ｎ型ＧａＮコンタクト層５０４を形成し
た。さらに、これらの原料に２０ｃｃ／分のＴＭＡを追
加し、ＳｉＨ_４流量を５ｃｃ／分にして約４５分間供給
することによりｎ型ＡｌＧａＮクラッド層５０５を形成
した。次に、ＴＭＡの供給を停止し、かつＳｉＨ_４の流
量を２ｃｃ／分に減少させた上で、約１０分間供給する
ことによりｎ型ＧａＮガイド層５０６を形成した。

【００４２】次に、窒素を約２０Ｌ／分、アンモニアを
１０Ｌ／分の流量で流しながら約３分間で８２０℃まで
降温した。この温度で窒素を約２０Ｌ／分、アンモニア
を１０Ｌ／分、ＴＭＧを１２ｃｃ／分の流量で固定し、
ＴＭＩのみの流量を５０ｃｃ／分で約３分、４５０ｃｃ
／分で約４０秒という組み合わせを４回行ない、最後に
５０ｃｃ／分で約６分間供給し、Ｉｎ組成１４％の井戸
層とＩｎ組成２％の障壁層とを有する周期４の多重量子
井戸（ＭＱＷ）構造からなる活性層５０７を形成した。
なお、ここで障壁層にのみＳｉＨ_４を１０ｃｃ／分程度
流し、ｎ型キャリア濃度を高めている。

【００４３】次に、窒素を約２０Ｌ／分、アンモニアを
１０Ｌ／分の流量で流しながら約２分間で１０００℃ま
で昇温した後、水素を２５Ｌ／分、窒素を約５Ｌ／分、
アンモニアを１５Ｌ／分の流量に徐々に変えながら約１
分かけて温度を１１００℃まで昇温した。この温度でキ
ャリアガスの水素の一部でＴＭＧ、ＴＭＡ、Ｃｐ_２Ｍｇ
をバブリングし、流量をＴＭＧを１００ｃｃ／分、ＴＭ
Ａを６０ｃｃ／分、Ｃｐ_２Ｍｇを５０ｃｃ／分とし、約
３０秒間供給することによってｐ型ＡｌＧａＮオーバー
フロー防止層５０８を形成した。

【００４４】ここでは、オーバーフロー防止層５０８を
１１００℃で成長した単層としたが、活性層５０７を成
長した直後に、同じ温度でＡｌＧａＮ層を約１０〜３０
秒形成しておく、すなわちオーバーフロー防止層を２段
階成長で形成しておくと、活性層の熱耐性が増してより
好ましい方向である。

【００４５】次に、これらの原料のうち、ＴＭＡの供給
のみを停止し、さらに約３分間供給することにより、ｐ
型ＧａＮガイド層５０９を形成した。次に、これらの原
料に流量２０ｃｃ／分のＴＭＡを加え、Ｃｐ_２Ｍｇの流
量を３００ｃｃ／分に増やし、約７分間供給することに
より、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層５１０を形成した。次
に、これらの原料からＴＭＡの供給を停止し、Ｃｐ_２Ｍ
ｇの流量を５０ｃｃ／分に戻してさらに３分間供給する
ことによりｐ型コンタクト層５１１を形成した。

【００４６】次に、これらの原料のうち、Ｃｐ_２Ｍｇの
供給を停止するとともに、流量３ｃｃ／分のＳｉＨ_４を
供給し、それらを約１分間供給することによってｎ型Ｇ
ａＮ電流ブロック層５１２を成長した。

【００４７】次に、室温まで降温し、反応炉内を窒素ガ
スに置換した後、ブロック層５１２までを成長したウエ
ハーを成長炉から取り出した。なお、ここで１１００℃
から８００℃までの降温時間は２分程度である。このウ
エハーを周知の反応性イオンエッチング法などによって
電流ブロック層５１２の一部、５μｍの幅の領域をコン
タクト層５１１が露出するまでエッチング除去した。

【００４８】次に、再びＭＯＣＶＤ装置のサセプタ上に
載置し、窒素２０Ｌ／分、アンモニア１０Ｌ／分の雰囲
気中で約２分で１１００℃まで昇温した。

【００４９】次に、この温度で水素を０．５Ｌ／分、窒
素を１９．５Ｌ／分、アンモニアを１０Ｌ／分、ＴＭＧ
を１００ｃｃ／分、Ｃｐ_２Ｍｇを５０ｃｃ／分の流量で
約３分間流すことにより、ｐ型ＧａＮ埋込み層兼コンタ
クト層５１３を形成した。

【００５０】この後、ＴＭＧおよびＣｐ_２Ｍｇの供給を
停止し、その状態で３５０℃まで降温し、さらに３５０
℃でアンモニアの供給を停止し室温まで冷却し、反応室
内を窒素に置換した後、反応室から成長ウエハーを取り
出した。この時も１１００℃から８００℃までの降温時
間は２分程度であった。

【００５１】次に、幅１５０μｍの縞領域をＳｉＯ_２膜
およびレジストでマスキングし、膜のない部分をｎ型Ｇ
ａＮ層５０４が露出するまでエッチングした。

【００５２】次にｎ型ＧａＮコンタクト層５０４に、周
知の真空蒸着法やスパッタ法などによって、順にＡｌ、
Ｐｔ、Ａｕの順で積層形成し、ｎ側電極５２０とした。

【００５３】次にｐ型ＧａＮコンタクト層５１３上に幅
２０μｍの縞を半導体側からＰｔ、Ｔｉ、Ｐｔ、Ａｕの
順で形成しｐ側電極５３０とした。

【００５４】このようにして作製したウエハーを幅２５
０μｍ×長さ５００μｍの大きさにへき開し、レーザダ
イオードチップとした。共振器端面は研磨やエッチング
によって形成することも可能である。また、端面に誘電
体による多層膜を形成し高反射膜とすることも可能であ
る。本実施例におけるチップは波長４０５ｎｍで発振し
た。

【００５５】本願でいう成長時間とは活性層の成長温度
以上の温度にある時間で定義する。したがって、本実施
例における活性層より上の層の成長時間は長く見積もっ
ても２６．５分ということになる。

【００５６】本実施例におけるしきい電流密度は、上層
の成長時間が約６倍ある従来の場合と比較して１／３程
度に減少した。

【００５７】また、本実施例においてｐ型層の成長速度
をｎ型層の成長速度よりも高めている。これは成長速度
の高い層では、表面にピットと呼ばれる穴が形成されや
すくなる。このようなピットのある表面上に活性層に形
成された場合には活性層にもピットに対応した位置に貫
通転位が形成される。このことはしきい値が上昇する要
因である。したがって、活性層の下地表面にピットが形
成されないように、その下地であるｎ型層では成長速度
を下げているものである。 （第３の実施の形態）本発明の第３の実施形態に関わる
半導体レーザについて説明する。本実施形態では第２の
実施形態と同じ概略構造を有しており、作製方法のみが
異なっているものである。したがって、簡単のため、第
２の実施形態との差異のみを述べる。

【００５８】第２の実施形態においては、活性層を成長
する際のＴＭＧ流量を１２ｃｃ／分に固定した。この流
量では、ＩｎＧａＮ層の成長速度は４〜５ｎｍ／分程度
である。本実施例においては、ＴＭＧの流量を２５ｃｃ
／分に高めることにより実現している。このようにＩｎ
ＧａＮ層の成長速度を高めることにより、第１の実施形
態でも述べたように発光層（活性層）の発光効率を５０
％程度高めることができる。

【００５９】また、活性層となるＭＱＷ層を個別に成長
し、１０５０℃、３０分という熱処理をほどこすという
実験を行なった。図６はその結果を光励起密度と発光出
力との関係で示したものである。図６で破線は熱処理前
（共通）、点線が成長速度の小さい条件で作製したＭＱ
Ｗを熱処理した後のもの、実線が本実施例のように成長
速度の高い条件で作製したＭＱＷを熱処理した後のもの
である。図６からわかるように、成長速度の小さい従来
の条件で形成したＭＱＷでは熱履歴に弱いが、成長速度
の大きい本発明の条件で形成したＭＱＷでは熱履歴に比
較的強いことがわかる。このことから、従来の成長条件
を用いた半導体レーザと比較して、本発明で述べた成長
条件を用いた半導体レーザは熱履歴に関してのみでも約
３０％のしきい値電流密度の改善を図ることが可能であ
る。また、成長条件の小さい従来の成長条件では３０分
を超えるとほとんど発振しないという結果が得られた。

【００６０】したがって、上述した２点を総合すると、
活性層の成長条件を変えることによってしきい値電流密
度を第２の実施形態に比べて約半分に低下させることが
可能である。

【００６１】ここで、半導体レーザの活性層を作製する
場合の適正条件について述べる。半導体レーザを積層形
成する際には、その構造の複雑さから、活性層上にガイ
ド層、クラッド層、電流ブロック層、コンタクト層など
さまざまな層を形成しなければならないので、上層の成
長時間が発光ダイオードと比べて長くなる。そのため、
発光ダイオードの発光層では、単に発光層の発光強度の
みを議論していればよかったが、半導体レーザの活性層
ではそれだけでは十分ではない。すなわち、活性層自身
の発光特性とともに、上層の成長工程における劣化まで
を考慮しなければならない。

【００６２】このうち、まず、活性層の発光特性のみを
議論すると、従来の成長条件である４〜５ｎｍ／分の成
長速度で形成したＩｎＧａＮ層では発光強度としては、
比較的高い値を示す。これに対して、上述したような９
ｎｍ／分の成長速度では向上を図ることができている。
しかし、さらに成長速度を上昇させると逆に低下する。
これは第２の実施例でも述べたように、成長速度が高く
なるとピットがあきやすくなり、発光強度に影響を与え
るためである。

【００６３】一方、上述した成長直後の発光強度に対し
て、熱的な耐性を加味した時に発光強度がどのような傾
向を示すか表わしたものが図７である。図７に示したよ
うに、９ｎｍ／分程度の成長速度の条件下では発光強度
の高い領域を保っているが、その前後では減少する傾向
が見られる。したがって、成長速度としては６ｎｍ／分
以上、１６ｎｍ／分以下であることが望ましい。さら
に、７ｎｍ／分以上１４．５ｎｍ／分以下の時に５０％
以上の改善効果が見られ、より望ましい。 （第４の実施の形態）図８に本発明の第４の実施形態に
関わる半導体レーザ８００の断面構造の概略図を示す。
図８中で、第２の実施例である図５と同じ働きをするも
のについては、同じ符号をつけ詳細な説明を省略する。

【００６４】この半導体レーザ８００は、ｃ面を主面と
する厚さ約８０μｍのサファイアを基板８０１として有
しており、以下のような積層構造が形成されている。

【００６５】すなわち、まず、ＧａＮバッファ層５０２
があり、その上にＧａＮ品質改善層５０３、ｎ型ＧａＮ
コンタクト層５０４がある。この上にｎ型電極が形成さ
れる領域以外の部分に、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層５０
５（Ａｌ組成８％、厚さ１μｍ）、ｎ型ＧａＮガイド層
５０６（厚さ２μｍ）、多重量子井戸（ＭＱＷ）構造の
活性層５０７（障壁層：Ｉｎ組成２％、厚さ８ｎｍ、井
戸層：Ｉｎ組成１５％、厚さ４ｎｍ、最上層は厚さ０．
２μｍの障壁層で終端）、ｐ型ＧａＮクラッド兼コンタ
クト層８１３（厚さ０．１μｍ）が形成されている。ま
た、５２０はｎ型電極、５３０はｐ型電極である。この
構造では、電流狭窄は表面に形成したＳｉＯ_２膜８３１
によって行なわれている。このようにｐ側層をＧａＮの
みで構成する際には、光のしみだしによってモードが２
つに分裂することから、活性層回りのコア部分（ｎ型ガ
イド層から活性層終端まで）の体積を大きくする必要が
ある。発明者らがシミュレーションを行なったところ、
この部分の厚さが２μｍ以上ないと単峰性をなさないこ
とがわかった。

【００６６】このようにして作製したレーザではしきい
電流密度５ｋＡ／ｃｍ^２で単峰性のＦＦＰ（ファーフィ
ールドパターン）を得ることができた。

【００６７】このような構造を形成する際には、活性層
５０７までは第２の実施例と同じ方法で形成することが
できる。一方、ｐ型コンタクト層８１３については第２
の実施例と同じく高い成長速度で行なうこともできる
が、通常の成長速度を用いてもわずか５分程度で成長す
ることが可能であるため、これを用いてもよい。 （変形例）図９に第４の実施形態に対する変形例である
半導体レーザ９００の断面構造の概略図を示す。第４の
実施形態においては、電流狭窄をｐ層表面のＳｉＯ_２膜
８３１によって行なっていたが、これでは横モードの制
御が十分とはいえない。この点を解決するためには電流
ブロック層による内部電流狭窄構造をとることが望まし
い。これはｎ型ＡｌＧａＮクラッド層５０５近傍にｐ型
もしくはｉ型の電流ブロック層９１１を設けることによ
って実現できる。電流ブロック層をｐ層側に設けること
も不可能ではないが、活性層への熱の効果を考えると、
ｎ層側に設ける方がより望ましい。

【００６８】

【発明の効果】以上述べてきたように、窒化物系の半導
体発光素子においては、活性層（発光層）であるＩｎＧ
ａＮ層およびその上の積層構造を高速度成長させること
によって、活性層の発光効率を高めるとともに、熱履歴
による光学特性の低減を抑制することができる。また、
高速度成長を行なうことは副次的に抵抗を下げる効果も
あり、動作電圧を低下させる効果もある。本発明におい
て動作時の電力密度を、電流密度の半分に加え、動作電
圧の低減を図ることも可能であるから、１／３から１／
４に抑えることができると考えられる。したがって、層
構造や不純物濃度の最適化などを行なうことによって、
動作時の電力を実用レベルにまで低減することが可能で
ある。

【図面の簡単な説明】

【図１】窒化物系半導体レーザの概略構造断面図。

【図２】ＩｎＧａＮ層に熱処理を施す前後の光励起によ
る発光強度変化。

【図３】第１の実施形態に関わる発光ダイオードの概略
構造断面図。

【図４】第１の実施形態に関わる発光ダイオードの概略
平面図。

【図５】第２および第３の実施形態に関わる半導体レー
ザの概略構造断面図。

【図６】本発明の方法と従来方法とによるＭＱＷの熱処
理前後における光励起による発光強度変化。破線は熱処
理前（共通）、実線は本発明の成長方法での熱処理後、
点線は従来の成長方法での熱処理後の発光強度をそれぞ
れ示している。

【図７】熱処理後のＩｎＧａＮ−ＭＱＷ構造における成
長速度と発光強度との関係。

【図８】第４の実施形態に関わる半導体レーザの概略構
造断面図。

【図９】第４の実施形態の変形例に関わる半導体レーザ
の概略構造断面図。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 斎藤 真司 神奈川県川崎市幸区小向東芝町１番地 株 式会社東芝研究開発センター内 (72)発明者 野崎 千晴 神奈川県川崎市幸区小向東芝町１番地 株 式会社東芝研究開発センター内 (72)発明者 板谷 和彦 神奈川県川崎市幸区小向東芝町１番地 株 式会社東芝研究開発センター内 Ｆターム(参考） 5F041 AA03 CA03 CA05 CA23 CA34 CA40 CA46 CA57 CA65 CA74 CA82 CA88 CA92 DA07 FF16 5F045 AA04 AB14 AB17 AC08 AC12 AD09 AD12 AD15 AF09 AF13 BB09 BB16 CA10 CA12 DA53 DA55 EB15 EE12 EK03 5F073 AA04 AA09 AA45 AA74 AA89 BA04 CB05 CB07 CB19 DA05 DA25 EA29

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 少なくとも発光層がＩｎを含む窒化物系
   半導体層からなり、上記発光層の成長速度が６ｎｍ／分
   以上であることを特徴とする窒化物系半導体発光素子の
   製造方法。
2. 【請求項２】 上記請求項１において、上記発光層がＩ
   ｎおよびＧａを含む窒化物系半導体層からなり、供給す
   るＧａ原料に対するＩｎ原料のモル供給量比が５以下で
   あることを特徴とする上記請求項１に記載の窒化物系半
   導体発光素子の製造方法。
3. 【請求項３】 基板と、Ｉｎを含む窒化物系半導体活性
   層と、活性層の上下に形成されたｐ型窒化物系半導体層
   およびｎ型窒化物系半導体層とによって構成された窒化
   物系半導体発光素子を成長する際に、上記Ｉｎを含む窒
   化物系半導体活性層よりも基板側の成長層の成長速度に
   比べ、上側の成長層の成長速度が高いことを特徴とする
   窒化物系半導体発光素子の製造方法。
4. 【請求項４】 少なくともＩｎを含む第１の窒化物系半
   導体層からなる活性層と、その上に成長された第２の窒
   化物系半導体積層構造とを含む窒化物系半導体レーザ素
   子を成長する際に、第２の窒化物系半導体積層構造の成
   長時間の和が３０分以下であることを特徴とする窒化物
   系半導体レーザ素子の製造方法。
5. 【請求項５】 ｎ型層と、少なくともＩｎを含む活性層
   と、ｐ型層とがこの順で成長された窒化物半導体レーザ
   素子において、ｎ型層中にＡｌＧａＮクラッド層を含
   み、ｐ型層はＧａＮ層のみで構成されることを特徴とす
   る窒化物系半導体レーザ素子。