JP2001119102A - Ｉｉｉ族窒化物系化合物半導体レーザダイオード - Google Patents

Ｉｉｉ族窒化物系化合物半導体レーザダイオード

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JP2001119102A JP29326599A JP29326599A JP2001119102A JP 2001119102 A JP2001119102 A JP 2001119102A JP 29326599 A JP29326599 A JP 29326599A JP 29326599 A JP29326599 A JP 29326599A JP 2001119102 A JP2001119102 A JP 2001119102A
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compound semiconductor
iii nitride
nitride compound
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Yuuta Tezeni
雄太 手銭
Masayoshi Koike
正好 小池
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Toyoda Gosei Co Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【課題】活性層を挟むガイド層の応力が緩和されたIII
族窒化物半導体レーザダイオードを提供すること。 【解決手段】ガイド層を、10nm厚のAlGaNと10nm厚のInN
とを5層積層した超格子構造とした。約0.1μmのガイド
層は、超格子構造のため弾性定数が低く応力緩和層とす
ることができる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、III族窒化物系化
合物半導体レーザダイオードに関する。尚、III族窒化
物系化合物半導体とは、例えばAlN、GaN、InNのような
２元系、AlxGa1-xN、AlxIn1-xN、GaxIn1-xN（いずれも0
＜x＜1）のような３元系、AlxGayIn1-x-yN（0＜x＜1, 0
＜y＜1, 0＜x+y＜1）の４元系を包括した一般式AlxGayI
n1-x-yN（0≦x≦1, 0≦y≦1, 0≦x+y≦1）で表されるも
のがある。なお、本明細書においては、特に断らない限
り、単にIII族窒化物系化合物半導体と言う場合は、伝
導型をｐ型あるいはｎ型にするための不純物がドープさ
れたIII族窒化物系化合物半導体をも含んだ表現とす
る。
【０００２】
【従来の技術】III族窒化物系化合物半導体は、発光ス
ペクトルが紫外から赤色の広範囲に渡る直接遷移型の半
導体であり、発光ダイオード(LED)やレーザダイオード
(LD)等の発光素子に応用されている。このIII族窒化物
系化合物半導体では、通常、サファイアを基板として用
い、その上に形成している。レーザダイオードを形成す
る際、活性層を挟んでｎ型半導体側、ｐ型半導体側それ
ぞれにガイド層、クラッド層を形成することが一般的で
ある。クラッド層は、負極からの電子と、正極からの正
孔が活性層で対を生成するよう、バンドギャップの大き
い層で形成されており、アルミニウム(Al)を含むAlxGa
1-xN（0＜x＜1）が一般的に用いられている。また、ガ
イド層としては、活性層よりもバンドギャップのやや大
きい層を用い、屈折率差を利用して活性層中にレーザ光
を閉じ込めるよう、例えば窒化ガリウム(GaN)が用いら
れている。また、活性層は一般的に多重量子井戸構造が
適している。
【０００３】図２に従来のIII族窒化物系化合物半導体
発光素子の一例としてレーザダイオード(LD)９００の構
造を示す。レーザダイオード（ＬＤ）９００は、サファ
イア基板９０１を有しており、そのサファイア基板９０
１上にAlNバッファ層９０２が形成されている。
【０００４】そのバッファ層９０２の上には、順に、シ
リコン(Si)ドープGaNから成るｎ層９０３、シリコン(S
i)ドープAlxGa1-xNから成るｎクラッド層９０４、のシ
リコン(Si)ドープGaNからなるｎガイド層９０５、GaNか
ら成るバリア層とGa1-yInyNから成る井戸層とが交互に
積層された多重量子井戸構造(MQW)の活性層９０６が形
成されている。そして、その活性層９０６の上に、マグ
ネシウム(Mg)ドープGaNから成るｐガイド層９０７、マ
グネシウム(Mg)ドープAlxGa1-xNから成るｐクラッド層
９０８、マグネシウム(Mg)ドープGaNから成るｐコンタ
クト層９０９が形成されている。そして、ｐコンタクト
層９０９上に電極９１０Ａが形成されている。又、ｎ層
９０３上には電極９１０Ｂが形成されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来技術では、製造技術上問題から、サファイア基板９０
０と上層のｎ層９０３、ｎクラッド層９０４との間の応
力が、ｎガイド層９０５を通して活性層９０６に強くか
かる。このため、活性層９０６の発光効率が低下し、レ
ーザ発振の閾値電流が高くなるという問題があった。
【０００６】よって本発明は、弾性定数を低くしたガイ
ド層を有するIII族窒化物系化合物半導体レーザダイオ
ードを提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
め請求項１に記載の手段によれば、III族窒化物系化合
物半導体レーザダイオードにおいて、活性層の基板側
に、窒化インジウム(InN)から成る層を含む多重層から
なるガイド層を有することを特徴とる。
【０００８】また、請求項２に記載の手段によれば、活
性層の基板と反対側にも、窒化インジウム(InN)から成
る層を含む多重層からなるガイド層を有することを特徴
とする。
【０００９】
【作用及び発明の効果】III族窒化物系化合物半導体レ
ーザダイオードにおいて、基板側から積層されるIII族
窒化物系化合物半導体層の、活性層の直前の層を弾性定
数の極めて低い窒化インジウム(InN)から成る層を含ん
だ多重層からなるガイド層を設けることで、全体として
弾性定数を小さいガイド層とすることができる。よっ
て、製造時、使用時の温度変化等による応力の活性層へ
の伝播を抑えることができる（請求項１）。インジウム
を含まないIII族窒化物系化合物半導体としてはAlxGa
1-xN(0≦x≦1)の組成のものが考えられる。窒化インジ
ウム(InN)から成る層を含んだ多重層からなるガイド層
を活性層の基板とは反対側に設ければ更に効果は大きく
なる（請求項２）。発光層の設計上紫外レーザダイオー
ドに特に有用である。
【００１０】
【発明の実施の形態】以下、本発明を具体的な実施例に
基づいて説明する。なお、本発明は下記実施例に限定さ
れるものではない。
【００１１】図１は、本発明の具体的な実施例に係るレ
ーザダイオード１００の構成を示した断面図である。レ
ーザダイオード１００は、サファイア基板１０１を有し
ており、そのサファイア基板１０１上に50nmのAlNバッ
ファ層１０２が形成されている。
【００１２】そのバッファ層１０２の上には、順に、膜
厚約5μm、電子密度2×1018/cm3、シリコン(Si)ドープG
aNから成るｎ層１０３が形成されている。ｎ層１０３の
上には膜厚約1μm、電子密度2×1018/cm3、シリコン(S
i)ドープAl0.08Ga0.92Nから成るｎクラッド層１０４が
形成されている。ｎクラッド層１０４の上には、総膜厚
約100nmの多重層から成るｎガイド層１０５が形成され
ている。ｎガイド層１０５は、電子密度2×1018/cm3、
膜厚10nmのシリコン(Si)ドープAl0.01Ga0.99N及び電子
密度2×1018/cm3、膜厚10nmのシリコン(Si)ドープInNの
組を各々5回積層したものである。
【００１３】多重層から成るｎガイド層１０５の上に
は、膜厚約3nmのGa0.85In0.15Nから成る井戸層と膜厚約
5nmのGaNから成るバリア層とが交互に積層された多重量
子井戸構造(MQW)の活性層１０６が形成されている。バ
リア層は３層、井戸層は４層である。多重量子井戸構造
(MQW)の活性層１０６の上には、総膜厚約100nmの多重層
から成るｐガイド層１０７が形成されている。ｐガイド
層１０７は、ホール密度5×1017/cm3、膜厚10nmのマグ
ネシウム(Mg)ドープAl0.01Ga0.99N及びホール密度5×10
17/cm3、膜厚10nmのマグネシウム(Mg)ドープInNの組を
各々5回積層したものである。
【００１４】多重層から成るｐガイド層１０７の上に
は、膜厚約1μmのホール密度5×1017/cm3マグネシウム
(Mg)ドープAl0.08Ga0.92Nから成るｐクラッド層１０８
が形成されている。ｐクラッド層１０８の上には、膜厚
300nm、ホール密度5×1017/cm3、マグネシウム(Mg)ドー
プGaNから成るｐコンタクト層１０９が形成されてい
る。そして、ｐコンタクト層１０９上にNi電極１１０Ａ
が形成されている。又、ｎ層３上にはAlから成る電極１
１０Ｂが形成されている。
【００１５】次に、この構造の発光素子（半導体レー
ザ）の製造方法について説明する。上記発光素子１００
は、有機金属化合物気相成長法（以下「MOVPE」と示
す）による気相成長により製造された。用いられたガス
は、NH3とキャリアガスH2又はN2とトリメチルガリウム
(Ga(CH3)3、以下「TMG」と記す）とトリメチルアルミニ
ウム(Al(CH3)3、以下「TMA」と記す）とトリメチルイン
ジウム(In(CH3)3、以下「TMI」と記す）とシラン(SiH4)
とシクロペンタジエニルマグネシウム(Mg(C5H5)2、以下
「CP2Mg」と記す）である。
【００１６】まず、有機洗浄及び熱処理により洗浄した
ａ面を主面とし、単結晶のサファイア基板１をMOVPE装
置の反応室に載置されたサセプタに装着する。次に、常
圧でH 2を流速２L/minで約30分反応室に流しながら温度1
100℃でサファイア基板１０１をベーキングした。
【００１７】次に、温度を400℃まで低下させて、H2を1
0L/min、NH3を10L/min、TMAを20μmol/minで約90秒間供
給してAlNのバッファ層１０２を約50nmの厚さに形成し
た。次に、サファイア基板１０１の温度を1150℃に保持
し、H2を10L/min、NH3を10L/min、TMGを200μmol/min、
H2ガスにて0.86ppmに希釈されたシラン(SiH4)を100nmol
/minで導入し、膜厚約5μm、電子密度2×1018/cm3、シ
リコン(Si)ドープGaNからなるｎ層３を形成した。
【００１８】上記のｎ層３を形成した後、N2又はH2、NH
3、TMA、TMG及びシラン(SiH4)を供給して、膜厚約1μm
のAl0.08Ga0.92Nから成るｎクラッド層１０４を形成し
た。次にN2又はH2、NH3、TMA、TMG及びシラン(SiH4)を
供給して、膜厚約10nmのAl0.0 1Ga0.99Nから成る層を形
成した。次に、温度を450度まで下げ、N2又はH2、NH3、
TMI及びシラン(SiH4)を供給して、膜厚約10nmのInNから
成る層を形成した。これを同一条件で5周期形成し、総
膜厚約100nmの多重層構造のｎガイド層１０５を形成し
た。
【００１９】次に、N2又はH2、NH3、TMG及びTMIを供給
して、膜厚約3nmのGa0.85In0.15Nから成る井戸層を形成
した。次に、N2又はH2、NH3及びTMGを供給して、膜厚約
5nmのGaNから成るバリア層を形成した。さらに、井戸層
とバリア層とを同一条件で２周期形成し、その上に膜厚
約3nmのGa0.85In0.15Nから成る井戸層を形成した。この
ようにして4周期井戸層を有するMQW構造の活性層１０６
を形成した。
【００２０】次にN2又はH2、NH3、TMA、TMG及びCP2Mgを
供給して、膜厚約10nmのAl0.01Ga0. 99Nから成る層を形
成した。次に、温度を450度まで下げ、N2又はH2、NH3、
TMI及びCP2Mgを供給して、膜厚約10nmのInNから成る層
を形成した。これを同一条件で5周期形成し、総膜厚約1
00nmの多重層構造のｐガイド層１０７を形成した。次
に、N2又はH2、NH3、TMA、TMG及びCP2Mgを供給して、膜
厚約1μmのAl0.08Ga0.92Nから成るｐクラッド層１０８
を形成した。
【００２１】次に、温度を1100℃に保持し、N2又はH2を
10L/min、NH3を10L/min、TMGを100μmol/min、Cp2Mgを2
μmol/minで導入して、マグネシウム(Mg)がドーピング
された、膜厚約300nmのマグネシウム(Mg)ドープのGaNか
らなるｐコンタクト層９を形成した。
【００２２】次に、電子線照射装置を用いて、ｐコンタ
クト層１０９、ｐクラッド層１０８及びｐガイド層１０
７に一様に電子線を照射した。電子線の照射条件は、加
速電圧約10kV、試料電流1μA、ビームの移動速度0.2mm/
s、ビーム径60μmφ、真空度50μTorrである。この電子
線の照射により、ｐコンタクト層９、ｐクラッド層８及
びｐガイド層７はそれぞれ、ホール濃度5×1017/cm3、5
×1017/cm3、5×1017/cm3となった。このようにして多
層構造のウエハを形成することができた。
【００２３】次に、スパッタリングによりSiO2層を形成
し、そのSiO2上にフォトレジストを塗布し、フォトリソ
グラフを行った。次にｎ層１０３に対する電極形成部位
フォトレジストを除去し、フォトレジストによって覆わ
れていないSiO2層をフッ化水素酸系エッチング液で除去
した。
【００２４】次に、フォトレジスト及びSiO2層によって
覆われていない部位のｐコンタクト層１０９、ｐクラッ
ド層１０８、ｐガイド層１０７、活性層１０６、ｎガイ
ド層１０５、ｎクラッド層１０４及びｎ層１０３の一部
を真空度0.04Torr、高周波電力０．４４Ｗ/cm2、BCl3ガ
スを１０ｍｌ／分の割合で供給しドライエッチングし、
その後Arでドライエッチングした。この工程で、ｎ層３
に対する電極取り出しのための領域が形成された。
【００２５】次に、ニッケル(Ni)を蒸着してｐコンタク
ト層１０９の上に電極１１０Ａを形成した。一方、ｎ層
１０３に対しては、アルミニウム(Al)を蒸着して電極１
１０Ｂを形成した。
【００２６】次に、共振器端面を形成するためドライエ
ッチングを行った。その後、スクライビングしてクライ
ブ溝を形成し、共振器の端面に平行なｘ軸方向にダイシ
ンクして、短冊片を得た。このようにして得たレーザダ
イオード１００は、駆動電流は1000ｍＡにて発光出力10
ｍＷ、発振ピーク波長380nmであった。
【００２７】比較のため、従来の構造のレーザダイオー
ド９００を多重層構造の無いガイド層とし、各層の膜厚
は同様にして、次の通り作成した。即ち、レーザダイオ
ード９００のサファイア基板９０１、バッファ層９０
２、ｎ層９０３、ＭＱＷ構造の発光層９０６、ｐコンタ
クト層９０９、電極９１０Ａ及び９１０Ｂの組成又は材
質、膜厚、或いは素子のエッチングその他の処理は上記
のレーザダイオード１００の対応するものと同様であ
る。レーザダイオード９００のｎガイド層９０５は電子
密度2×1018/cm3、膜厚100nmのシリコン(Si)ドープGaN
とした。また、レーザダイオード９００のｐガイド層９
０７はホール密度5×1017/cm3、膜厚100nmのマグネシウ
ム(Mg)ドープGaNとした。このレーザダイオード９００
は発振せずに破壊した。
【００２８】上記実施例では有機金属気相成長法（MOCV
D）により発光素子を製造したが、半導体層を形成する
方法としては、分子線気相成長法（MBE）、ハライド気
相成長法（Halide VPE）、液相成長法（LPE）等を用い
ても良い。
【００２９】上記実施例では発光層がＭＱＷのレーザダ
イオードを一例としてあげたが、発光素子の構造はこれ
に限定されない。発光素子の構造としては、ホモ構造、
ヘテロ構造、ダブルヘテロ構造のものが考えられる。こ
れらは、ｐｉｎ接合或いはｐｎ接合等により形成するこ
ともできる。発光層の構造としては、単一量子井戸構造
（ＳＱＷ）のものであっても良い。
【００３０】III族窒化物系化合物半導体を形成させる
基板としては、サファイアの他、シリコン(Si)、炭化ケ
イ素(SiC)、スピネル(MgAl2O4)、ZnO、MgO、あるいは窒
化ガリウム(GaN)その他のIII族窒化物系化合物半導体等
を用いることができる。サファイア基板上にIII族窒化
物系化合物半導体を結晶性良く形成させるため、サファ
イア基板との格子不整合を是正すべくバッファ層を形成
したが、他の基板を使用する場合もバッファ層を設ける
ことことが望ましい。バッファ層としては、低温で形成
させたIII族窒化物系化合物半導体AlxGayIn1-x-yN（0≦
x≦1, 0≦y≦1,0≦x+y≦1）、より好ましくはAlxGa1-xN
（0≦x≦1）が用いられる。
【００３１】III族窒化物系化合物半導体のIII族元素の
組成の一部は、ボロン(B)、タリウム(Tl)で置き換えて
も、また、窒素(N)の組成一部をリン(P)、ヒ素(As)、ア
ンチモン(Sb)、ビスマス(Bi)で置き換えても本発明を実
質的に適用できる。なお、発光素子として構成する場合
は、本来III族窒化物系化合物半導体の２元系、若しく
は３元系を用いることが望ましい。
【００３２】上記実施例において、ガイド層１０５又は
１０８の多重層構造の各単位層、ＭＱＷ構造の活性層の
井戸層及び障壁層におけるIII族窒化物系化合物半導体
の組成比は各々が一例であって、任意の一般式AlxGayIn
1-x-yN（0≦x≦1, 0≦y≦1,0≦x+y≦1）を用いても良
い。その場合は各層においてアルミニウム組成x、ガリ
ウム組成y、インジウム組成1-x-yが異なっても良い。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の具体的な一実施例にかかるレーザダ
イオード１００の構造を示す断面図。
【図２】 従来のレーザダイオード９００の構造を示す
断面図。
【符号の説明】
１００ レーザダイオード １０１ サファイア基板 １０２ バッファ層 １０３ ｎ層 １０４ ｎクラッド層 １０５ 多重層から成るｎガイド層 １０６ ＭＱＷ構造の発光層 １０７ 多重層から成るｐガイド層 １０８ ｐクラッド層 １０９ ｐコンタクト層 １１０Ａ、１１０Ｂ 金属電極

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 III族窒化物系化合物半導体レーザダイ
    オードにおいて、 活性層の基板側に、窒化インジウム(InN)から成る層を
    含む多重層からなるガイド層を有することを特徴とする
    III族窒化物系化合物半導体レーザダイオード。
  2. 【請求項２】 前記活性層の前記基板と反対側にも、窒
    化インジウム(InN)から成る層を含む多重層からなるガ
    イド層を有することを特徴とする請求項１に記載のIII
    族窒化物系化合物半導体レーザダイオード。
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