【発明の名称】窒化物半導体素子
【特許請求の範囲】
【請求項１】窒化物半導体と格子不整合する基板と、窒化物半導体よりなる第１の層と、負電極が形成される窒化物半導体よりなる第２の層とを順に少なくとも有する窒化物半導体素子において、
前記窒化物半導体よりなる第１の層は、ｎ型不純物がドープされていないか、もしくはｎ型不純物の濃度が前記窒化物半導体よりなる第２の層より小さく且つ膜厚が０．１μｍ以上であると共に、
前記窒化物半導体よりなる第２の層は、ｎ型不純物が１×１０１７／ｃｍ３〜１×１０２１／ｃｍ３ドープされ且つ膜厚が０．２μｍ以上４μｍ以下である
ことを特徴とする窒化物半導体素子。
【請求項２】窒化物半導体と格子不整合する基板と、窒化物半導体よりなる第１の層と、負電極が形成される窒化物半導体よりなる第２の層とを順に少なくとも有する窒化物半導体素子において、
前記窒化物半導体よりなる第１の層は、ｎ型不純物がドープされ、前記窒化物半導体よりなる第２の層よりｎ型不純物の濃度が小さく且つ膜厚が０．１μｍ以上であると共に、
前記窒化物半導体よりなる第２の層は、ｎ型不純物がドープされ且つ膜厚が０．２μｍ以上４μｍ以下である
ことを特徴とする窒化物半導体素子。
【請求項３】前記格子不整合する基板と窒化物半導体よりなる第１の層との間に、基板と窒化物半導体との格子不整合を緩和するバッファ層を有する請求項１または２に記載の窒化物半導体素子。
【請求項４】前記窒化物半導体よりなる第１の層は前記窒化物半導体よりなる第２の層よりも厚い請求項１乃至３のいずれかに記載の窒化物半導体素子。
【請求項５】前記窒化物半導体よりなる第１の層、及び前記窒化物半導体よりなる第２の層の内の少なくとも一方の層は、膜厚１００オングストローム以下の互いに組成が異なる窒化物半導体層が積層された超格子層よりなる請求項１乃至４のいずれかに記載の窒化物半導体素子。
【請求項６】前記窒化物半導体よりなる第２の層上に、ｐ型不純物がドープされた窒化物半導体よりなり、膜厚が５００オングストローム以下のｐ側コンタクト層を有し、該ｐ側コンタクト層に正電極が形成された請求項１乃至５のいずれかに記載の窒化物半導体素子。
【請求項７】前記窒化物半導体よりなる第２の層上で、且つ前記ｐ側コンタクト層より下に、該ｐ側コンタクト層と不純物濃度が実質的に同じｐ側クラッド層を有する請求項６に記載の窒化物半導体素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明はＬＥＤ（発光ダイオード）、ＬＤ（レーザダイオード）等の発光素子、あるいは太陽電池、光センサー等の受光素子、あるいはトランジスタ、集積回路等に使用される窒化物半導体（ＩｎXＡｌYＧａ1-X-YＮ、０≦X、０≦Y、X＋Y≦１）素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
窒化物半導体は高輝度青色ＬＥＤ、純緑色ＬＥＤの材料として、フルカラーＬＥＤディスプレイ、交通信号等で最近実用化されたばかりである。これらの各種デバイスに使用されるＬＥＤは、ｎ型窒化物半導体層とｐ型窒化物半導体層との間に、単一量子井戸構造（ＳＱＷ：Single-Quantum- Well）のＩｎＧａＮよりなる活性層を有するダブルへテロ構造を有している。青色、緑色等の波長はＩｎＧａＮ活性層のＩｎ組成比を増減することで決定されている。
【０００３】
また、本出願人は、最近この材料を用いてパルス電流において、室温での４１０ｎｍのレーザ発振を発表した（例えば、Jpn.J.Appl.Phys. Vol35 (1996) L74-76）。このレーザ素子はパルス電流（パルス幅２μｓ、パルス周期２ｍｓ）、閾値電流６１０ｍＡ、閾値電流密度８．７ｋＡ／cm2、閾値電圧２１Ｖにおいて４１０ｎｍのレーザ発振を示す。
【０００４】
例えば、ＩｎＧａＮを活性層とするダブルへテロ構造のＬＥＤ素子では、活性層はＡｌＧａＮよりなるｎ型、ｐ型のクラッド層と、ＧａＮよりなるｎ型、ｐ型のコンタクト層とで挟まれている（例えば、特開平８−８３９２９号参照）。ｎ型コンタクト層、ｎ側クラッド層等のｎ型層には、Ｓｉ、Ｇｅ等のｎ型不純物がドープされ、ｐ側コンタクト層、ｐ側クラッド層等のｐ型層には、Ｍｇ、Ｚｎ等のｐ型不純物がドープされている。通常このような構造の場合、ｎ電極が形成されるｎ型コンタクト層およびｐ電極が形成されるｐ側コンタクト層のキャリア濃度は、それぞれのコンタクト層が接するクラッド層と同一か、若しくは高キャリア濃度とされる。つまり基板から順に、高キャリア濃度のｎ＋層、次に低キャリア濃度のｎ−層、活性層、低キャリア濃度のｐ−層、高キャリア濃度のｐ＋層の順に積層されるのが通常であった。（ダブルへテロ構造ではないが、例えば特開平６−１５１９６３号、特開平６−１５１９６４号参照）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
確かに、電極と接触するコンタクト層のキャリア濃度が大きくなると、電極材料との接触抵抗が小さくなって、良好なオーミック性が得られやすい。電極とコンタクト層とのオーミック性が良くなると、ＬＥＤではＶｆ（順方向電圧）、ＬＤでは閾値電流が低下しやすくなる。しかしながら、窒化物半導体は結晶欠陥の多い材料であり、このような材料に高キャリア濃度を得るために、高濃度にｎ型不純物、ｐ型不純物をドープすると、結晶性が悪くなって素子自体の出力が低下しやすい傾向にある。
【０００６】
従って本発明はこのような事情を鑑みて成されたものであって、その目的とするところは、さらに結晶性が良く、高出力、高効率の窒化物半導体よりなる素子を提供することにあり、具体的には低閾値電流で連続発振するレーザ素子、及び高効率なＬＥＤ素子を実現することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
我々はＬＤ、ＬＥＤ等の窒化物半導体素子について、まず、基板の上に成長させるｎ型層を改良することにより、前記課題が解決できることを新規に見いだし、本発明を成すに至った。即ち本発明の窒化物半導体素子は２種類の態様よりなり、その第１の態様は、窒化物半導体と格子不整合する基板と、窒化物半導体よりなる第１の層と、負電極が形成される窒化物半導体よりなる第２の層とを順に少なくとも有する窒化物半導体素子において、前記窒化物半導体よりなる第１の層は、ｎ型不純物がドープされていないか、もしくはｎ型不純物の濃度が前記窒化物半導体よりなる第２の層より小さく且つ膜厚が０．１μｍ以上であると共に、前記窒化物半導体よりなる第２の層は、ｎ型不純物が１×１０１７／ｃｍ３〜１×１０２１／ｃｍ３ドープされ且つ膜厚が０．２μｍ以上４μｍ以下であることを特徴とする。
【０００８】
第２の態様は、窒化物半導体と格子不整合する基板と、窒化物半導体よりなる第１の層と、負電極が形成される窒化物半導体よりなる第２の層とを順に少なくとも有する窒化物半導体素子において、前記窒化物半導体よりなる第１の層は、ｎ型不純物がドープされ、前記窒化物半導体よりなる第２の層よりｎ型不純物の濃度が小さく且つ膜厚が０．１μｍ以上であると共に、前記窒化物半導体よりなる第２の層は、ｎ型不純物がドープされ且つ膜厚が０．２μｍ以上４μｍ以下であることを特徴とする。
また請求項１、２において、格子不整合する基板と窒化物半導体よりなる第１の層との間に、基板と窒化物半導体との格子不整合を緩和するバッファ層を有する。さたに窒化物半導体よりなる第１の層は前記窒化物半導体よりなる第２の層よりも厚い。また窒化物半導体よりなる第１の層、及び前記窒化物半導体よりなる第２の層の内の少なくとも一方の層は、膜厚１００オングストローム以下の互いに組成が異なる窒化物半導体層が積層された超格子層よりなる。
【０００９】
また、請求項１、２において、さらに窒化物半導体よりなる第２の層上に、ｐ型不純物がドープされた窒化物半導体よりなり、膜厚が５００オングストローム以下のｐ側コンタクト層を有し、該ｐ側コンタクト層に正電極が形成されている。また窒化物半導体よりなる第２の層上で、且つ前記ｐ側コンタクト層より下に、該ｐ側コンタクト層と不純物濃度が実質的に同じｐ側クラッド層を有する。
【００１０】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の窒化物半導体素子の一構造を示す模式的な断面図であり、具体的にはＬＥＤ素子の構造を示している。基本的な構造としては、例えばサファイアよりなる基板１０の上に、例えばノンドープＧａＮよりなる低温成長バッファ層１１、例えばノンドープＧａＮよりなる低キャリア濃度の第１の層１２、例えばＳｉドープＧａＮよりなる高キャリア濃度の第２の層１３、例えば単一量子井戸構造のＩｎＧａＮよりなる活性層１４、例えばＭｇドープＡｌＧａＮよりなるｐ側クラッド層１５、例えばＭｇドープＧａＮよりなるｐ側コンタクト層１６が順に積層された構造を有している。最上層のｐ側コンタクト層１６のほぼ全面には透光性の正電極１７（以下、正電極をｐ電極という。）が形成され、そのｐ電極１７の表面にはボンディング用のパッド電極１８が形成されている。本発明の素子においてｎ電極１９は、ｎ型不純物濃度が小さいか、あるいはｎ型不純物がドープされていない第１の層１２の上に成長された、ｎ型不純物が多くドープされた、キャリア濃度の大きい第２の層１３の表面に形成される。つまり、第２の層１３が電流注入層としてのｎ側コンタクト層として作用する。
【００１１】
一方、不純物濃度が小さい第１の層１２は、負電極が形成されるコンタクト層としてではなく、コンタクト層として作用する第２の層を成長させるための基礎層として作用している。従来のように電流注入層となるｎ側コンタクト層を数μｍ以上の膜厚で、高キャリア濃度の単一の窒化物半導体層で構成しようとすると、ｎ型不純物濃度の大きい層を成長させる必要がある。不純物濃度の大きい厚膜の層は結晶性が悪くなる傾向にある。このため結晶性の悪い層の上に、活性層等の他の窒化物半導体を成長させても、結晶欠陥を他の層が引き継ぐことになって結晶性の向上が望めない。そこで本発明では、まずコンタクト層とすべき第２の層を成長させる前に、不純物濃度が小さい、結晶性の良い第１の層を成長させることにより、キャリア濃度が大きく結晶性の良い第２の層を成長させるのである。一般にｎ型不純物が含まれていないか、あるいはｎ型不純物濃度が小さい第１の層のキャリア濃度は、第２の層よりも小さい傾向にある。
【００１２】
本発明において、第１の層、第２の層にドープされるｎ型不純物としては、例えばＳｉ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｃ、Ｔｉのように周期律表第ＩＶ族元素を挙げることができ、その中でもＳｉ、Ｇｅは窒化物半導体にドープしてキャリア濃度、抵抗率等を調整するのに常用される。また窒化物半導体層の場合は半導体層中にできる窒素空孔のためにノンドープ（不純物をドープしない状態）でもｎ型を示す傾向にあるが、結晶性が良くなるとキャリア濃度の小さい高抵抗な層となる可能性もある。そのため本発明の第１の層の導電型は規定しない。
【００１３】
第１の層のｎ型不純物濃度は、第２の層よりも小さければ良いが、最も好ましくはｎ型不純物をドープしない状態（以下ノンドープという。）が望ましい。ノンドープのものが最も結晶性が良い窒化物半導体が得られるからである。本発明の場合、むしろ第２の層の不純物濃度の方が重要であり、その範囲は１×１０17／cm3〜１×１０21／cm3の範囲、さらに好ましくは、１×１０18／cm3〜１×１０19／cm3に調整することが望ましい。１×１０17／cm3よりも小さいとｎ電極の材料と好ましいオーミックが得られにくくなるので、レーザ素子では閾値電流、電圧の低下が望めず、１×１０21／cm3よりも大きいと、素子自体のリーク電流が多くなったり、また結晶性も悪くなるため、素子の寿命が短くなる傾向にある。
【００１４】
第１の層にｎ型不純物をドープする場合には第２の層よりも不純物量を少なくすることによりキャリア濃度の小さい層を形成できる。また、活性化率の小さい（つまり不純物をドープしてもキャリア濃度があまり大きくならない）ｎ型不純物をドープしても良い。しかし、本発明では不純物をドープしないで第１の層を形成する方が結晶性の良いものが得られるため、好ましくはノンドープの状態で第１の層を形成することが望ましい。
【００１５】
ここで、バッファ層１１について説明する。バッファ層１１は、通常０．１μｍ未満の膜厚で第１の層を成長させる前に、第１の層の成長温度よりも低温で成長される窒化物半導体層である。具体的にはノンドープのＧａＮ、ＡｌＮ、ＡｌＧａＮ層が挙げられる。この層は第１の層の結晶性を良くするために成長される層であり、また基板の上にバッファ層を成長させると、基板と窒化物半導体との格子不整合を緩和する作用がある。このバッファ層は通常、多結晶を含む層であるため、キャリア濃度を測定することはほとんど不可能であるか、仮に測定できたとしても、例えば１×１０21／cm3以上と非常に大きく、移動度が非常に小さい層である。従って、本発明では基板の上、若しくは第１の層を成長させる前に単一の組成で成長される膜厚０．１μｍ未満の低温成長バッファ層は、本発明の第１の層には含まれない。またバッファ層は、基板と第１の層と第２の層とは必ずしも接して形成されていることを示すものではなく、基板と第１の層、若しくは第１の層と第２の層との間に、バッファ層等の他の窒化物半導体層が挿入されていても、本発明の範囲内である。
【００１６】
さらに、第１の層、及び第２の層の内の少なくとも一方の層を、膜厚１００オングストローム以下の互いに組成が異なる窒化物半導体層が積層された歪み超格子層とすることもできる。超格子層とすると、この層が超格子構造となって窒化物半導体層の結晶性が飛躍的に良くなり、閾値電流が低下する。つまり、超格子層を構成する各窒化物半導体層の膜厚を１００オングストローム以下として、弾性歪み限界以下の膜厚としている。このように超格子層を構成する窒化物半導体層の膜厚を弾性歪み限界以下の膜厚とすると、結晶中に微細なクラック、結晶欠陥が入りにくくなり、結晶性の良い窒化物半導体を成長できる。そのため、この超格子層の上に他の窒化物半導体層を成長させても、超格子層が結晶性が良いために他の窒化物半導体層の結晶性も良くなる。従って全体の窒化物半導体に結晶欠陥が少なくなって結晶性が向上するので、閾値電流が低下して、レーザ素子の寿命が向上する。
【００１７】
超格子層を構成する窒化物半導体層は互いに組成が異なる窒化物半導体で構成されていれば良く、バンドギャップエネルギーが異なっていても、同一でもかまわない。例えば超格子層を構成する最初の層（Ａ層）をＩｎXＧａ1-XＮ（０≦X≦１）で構成し、次の層（Ｂ層）をＡｌYＧａ1-YＮ（０＜Y≦１）で構成すると、Ｂ層のバンドギャップエネルギーが必ずＡ層よりも大きくなるが、Ａ層をＩｎXＧａ1-XＮ（０≦X≦１）で構成し、Ｂ層をＩｎZＡｌ1-ZＮ（０＜Z≦１）で構成すれば、Ａ層とＢ層とは組成が異なるが、バンドギャップエネルギーが同一の場合もあり得る。またＡ層をＡｌYＧａ1-YＮ（０≦Y≦１）で構成し、Ｂ層をＩｎZＡｌ1-ZＮ（０＜Z≦１）で構成すれば、同様に第１の層と第２の層とは組成が異なるがバンドギャップエネルギーが同一の場合もあり得る。本発明の超格子層はこのような組成が異なってバンドギャップエネルギーが同じ構成でも良い。
【００１８】
好ましくは超格子層を構成するＡ層、Ｂ層の窒化物半導体はバンドギャップエネルギーが異なるものを積層することが望ましく、超格子層を構成する窒化物半導体の平均バンドギャップエネルギーを活性層よりも大きくするように調整することが望ましい。好ましくは一方の層をＩｎXＧａ1-XＮ（０≦X≦１）とし、もう一方の層をＡｌYＧａ1-YＮ（０≦Y≦１、X≠Y＝０）で構成することにより、結晶性のよい超格子層を形成することができる。また、ＡｌＧａＮは結晶成長中にクラックが入りやすい性質を有している。そこで、超格子層を構成するＡ層を膜厚１００オングストローム以下のＡｌを含まない窒化物半導体層とすると、Ａｌを含む窒化物半導体よりなるもう一方のＢ層を成長させる際のバッファ層として作用し、Ｂ層にクラックが入りにくくなる。そのため超格子層を積層してもクラックのない超格子を形成できるので、結晶性が良くなり、素子の寿命が向上する。これもまた一方の層をＩｎXＧａ1-XＮ（０≦X≦１）とし、もう一方の層をＡｌYＧａ1-YＮ（０≦Y≦１、X≠Y＝０）とした場合の利点である。
【００１９】
超格子層を構成する各窒化物半導体層の膜厚は１００オングストローム以下、さらに好ましくは７０オングストローム以下、最も好ましくは１０オングストローム以上、４０オングストローム以下の範囲に調整する。１００オングストロームよりも厚いと弾性歪み限界以上の膜厚となり、膜中に微少なクラック、あるいは結晶欠陥が入りやすい傾向にある。井戸層、障壁層の膜厚の下限は特に限定せず１原子層以上であればよいが１０オングストローム以上に調整することが望ましい。但し、膜厚の厚い第１の層を超格子層で構成する場合には７０オングストローム以下、膜厚が薄く、ｎ型不純物が含まれる第２の層を超格子層とする場合には４０オングストローム以下にすることが望ましい。窒化物半導体層の膜厚を薄くすることにより、弾性歪み限界以下の膜厚となるため、窒化物半導体層の結晶欠陥、クラックが少なくなって結晶性が飛躍的に向上することにより、素子寿命が長くなり、信頼性の高い素子を実現できる。
【００２０】
超格子層を構成する窒化物半導体層のバンドギャップエネルギーが互いに異なる場合、ｎ型不純物はバンドギャップエネルギーの大きな方の層に多くドープするか、またはバンドギャップエネルギーの小さな方をノンドープとして、バンドギャップエネルギーの大きな方にｎ型不純物をドープする方が、閾値電圧、閾値電流が低下しやすい傾向にある。
【００２１】
重要なことに、第２の層よりも第１の層を厚く成長させ、第１の層は０．１μｍ以上、さらに好ましくは０．５μｍ以上、最も好ましくは１μｍ以上、２０μｍ以下に調整することが望ましい。第１の層が０．１μｍよりも薄いと、不純物濃度の大きい第２の層を厚く成長させなければならず、コンタクト層としての第２の層の結晶性の向上があまり望めない傾向にある。また２０μｍよりも厚いと、第１の層自体に結晶欠陥が多くなりやすい傾向にある。また第１の層を厚く成長させる利点として、放熱性の向上が挙げられる。つまりレーザ素子を作製した場合に、第１の層で熱が広がりやすくレーザ素子の寿命が向上する。さらにレーザ光の漏れ光が第１の層内で広がって、楕円形に近いレーザ光が得やすくなる。
【００２２】
一方、第２の層は０．２μｍ以上、４μｍ以下に調整することが望ましい。０．２よりも薄いと、後で負電極を形成する際に、第２の層を露出させるようにエッチングレートを制御するのが難しく、一方、４μｍ以上にすると不純物の影響で結晶性が悪くなる傾向にある。これは、第１の層、第２の層を超格子層で構成する場合も同様である。超格子層で第１の層、第２の層を構成する場合には、それぞれの超格子層全体の層の膜厚を指すことは言うまでもない。第１の層を超格子で２０μｍ以上積むことは、非常に手間がかかり製造工程上不向きである。但し、第２の層を超格子層で形成する場合では４μｍ以上の膜厚で形成しても良いが、第１の層と同様に厚膜で成長させると非常に手間が係る。
【００２３】
【実施例】
以下実施例において本発明を詳説する。図２は本発明の一実施例のレーザ素子の構造を示す模式的な断面図であり、レーザ光の共振方向に垂直な方向で素子を切断した際の構造を示すものである。以下この図面を元に本発明の素子を説明する。なお、本明細書において示す一般式ＩｎXＡｌYＧａ1-X-YＮは単に窒化物半導体の組成比を示すものであって、例えば異なる層が同一の一般式で示されていても、それらの層のX値、Y値等が一致しているものではない。
【００２４】
［実施例１］
サファイア（Ｃ面）よりなる基板２０を反応容器内にセットし、容器内を水素で十分置換した後、水素を流しながら、基板の温度を１０５０℃まで上昇させ、基板のクリーニングを行う。基板２０にはサファイアＣ面の他、Ｒ面、Ａ面を主面とするサファイア、その他、スピネル（ＭｇＡ１ 2Ｏ4）のような絶縁性の基板の他、ＳｉＣ（６Ｈ、４Ｈ、３Ｃを含む）、ＺｎＳ、ＺｎＯ、ＧａＡｓ、ＧａＮ等の半導体基板を用いることができる。
【００２５】
（バッファ層２１）
続いて、温度を５１０℃まで下げ、キャリアガスに水素、原料ガスにアンモニアとＴＭＧ（トリメチルガリウム）とを用い、基板１上にＧａＮよりなるバッファ層２を約２００オングストロームの膜厚で成長させる。バッファ層２０、ＡｌＮ、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ等が、９００℃以下の温度で、０．１μｍ未満、好ましくは数十オングストローム〜数百オングストロームで形成できる。このバッファ層は基板と窒化物半導体との格子定数不正を緩和するために形成されるが、窒化物半導体の成長方法、基板の種類等によっては省略することも可能である。
【００２６】
（第１の層２２）
バッファ層２０成長後、ＴＭＧのみ止めて、温度を１０５０℃まで上昇させる。１０５０℃になったら、同じく原料ガスにＴＭＧ、アンモニアガスを用い、キャリア濃度１×１０18／cm3のノンドープＧａＮよりなる第１の層２２を５μｍの膜厚で成長させる。第１の層はＩｎXＡｌYＧａ1-X-YＮ（０≦X、０≦Y、X＋Y≦１）で構成でき、その組成は特に問うものではない。
【００２７】
（第２の層２３）
続いて、１０５０℃でＴＭＧ、アンモニア、不純物ガスにシランガスを用い、Ｓｉを１×１０19／cm3ドープしたｎ型ＧａＮよりなる第２の層２３を１μｍの膜厚で成長させる。この第２の層２３のキャリア濃度はドープ量と同じ１×１０19／cm3であった。特にＳｉのような活性化率の高いｎ型不純物はドープした不純物量とほぼ同じだけのキャリア濃度が得られるため、以下の説明においてＳｉがドープされたｎ型窒化物半導体はＳｉのドープ量でもって、キャリア濃度が示されているものとする。第２の層の組成もＩｎXＡｌYＧａ1-X-YＮ（０≦X、０≦Y、X＋Y≦１）で構成でき、その組成は特に問うものではなく、第１の層２２、第２の層２３を異なる組成の窒化物半導体で構成しても良い。
【００２８】
（クラック防止層２４）
次に、温度を８００℃にして、原料ガスにＴＭＧ、ＴＭＩ（トリメチルインジウム）、アンモニア、シランガスを用い、Ｓｉを１×１０19／cm3ドープしたＩｎ0.1Ｇａ0.9Ｎよりなるクラック防止層２４を５００オングストロームの膜厚で成長させる。このクラック防止層１０はＩｎを含むｎ型の窒化物半導体、好ましくはＩｎＧａＮで成長させることにより、Ａｌを含む窒化物半導体層中にクラックが入るのを防止することができる。なおこのクラック防止層は１００オングストローム以上、０．５μｍ以下の膜厚で成長させることが好ましい。１００オングストロームよりも薄いと前記のようにクラック防止として作用しにくく、０．５μｍよりも厚いと、結晶自体が黒変する傾向にある。なお、このクラック防止層２４は成長方法、成長装置等の条件によっては省略することもでき、特に第２の層２３を超格子構造とした場合には省略できる。
【００２９】
（ｎ側クラッド層２５）
次に温度を１０５０℃にして、原料ガスにＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）、ＴＭＧ、ＮＨ3、ＳｉＨ4を用い、Ｓｉを１×１０19／cm3ドープしたｎ型Ａｌ0.25Ｇａ0.75Ｎよりなるｎ側クラッド層２５を０．５μｍの膜厚で成長させる。このｎ側クラッド層２５はキャリア閉じ込め層、及び光閉じ込め層として作用し、Ａｌを含む窒化物半導体、好ましくはＡｌＧａＮを成長させることが望ましく、１００オングストローム以上、２μｍ以下、さらに好ましくは５００オングストローム以上、１μｍ以下で成長させることにより、結晶性の良いクラッド層が形成できる。
【００３０】
（ｎ側光ガイド層２６）
続いて、１０５０℃でＳｉを１×１０19／cm3ドープしたｎ型ＧａＮよりなるｎ側光ガイド層２６を０．２μｍの膜厚で成長させる。このｎ側光ガイド層２６は、活性層の光ガイド層として作用し、ＧａＮ、ＩｎＧａＮを成長させることが望ましく、通常１００オングストローム〜５μｍ、さらに好ましくは２００オングストローム〜１μｍの膜厚で成長させることが望ましい。このｎ側の光ガイド層はノンドープでも良い。
【００３１】
（活性層２７）
次に、原料ガスにＴＭＧ、ＴＭＩ、アンモニア、シランガスを用いて活性層２７を成長させる。活性層２７は温度を８００℃に保持して、まずＳｉを８×１０18／cm3でドープしたＩｎ0.2Ｇａ0.8Ｎよりなる井戸層を２５オングストロームの膜厚で成長させる。次にＴＭＩのモル比を変化させるのみで同一温度で、Ｓｉを８×１０18／cm3ドープしたＩｎ0.01Ｇａ0.95Ｎよりなる障壁層を５０オングストロームの膜厚で成長させる。この操作を２回繰り返し、最後に井戸層を積層した多重量子井戸構造とする。活性層にドープする不純物は本実施例のように井戸層、障壁層両方にドープしても良く、いずれか一方にドープしてもよい。なおｎ型不純物をドープすると閾値が低下する傾向にある。
【００３２】
（ｐ側キャップ層２８）
次に、温度を１０５０℃に上げ、ＴＭＧ、ＴＭＡ、アンモニア、Ｃｐ2Ｍｇ（シクロペンタジエニルマグネシウム）を用い、活性層よりもバンドギャップエネルギーが大きい、Ｍｇを１×１０20／cm3ドープしたＡｌ0.1Ｇａ0.9Ｎよりなるｐ側キャップ層２８を３００オングストロームの膜厚で成長させる。このｐ側キャップ層２８は好ましくはｐ型とするが、膜厚が薄いため、ｎ型不純物をドープしてキャリアが補償されたｉ型としても良い。ｐ側キャップ層２８の膜厚は０．１μｍ以下、さらに好ましくは５００オングストローム以下、最も好ましくは３００オングストローム以下に調整する。０．１μｍより厚い膜厚で成長させると、ｐ側キャップ層２８中にクラックが入りやすくなり、結晶性の良い窒化物半導体層が成長しにくいからである。またキャリアがこのエネルギーバリアをトンネル効果により通過できなくなる。Ａｌの組成比が大きいＡｌＧａＮ程薄く形成するとＬＤ素子は発振しやすくなる。例えば、Y値が０．２以上のＡｌYＧａ1-YＮであれば５００オングストローム以下に調整することが望ましい。ｐ側キャップ層２８の膜厚の下限は特に限定しないが、１０オングストローム以上の膜厚で形成することが望ましい。
【００３３】
（ｐ側光ガイド層２９）
続いて、１０５０℃で、Ｍｇを１×１０20／cm3ドープしたＧａＮよりなるｐ側光ガイド層２６を０．２μｍの膜厚で成長させる。このｐ側光ガイド層２９は、ｎ側光ガイド層２６と同じく、活性層の光ガイド層として作用し、ＧａＮ、ＩｎＧａＮを成長させることが望ましく、通常１００オングストローム〜５μｍ、さらに好ましくは２００オングストローム〜１μｍの膜厚で成長させることが望ましい。なおこのｐ側光ガイド層は、ｐ型不純物をドープしたが、ノンドープの窒化物半導体で構成することもできる。
【００３４】
（ｐ側クラッド層３０）
続いて１０５０℃で、Ｍｇを１×１０20／cm3ドープしたＡｌ0.25Ｇａ0.75Ｎよりなるｐ側クラッド層３０を０．５μｍの膜厚で成長させる。この層はｎ側クラッド層２５と同じく、キャリア閉じ込め層、及び光閉じ込め層として作用し、Ａｌを含む窒化物半導体、好ましくはＡｌＧａＮを成長させることが望ましく、１００オングストローム以上、２μｍ以下、さらに好ましくは５００オングストローム以上、１μｍ以下で成長させると結晶性の良いクラッド層が成長できる。
【００３５】
本実施例のように量子構造の井戸層を有する活性層を有するダブルへテロ構造の半導体素子の場合、その活性層２７に接して、活性層よりもバンドギャップエネルギーが大きい膜厚０．１μｍ以下の窒化物半導体よりなるキャップ層、好ましくはＡｌを含む窒化物半導体よりなるｐ側キャップ層２８を設け、そのｐ側キャップ層２８よりも活性層から離れた位置に、ｐ側キャップ層２８よりもバンドギャップエネルギーが小さいｐ側光ガイド層２９を設け、そのｐ側光ガイド層２９よりも活性層から離れた位置に、ｐ側光ガイド層２９よりもバンドギャップが大きい窒化物半導体、好ましくはＡｌを含む窒化物半導体よりなるｐ側クラッド層３０を設けることは非常に好ましい。しかもｐ側キャップ層２８の膜厚を０．１μｍ以下と薄く設定してあるため、キャリアのバリアとして作用することはなく、ｐ層から注入された正孔が、トンネル効果によりキャップ層２８を通り抜けることができて、活性層で効率よく再結合し、ＬＤの出力が向上する。つまり、注入されたキャリアは、キャップ層２８のバンドギャップエネルギーが大きいため、半導体素子の温度が上昇しても、あるいは注入電流密度が増えても、キャリアは活性層をオーバーフローせず、キャップ層２８で阻止されるため、キャリアが活性層に貯まり、効率よく発光することが可能となる。
【００３６】
（ｐ側コンタクト層３１）
最後に、ｐ側クラッド層３０の上に、１０５０℃でＭｇを２×１０20／cm3ドープしたＧａＮよりなるｐ側コンタクト層３１を１５０オングストロームの膜厚で成長させる。ｐ側コンタクト層３１はｐ型のＩｎXＡｌYＧａ1-X-YＮ（０≦X、０≦Y、X＋Y≦１）で構成することができ、好ましくはＭｇをドープしたＧａＮとすれば、ｐ電極３２と最も好ましいオーミック接触が得られる。なお、ｐ側コンタクト層と好ましいオーミックが得られるｐ電極３２の材料としては、例えばＮｉ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｎｉ／Ａｕ等を挙げることができる。さらに、ｐ側コンタクト層３１の膜厚は５００オングストローム以下、さらに好ましくは３００オングストローム以下、最も好ましくは２００オングストローム以下に調整することが望ましい。なぜなら、抵抗率が高いｐ型窒化物半導体層の膜厚を５００オングストローム以下に調整することにより、さらに抵抗率が低下するため、閾値での電流、電圧が低下する。またｐ型層から除去される水素が多くなって抵抗率が低下しやすい傾向にある。さらに、このコンタクト層３１を薄くする効果には、次のようなことがある。例えば、ｐ型ＡｌＧａＮよりなるｐ側クラッド層に、膜厚が５００オングストロームより厚いｐ型ＧａＮよりなるｐ側コンタクト層が接して形成されており、仮にクラッド層とコンタクト層の不純物濃度が同じで、キャリア濃度が同じである場合、ｐ側コンタクト層の膜厚を５００オングストロームよりも薄くすると、クラッド層側のキャリアがコンタクト層側に移動しやすくなって、ｐ側コンタクト層のキャリア濃度が高くなる傾向にある。そのためキャリア濃度の高いコンタクト層に電極を形成すると良好なオーミックが得られる。
【００３７】
反応終了後、温度を室温まで下げ、さらに窒素雰囲気中、ウェーハを反応容器内において、７００℃でアニーリングを行い、ｐ型不純物がドープされた層をさらに低抵抗化する。
【００３８】
アニーリング後、ウェーハを反応容器から取り出し、図２に示すように、ＲＩＥ装置で最上層のｐ側コンタクト層３１と、ｐ側クラッド層３０とをエッチングして、４μｍのストライプ幅を有するリッジ形状とする。特に活性層よりも上にあるＡｌを含む窒化物半導体層以上の層をリッジ形状とすることにより、活性層の発光がリッジ下部に集中して、横モードが単一化しやすく、閾値が低下しやすい。リッジ形成後、リッジ表面にマスクを形成し、図２に示すように、ストライプ状のリッジに対して左右対称にして、ｎ電極３３を形成すべき第２の層２３の表面を露出させる。ｎ電極３３の材料としてはＡｌ、Ｔｉ、Ｗ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｓｎ、Ｉｎ等の金属若しくは合金が好ましいオーミックが得られる。
【００３９】
次にｐ側コンタクト層３１の表面にＮｉとＡｕよりなるｐ電極３２をストライプ状に形成する。一方、ＴｉとＡｌよりなるｎ電極３３をストライプ状の第２の層２３のほぼ全面に形成する。なおほぼ全面とは８０％以上の面積をいう。このようにｐ電極３２に対して左右対称に第２の層２３を露出させて、その第２の層２３のほぼ全面にｎ電極を設けることも、閾値を低下させる上で非常に有利である。
【００４０】
以上のようにして、ｎ電極とｐ電極とを形成したウェーハを研磨装置に移送し、ダイヤモンド研磨剤を用いて、窒化物半導体を形成していない側のサファイア基板２０をラッピングし、基板の厚さを５０μｍとする。ラッピング後、さらに細かい研磨剤で１μｍポリシングして基板表面を鏡面状とする。
【００４１】
基板研磨後、研磨面側をスクライブして、ストライプ状の電極に垂直な方向でバー状に劈開し、劈開面に共振器を作製する。共振器面にＳｉＯ2とＴｉＯ2よりなる誘電体超格子を形成し、最後にｐ電極３２に平行な方向で、バーを切断してレーザチップとした。次にチップをフェースアップ（基板とヒートシンクとが対向した状態）でヒートシンクに設置し、それぞれの電極をボンディングして、室温でレーザ発振を試みたところ、室温において、閾値電流密度３．０ｋＡ／cm2、閾値電圧４．５Ｖで、発振波長４０５ｎｍの連続発振が確認され、３０時間以上の寿命を示した。
【００４２】
［実施例２］
実施例１において、第２の層２３成長時に、Ｓｉを１×１０19／cm3ドープしたＡｌ0.1Ｇａ0.9Ｎよりなる層を２０オングストローム成長させ、続いてＳｉを同量でドープしたｎ型ＧａＮよりなる層を２０オングストローム成長させる。そして、この操作をそれぞれ２００回繰り返し、キャリア濃度１×１０19／cm3の総膜厚０．８μｍの超格子層よりなる第２の層２３を形成する。
【００４３】
次に、クラック防止層２４を成長させずに、実施例１と同様にして第２の層２３の上に直接ｎ側クラッド層２５を成長させ、後は同様にして図２のレーザ素子の構造となるように窒化物半導体を積層する。
【００４４】
成長後、リッジを形成した後、第２の層２３の表面をエッチングして露出させる。なお第２の層２３の表面にはＳｉドープＧａＮよりなる井戸層が露出した。後は実施例１と同様にして電極を形成してレーザ素子としたところ、室温において、閾値電流密度２．８ｋＡ／cm2、閾値電圧４．３Ｖで、発振波長４０５ｎｍの連続発振が確認され、４０時間以上の寿命を示した。
【００４５】
［実施例３］
実施例２において、第２の層２３成長時に、Ｓｉを２×１０19／cm3ドープしたＡｌ0.1Ｇａ0.9Ｎよりなる層を３０オングストローム成長させ、続いてノンドープのＧａＮよりなる層を３０オングストローム成長させる。この操作をそれぞれ２００回繰り返し、総膜厚１．２μｍの超格子層よりなる第２の層２３を形成する。後は実施例２と同様にレーザ素子を作製したところ、閾値電流密度２．７ｋＡ／cm2、閾値電圧４．１Ｖで、発振波長４０５ｎｍの連続発振が確認され、５０時間以上の寿命を示した。
【００４６】
このように超格子層を第２の層２３として、ｎ電極を形成する層とすると閾値電圧が低下する傾向にある。これはＨＥＭＴに類似した効果が現れたのではないかと推察される。例えば、ｎ型不純物がドープされたバンドギャップの大きい窒化物半導体層と、バンドギャップが小さいノンドープの窒化物半導体層とを積層した超格子層では、ｎ型不純物を添加した層と、ノンドープの層とのヘテロ接合界面で、障壁層側が空乏化し、バンドギャップの小さい層側の厚さ前後の界面に電子（二次元電子ガス）が蓄積する。この二次元電子ガスがバンドギャップの小さい側にできるので、電子が走行するときに不純物による散乱を受けないため、超格子の電子の移動度が高くなり、抵抗率が低下する。従って超格子を電極形成時のコンタクト層とすると、移動度が大きくなって素子の電圧が低下すると推察されるが詳しいことは不明である。
【００４７】
［実施例４］
実施例１において、第１の層２２成長時に、ノンドープのｎ型ＧａＮよりなる井戸層を４０オングストローム、次にノンドープのｎ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎよりなる障壁層を６０オングストローム成長させる。この操作をそれぞれ２００回繰り返し、平均キャリア濃度５×１０17／cm3の総膜厚２μｍの超格子層よりなる第１の層２２を形成する。
【００４８】
次に実施例１と同様にして、Ｓｉを１×１０19／cm3ドープしたｎ型ＧａＮよりなる第２の層２３を１μｍの膜厚で成長させ、その上にクラック防止層２４を成長させ、後は実施例１と同様にしてレーザ素子を作製したところ、実施例２とほぼ同等の特性を有するレーザ素子が作製できた。
【００４９】
［実施例５］
実施例１において、第１の層成長時に、Ｓｉを１×１０18／cm3ドープしたｎ型ＧａＮとする他は実施例１と同様にしてレーザ素子を作製したところ、同じく室温において、閾値電流密度３．１ｋＡ／cm2、閾値電圧４．６Ｖで、発振波長４０５ｎｍの連続発振が確認され、２５時間以上の寿命を示した。
【００５０】
［実施例６］
この実施例は図１のＬＥＤ素子を元に説明する。実施例１と同様にしてサファイアよりなる基板１０の上に、ノンドープＧａＮよりなるバッファ層１１を６００℃で成長させた後、バッファ層１１の上にキャリア濃度１×１０18／cm3のノンドープｎ型ＧａＮよりなる第１の層１２を４μｍ成長させ、次にＳｉを１×１０19／cm3ドープしたｎ型ＧａＮよりなる第２の層１３を１μｍ成長させる。
【００５１】
次にＩｎ0.4Ｇａ0.6Ｎよりなる膜厚３０オングストロームの単一量子井戸構造よりなる活性層１４を成長させ、さらに、Ｍｇを５×１０19／cm3ドープしたＭｇドープｐ型Ａｌ0.2Ｇａ0.9Ｎよりなるｐ側クラッド層１５を０．５μｍ成長させ、その上に、Ｍｇを５×１０19／cm3ドープしたＭｇドープｐ型ＧａＮよりなるｐ側コンタクト層１６を０．２μｍ成長させる。
【００５２】
成長後、ウェーハを反応容器から取り出し実施例１と同様にして、アニーリングを行った後、ｐ方コンタクト層１６側からエッチングを行いｎ電極１９を形成すべき第２の層１３の表面を露出させる。最上層のｐ側コンタクト層１６のほぼ全面に膜厚２００オングストロームのＮｉ−Ａｕよりなる透光性のｐ電極１７を形成し、そのｐ電極１７の上にＡｕよりなるパッド電極１８を形成する。露出した第２の層の表面にもＴｉ−Ａｌよりなるｎ電極１９を形成する。
【００５３】
以上のようにして電極を形成したウェーハを３５０μｍ角のチップに分離してＬＥＤ素子としたところ、Ｉｆ２０ｍＡにおいて５２０ｎｍの緑色発光を示し、Ｖｆは３．１Ｖであった。これに対し、第１の層と、第２の層を単一のＳｉドープＧａＮ（Ｓｉ：１×１０19／cm3）で構成したＬＥＤ素子のＶｆは３．４Ｖであった。
【００５４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によると、ますノンドープの窒化物半導体よりなる第１の層の上に、ｎ型不純物をドープした第２の層を形成して、その第２の層に負電極を形成すると、結晶性が良くキャリア濃度の高い第２の層が形成できるために、閾値電流、電圧が低下し、非常の効率の良い素子を実現できる。さらに本発明の素子をレーザ素子に適用することにより、閾値電流、閾値電圧が低い、室温で連続発振する短波長のレーザ素子を得ることができる。このようなレーザ素子が得られたことにより、ＣＶＤ、光ファイバー等の光通信用の光源として、非常に有意義である。さらにまた本発明は窒化物半導体を用いたＬＥＤ、受光素子等の他の光デバイスにも適用可能である。例えばＬＥＤ素子に本発明を適用すると、Ｖｆ（順方向電圧）が低下した非常に効率の高いＬＥＤを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例に係るＬＥＤ素子の構造を示す模式断面図。
【図２】本発明の他の実施例に係るレーザ素子の構造を示す模式断面図。
【符号の説明】
１０、２０・・・・基板
１１、２１・・・・バッファ層
１２、２２・・・・第１の層
１３、２３・・・・第２の層
１４、２７・・・・活性層
１５、３０・・・・ｐ側クラッド層
１６、３１・・・・ｐ側コンタクト層
１７、３２・・・・ｐ電極
１９、３３・・・・ｎ電極Patent application title: Nitride semiconductor device
[Claim of claim]
1. A nitride semiconductor comprising, in order, at least a substrate having a lattice mismatch with a nitride semiconductor, a first layer made of a nitride semiconductor, and a second layer made of a nitride semiconductor on which a negative electrode is formed. In the device
The first layer made of the nitride semiconductor is not doped with n-type impurities, or the concentration of the n-type impurities is smaller than that of the second layer made of the nitride semiconductor and the film thickness is 0.1 μm or more Along with
The second layer made of the nitride semiconductor has an n-type impurity of 1 × 1017/ Cm3~ 1 x 1021/ Cm3Doped and film thickness is 0.2 μm or more and 4 μm or less
A nitride semiconductor device characterized in that.
2. A nitride semiconductor comprising, in order, at least a substrate having a lattice mismatch with a nitride semiconductor, a first layer comprising a nitride semiconductor, and a second layer comprising a nitride semiconductor on which a negative electrode is formed. In the device
The first layer made of the nitride semiconductor is doped with n-type impurities, has a concentration of n-type impurities smaller than that of the second layer made of the nitride semiconductor, and has a film thickness of 0.1 μm or more.
The second layer made of the nitride semiconductor is doped with an n-type impurity and has a thickness of 0.2 μm to 4 μm.
A nitride semiconductor device characterized in that.
3. A buffer layer according to claim 1, further comprising a buffer layer for relaxing the lattice mismatch between the substrate and the nitride semiconductor, between the lattice mismatched substrate and the first layer comprising the nitride semiconductor. Nitride semiconductor devices.
4. The nitride semiconductor device according to claim 1, wherein the first layer made of the nitride semiconductor is thicker than the second layer made of the nitride semiconductor.
5. The nitride semiconductor layer according to claim 1, wherein at least one of the first layer made of the nitride semiconductor and the second layer made of the nitride semiconductor has a composition of 100 angstroms or less. The nitride semiconductor device according to any one of claims 1 to 4, wherein the superlattice layer is a laminated superlattice layer.
6. A p-side contact layer comprising a nitride semiconductor doped with a p-type impurity and having a film thickness of 500 Å or less on the second layer of the nitride semiconductor, the p-side contact The nitride semiconductor device according to any one of claims 1 to 5, wherein a positive electrode is formed in the layer.
7. A p-side cladding layer substantially the same in impurity concentration as the p-side contact layer is provided on the second layer of the nitride semiconductor and below the p-side contact layer. The nitride semiconductor device according to claim 1.
Detailed Description of the Invention
[0001]
[Industrial application field]
The present invention relates to a light emitting element such as an LED (light emitting diode) or an LD (laser diode), a solar cell, a light receiving element such as an optical sensor, or a nitride semiconductor (InXAlYGa1-XYN, 0 ≦ X, 0 ≦ Y, X + Y ≦ 1).
[0002]
[Prior Art]
Nitride semiconductors have recently been put to practical use as materials for high-brightness blue LEDs and pure green LEDs, for full-color LED displays, traffic signals, and the like. The LED used for these various devices comprises an active layer made of InGaN of a single quantum well structure (SQW: Single-Quantum-Well) between an n-type nitride semiconductor layer and a p-type nitride semiconductor layer. It has a double hetero structure. The wavelengths such as blue and green are determined by increasing or decreasing the In composition ratio of the InGaN active layer.
[0003]
Also, the applicant has recently announced lasing at 410 nm at room temperature in pulsed current using this material (eg, Jpn. J. Appl. Phys. Vol 35 (1996) L 74-76). This laser device has a pulse current (pulse width 2 μs, pulse period 2 ms), threshold current 610 mA, threshold current density 8.7 kA / cm.2The laser oscillation at 410 nm is shown at a threshold voltage of 21 V.
[0004]
For example, in a double heterostructure LED element having InGaN as an active layer, the active layer is sandwiched between an n-type and p-type cladding layer of AlGaN and an n-type and p-type contact layer of GaN. (See, for example, JP-A-8-83929). An n-type layer such as an n-type contact layer or an n-side cladding layer is doped with an n-type impurity such as Si or Ge, and an p-type layer such as a p-side contact layer or a p-side cladding layer is Mg or Zn P-type impurities are doped. In the case of such a structure, the carrier concentration of the n-type contact layer in which the n electrode is formed and the p-side contact layer in which the p electrode is formed is the same as that of the cladding layer in contact with each contact layer, or high carrier concentration It is assumed. That is, it was common to sequentially stack the n + layer of high carrier concentration, the n-layer of low carrier concentration, the active layer, the p-layer of low carrier concentration, and the p + layer of high carrier concentration sequentially from the substrate. . (Although it is not a double hetero structure, see, for example, JP-A Nos. 6-151963 and 6-151964.)
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
Certainly, when the carrier concentration of the contact layer in contact with the electrode is increased, the contact resistance with the electrode material is reduced, and a favorable ohmic property is easily obtained. When the ohmic property between the electrode and the contact layer is improved, Vf (forward voltage) in the LED and the threshold current in the LD are easily reduced. However, nitride semiconductors are materials with many crystal defects, and if n-type impurities and p-type impurities are doped at high concentration to obtain high carrier concentration in such materials, the crystallinity deteriorates and the element itself becomes Output tends to decrease.
[0006]
Accordingly, the present invention has been made in view of such circumstances, and an object of the present invention is to provide an element made of a nitride semiconductor having high crystallinity and high output and high efficiency. Specifically, the object is to realize a laser element that continuously oscillates with a low threshold current and a highly efficient LED element.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
The present inventors have newly found that the above problems can be solved by improving an n-type layer grown on a substrate for a nitride semiconductor device such as an LD, an LED, etc., and finally the present invention has been achieved. That is, the nitride semiconductor device of the present invention comprises two types of embodiments, and in the first embodiment, a substrate having lattice mismatch with the nitride semiconductor, a first layer made of the nitride semiconductor, and a negative electrode are formed. In the nitride semiconductor device having at least a second layer made of a nitride semiconductor, the first layer made of the nitride semiconductor is not doped with n-type impurities or has a concentration of n-type impurities The second layer made of the nitride semiconductor is smaller than the second layer made of the nitride semiconductor and has a thickness of 0.1 μm or more, and the second layer made of the nitride semiconductor has an n-type impurity of 1 × 1017/ Cm3~ 1 x 1021/ Cm3It is characterized in that it is doped and has a film thickness of 0.2 μm or more and 4 μm or less.
[0008]
The second aspect is a nitride having at least a substrate having lattice mismatch with a nitride semiconductor, a first layer made of a nitride semiconductor, and a second layer made of a nitride semiconductor in which a negative electrode is formed. In the semiconductor element, the first layer made of the nitride semiconductor is doped with an n-type impurity, has a concentration of n-type impurity smaller than that of the second layer made of the nitride semiconductor, and has a film thickness of 0.1 μm or more The second layer made of the nitride semiconductor is characterized in that it is doped with an n-type impurity and has a thickness of 0.2 μm to 4 μm.
Further, in claims 1 and 2, a buffer layer is provided between the lattice mismatched substrate and the first layer made of a nitride semiconductor to alleviate the lattice mismatch between the substrate and the nitride semiconductor. The first layer made of nitride semiconductor is thicker than the second layer made of nitride semiconductor. In addition, at least one of the first layer made of nitride semiconductor and the second layer made of nitride semiconductor is a superstructure in which nitride semiconductor layers having a film thickness of 100 .ANG. It consists of lattice layers.
[0009]
In addition, in claims 1 and 2, a p-side contact layer made of a nitride semiconductor doped with a p-type impurity and having a film thickness of 500 angstroms or less is provided on the second layer made of a nitride semiconductor. A positive electrode is formed on the p-side contact layer. A p-side cladding layer substantially the same in impurity concentration as the p-side contact layer is provided on the second layer made of a nitride semiconductor and below the p-side contact layer.
[0010]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing one structure of the nitride semiconductor device of the present invention, and specifically shows the structure of the LED device. The basic structure is, for example, a low temperature growth buffer layer 11 made of, for example, non-doped GaN, a first layer 12 of low carrier concentration made of, for example, non-doped GaN, for example, Si doped GaN. A second layer 13 with a carrier concentration, for example, an active layer 14 of InGaN having a single quantum well structure, a p-side cladding layer 15 of, for example, Mg-doped AlGaN, a p-side contact layer 16 of, for example, Mg-doped GaN is sequentially stacked. It has the following structure. A translucent positive electrode 17 (hereinafter referred to as a positive electrode) is formed on almost the entire surface of the uppermost p-side contact layer 16, and a pad electrode 18 for bonding is formed on the surface of the p electrode 17. It is formed. In the device of the present invention, the n electrode 19 has a large n-type impurity doped carrier concentration grown on the first layer 12 having a small n-type impurity concentration or not doped with the n-type impurity. The second layer 13 is formed on the surface of the second layer 13. That is, the second layer 13 acts as an n-side contact layer as a current injection layer.
[0011]
On the other hand, the first layer 12 having a low impurity concentration does not act as a contact layer on which the negative electrode is formed but acts as a base layer for growing a second layer acting as a contact layer. If an n-side contact layer to be a current injection layer is to be composed of a single nitride semiconductor layer having a high carrier concentration and a film thickness of several μm or more as in the prior art, it is necessary to grow a layer having a large n-type impurity concentration There is. A thick film layer having a high impurity concentration tends to have poor crystallinity. For this reason, even if another nitride semiconductor such as an active layer is grown on a layer having poor crystallinity, other layers take over crystal defects and it is not possible to expect improvement in crystallinity. Therefore, in the present invention, the first layer having a low impurity concentration and a good crystallinity is first grown before the second layer to be a contact layer is grown. Grow layers. In general, the carrier concentration of the first layer which does not contain n-type impurities or has a low n-type impurity concentration tends to be smaller than that of the second layer.
[0012]
In the present invention, examples of the n-type impurity doped in the first layer and the second layer include, for example, periodic group IV elements such as Si, Ge, Sn, C, and Ti. Among them, Si and Ge are commonly used to dope a nitride semiconductor to adjust carrier concentration, resistivity and the like. In the case of a nitride semiconductor layer, it tends to exhibit n-type even in a non-doped state (without doping) due to nitrogen vacancies formed in the semiconductor layer, but a high resistance layer having a small carrier concentration when crystallinity is improved. There is also the possibility of Therefore, the conductivity type of the first layer of the present invention is not defined.
[0013]
The n-type impurity concentration of the first layer may be smaller than that of the second layer, but it is most preferable that the n-type impurity is not doped (hereinafter referred to as non-doping). This is because a non-doped nitride semiconductor with the highest crystallinity can be obtained. In the case of the present invention, the impurity concentration of the second layer is rather important, and the range is 1 × 1017/cm3~ 1 x 10twenty one/cm3Range, more preferably 1 × 1018/cm3~ 1 x 1019/cm3It is desirable to adjust to 1 x 1017/cm3If it is smaller than this, it is difficult to obtain a preferable ohmic contact with the material of the n electrode, so that the laser device can not expect reduction in threshold current and voltage, and 1 × 10twenty one/cm3If it is larger than the above range, the lifetime of the device tends to be shortened because the leakage current of the device itself increases and the crystallinity also deteriorates.
[0014]
In the case where the first layer is doped with n-type impurities, a layer having a small carrier concentration can be formed by reducing the amount of impurities as compared to the second layer. In addition, an n-type impurity having a small activation rate (that is, the carrier concentration does not increase so much even if the impurity is doped) may be doped. However, in the present invention, it is preferable to form the first layer in a non-doped state, since it is possible to form the first layer with better crystallinity without doping the impurity.
[0015]
Here, the buffer layer 11 will be described. The buffer layer 11 is a nitride semiconductor layer which is grown at a temperature lower than the growth temperature of the first layer before the first layer is grown with a film thickness of usually less than 0.1 μm. Specifically, non-doped GaN, AlN and AlGaN layers can be mentioned. This layer is a layer grown to improve the crystallinity of the first layer, and when the buffer layer is grown on the substrate, it has the function of alleviating lattice mismatch between the substrate and the nitride semiconductor. . Since this buffer layer is usually a layer containing polycrystals, it is almost impossible to measure the carrier concentration, or if it could be measured, for example, 1 × 10 10twenty one/cm3This is a very large layer and a very small mobility. Therefore, in the present invention, a low-temperature growth buffer layer having a film thickness of less than 0.1 μm, which is grown with a single composition on the substrate or before growing the first layer, is included in the first layer of the present invention. I can not. The buffer layer does not necessarily indicate that the substrate, the first layer, and the second layer are in contact with each other, and the substrate and the first layer, or the first layer and the second layer Even if another nitride semiconductor layer such as a buffer layer is inserted between them, it is within the scope of the present invention.
[0016]
Furthermore, at least one layer of the first layer and the second layer may be a strained superlattice layer in which nitride semiconductor layers having a thickness of 100 angstroms or less and different compositions are stacked. In the case of a superlattice layer, this layer has a superlattice structure, and the crystallinity of the nitride semiconductor layer is dramatically improved and the threshold current is reduced. That is, the film thickness of each nitride semiconductor layer constituting the superlattice layer is set to 100 angstroms or less, and the film thickness is set to the elastic strain limit or less. As described above, when the film thickness of the nitride semiconductor layer constituting the superlattice layer is made equal to or less than the elastic strain limit, fine cracks and crystal defects do not easily enter the crystal, and a nitride semiconductor with good crystallinity is grown. it can. Therefore, even if another nitride semiconductor layer is grown on this superlattice layer, the crystallinity of the other nitride semiconductor layer is also good because the superlattice layer has good crystallinity. Accordingly, the crystal defects are reduced in the entire nitride semiconductor to improve the crystallinity, so that the threshold current is reduced and the lifetime of the laser element is improved.
[0017]
The nitride semiconductor layers constituting the superlattice layer may be made of nitride semiconductors different in composition from each other, and the band gap energy may be different or the same. For example, the first layer (A layer) constituting the superlattice layer isXGa1-XN (0 ≦ X ≦ 1) and the next layer (B layer) is AlYGa1-YIn the case of N (0 <Y ≦ 1), the band gap energy of the B layer necessarily becomes larger than that of the A layer, but the A layerXGa1-XN (0 ≦ X ≦ 1), and B layer is InZAl1-ZIf N (0 <Z ≦ 1), the A layer and the B layer may differ in composition but may have the same band gap energy. Also A layer is AlYGa1-YN (0 ≦ Y ≦ 1) and B layer is InZAl1-ZIf N (0 <Z ≦ 1), the first layer and the second layer may have different compositions but the same band gap energy. The superlattice layers of the present invention may have different compositions and the same band gap energy.
[0018]
Preferably, nitride semiconductors of the A layer and B layer constituting the superlattice layer are preferably stacked with different band gap energies, and the average band gap energy of the nitride semiconductor constituting the superlattice layer is higher than that of the active layer It is desirable to adjust to make it larger. Preferably, one layer is InXGa1-XN (0 ≦ X ≦ 1), and the other layer is AlYGa1-YBy forming N (0 ≦ Y ≦ 1, X ≠ Y = 0), it is possible to form a crystalline superlattice layer. In addition, AlGaN has a property of being easily cracked during crystal growth. Therefore, assuming that the A layer constituting the superlattice layer is a nitride semiconductor layer not containing Al having a film thickness of 100 angstrom or less, it acts as a buffer layer when growing the other B layer made of a nitride semiconductor containing Al. And the B layer is less likely to crack. Therefore, even if superlattice layers are stacked, a superlattice without cracks can be formed, so that the crystallinity is improved and the lifetime of the device is improved. This too In one layerXGa1-XN (0 ≦ X ≦ 1), and the other layer is AlYGa1-YThis is an advantage in the case of N (0 ≦ Y ≦ 1, X ≠ Y = 0).
[0019]
The film thickness of each nitride semiconductor layer constituting the superlattice layer is adjusted to a range of 100 angstroms or less, more preferably 70 angstroms or less, and most preferably 10 angstroms or more and 40 angstroms or less. If the thickness is more than 100 angstroms, the film thickness becomes larger than the elastic strain limit, and it is likely that a minute crack or a crystal defect tends to be formed in the film. The lower limit of the film thickness of the well layer and the barrier layer is not particularly limited as long as it is 1 atomic layer or more, but it is desirable to adjust to 10 angstrom or more. However, when the thick first layer is formed of a superlattice layer, it is 70 angstrom or less, and the thin film is thin, and the second layer containing an n-type impurity is a 40 Å angstrom. It is desirable to do the following. By reducing the film thickness of the nitride semiconductor layer, the film thickness becomes equal to or less than the elastic strain limit, thereby reducing the crystal defects and cracks of the nitride semiconductor layer and dramatically improving the crystallinity, whereby the device life is improved. Can realize a highly reliable device.
[0020]
When the band gap energies of the nitride semiconductor layers constituting the superlattice layer are different from each other, the n-type impurity is more doped in the layer having a larger band gap energy, or the band gap energy is made non-doped, and the band gap is When the n-type impurity is doped to the larger energy side, the threshold voltage and the threshold current tend to decrease.
[0021]
Importantly, make the first layer thicker than the second layer, and adjust the thickness of the first layer to 0.1 μm or more, more preferably 0.5 μm or more, and most preferably 1 μm to 20 μm. Is desirable. If the first layer is thinner than 0.1 μm, the second layer having a high impurity concentration has to be grown thick, and there is a tendency that improvement in the crystallinity of the second layer as a contact layer can not be expected so much . If it is thicker than 20 μm, the first layer itself tends to have many crystal defects. Further, as an advantage of growing the first layer thick, improvement in heat dissipation can be mentioned. That is, when the laser device is manufactured, heat easily spreads in the first layer, and the lifetime of the laser device is improved. Furthermore, the leaked light of the laser light spreads in the first layer, and it becomes easy to obtain a laser light close to an elliptical shape.
[0022]
On the other hand, it is desirable to adjust the second layer to 0.2 μm or more and 4 μm or less. If it is thinner than 0.2, it is difficult to control the etching rate to expose the second layer later when forming a negative electrode, while if it is 4 μm or more, the crystallinity is bad due to the influence of impurities Tend to The same applies to the case where the first layer and the second layer are formed of superlattice layers. It goes without saying that when the first layer and the second layer are formed of superlattice layers, the film thickness of the layers of the entire superlattice layers is indicated. Stacking the first layer with a superlattice of 20 μm or more is very laborious and unsuitable for the manufacturing process. However, in the case where the second layer is formed of a superlattice layer, it may be formed with a thickness of 4 μm or more, but if it is grown with a thick film as in the case of the first layer, much effort is required.
[0023]
【Example】
The present invention will be described in detail in the following examples. FIG. 2 is a schematic cross-sectional view showing the structure of a laser device according to an embodiment of the present invention, and shows the structure when the device is cut in the direction perpendicular to the resonant direction of the laser light. The element of the present invention will be described below based on this drawing. In addition, the general formula In shown in the present specificationXAlYGa1-XYN simply indicates the composition ratio of the nitride semiconductor. For example, even if different layers are shown by the same general formula, the X value, Y value, etc. of the layers do not match.
[0024]
Example 1
The substrate 20 made of sapphire (C surface) is set in a reaction vessel, the inside of the vessel is sufficiently replaced with hydrogen, and while flowing hydrogen, the temperature of the substrate is raised to 1050 ° C. to clean the substrate. As the substrate 20, sapphire other than sapphire C surface, sapphire whose main surface is R surface and A surface, others, spinel (MgA1 2OFourIn addition to insulating substrates such as), semiconductor substrates such as SiC (including 6H, 4H, 3C), ZnS, ZnO, GaAs, GaN, etc. can be used.
[0025]
(Buffer layer 21)
Subsequently, the temperature is lowered to 510 ° C., hydrogen is used as a carrier gas, ammonia and TMG (trimethylgallium) are used as source gases, and a buffer layer 2 of GaN is grown on the substrate 1 to a film thickness of about 200 angstroms. The buffer layer 20, AlN, GaN, AlGaN or the like can be formed at a temperature of 900 ° C. or less at less than 0.1 μm, preferably several tens angstroms to several hundreds angstroms. The buffer layer is formed to ease the lattice constant irregularity of the substrate and the nitride semiconductor, but may be omitted depending on the growth method of the nitride semiconductor, the type of the substrate, and the like.
[0026]
(First layer 22)
After the buffer layer 20 is grown, only TMG is stopped and the temperature is raised to 1050.degree. At 1050 ° C., TMG and ammonia gas are also used as source gases, and the carrier concentration is 1 × 1018/cm3The first layer 22 of non-doped GaN is grown to a thickness of 5 .mu.m. The first layer is InXAlYGa1-XYIt can be configured by N (0 ≦ X, 0 ≦ Y, X + Y ≦ 1), and the composition is not particularly limited.
[0027]
(Second layer 23)
Subsequently, at 1050 ° C., TMG, ammonia, Silane gas is used as impurity gas, and Si is 1 × 1019/cm3A second layer 23 of doped n-type GaN is grown to a thickness of 1 μm. The carrier concentration of this second layer 23 is the same as the doping amount 1 × 1019/cm3Met. In particular, n-type impurities having a high activation ratio such as Si can obtain carrier concentrations almost the same as the amount of doped impurities, so in the following description, n-type nitride semiconductors doped with Si should be doped with Si. Therefore, it is assumed that the carrier concentration is indicated. The composition of the second layer is also InXAlYGa1-XYN (0 ≦ X, 0 ≦ Y, X + Y ≦ 1) can be formed, the composition is not particularly limited, and the first layer 22 and the second layer 23 may be formed of nitride semiconductors of different compositions. good.
[0028]
(Crack prevention layer 24)
Next, the temperature is set to 800 ° C., TMG, TMI (trimethyl indium), ammonia, and silane gas are used as source gases, and Si is 1 × 1019/cm3Doped In0.1Ga0.9A crack prevention layer 24 of N is grown to a thickness of 500 angstroms. The crack prevention layer 10 can be prevented from being cracked in the nitride semiconductor layer containing Al by growing it on an n-type nitride semiconductor containing In, preferably InGaN. Preferably, the anti-cracking layer is grown to a thickness of 100 angstroms or more and 0.5 μm or less. If it is thinner than 100 angstrom, it is difficult to act as a crack prevention as described above, and if it is thicker than 0.5 μm, the crystal itself tends to turn black. The crack prevention layer 24 can be omitted depending on the conditions such as the growth method and the growth apparatus, and can be omitted particularly when the second layer 23 has a superlattice structure.
[0029]
(N-side cladding layer 25)
Next, the temperature is raised to 1050 ° C., and TMA (trimethylaluminum), TMG, NH, and3, SiHFour, 1 × 10 Si19/cm3Doped n-type Al0.25Ga0.75An n-side cladding layer 25 of N is grown to a thickness of 0.5 μm. The n-side cladding layer 25 acts as a carrier confinement layer and a light confinement layer, and it is desirable to grow a nitride semiconductor containing Al, preferably AlGaN, preferably 100 angstroms or more and 2 μm or less, more preferably 500 angstroms or more, By growing at 1 μm or less, a clad layer with good crystallinity can be formed.
[0030]
(N-side light guide layer 26)
Then, at 1050 ° C., 1 × 10 10 Si19/cm3An n-side light guide layer 26 made of doped n-type GaN is grown to a thickness of 0.2 μm. The n-side light guide layer 26 acts as a light guide layer for the active layer, and it is desirable to grow GaN and InGaN, and it is usually grown with a film thickness of 100 angstroms to 5 μm, more preferably 200 angstroms to 1 μm. desirable. The n-side light guide layer may be non-doped.
[0031]
(Active layer 27)
Next, the active layer 27 is grown using TMG, TMI, ammonia, and silane gas as source gases. The active layer 27 is maintained at a temperature of 800 ° C.18/cm3Doped with0.2Ga0.8A well layer of N is grown to a thickness of 25 angstroms. Next, change the molar ratio of TMI only at the same temperature, 8 × 10 10 Si18/cm3Doped In0.01Ga0.95A barrier layer of N is grown to a thickness of 50 angstroms. This operation is repeated twice, and finally a multi-quantum well structure in which well layers are stacked is obtained. The impurity to be doped to the active layer may be doped to both the well layer and the barrier layer as in this embodiment, or may be doped to either one. When the n-type impurity is doped, the threshold value tends to decrease.
[0032]
(P-side cap layer 28)
Next, the temperature is raised to 1050 ° C., TMG, TMA, ammonia, Cp 2 Mg (cyclopentadienyl magnesium) are used, and the band gap energy is larger than that of the active layer, Mg 1 × 1020/cm3Doped Al0.1Ga0.9A p-side cap layer 28 of N is grown to a thickness of 300 angstroms. The p-side cap layer 28 is preferably p-type, but since the film thickness is thin, it may be i-type doped with n-type impurities to compensate carriers. The film thickness of the p-side cap layer 28 is adjusted to 0.1 μm or less, more preferably 500 angstroms or less, and most preferably 300 angstroms or less. When the film is grown to a film thickness of greater than 0.1 μm, the p-side cap layer 28 is likely to be cracked, making it difficult to grow a nitride semiconductor layer with good crystallinity. Also, carriers can not pass through this energy barrier by tunneling. When the thickness of AlGaN is increased as the composition ratio of Al is increased, the LD element is easily oscillated. For example, Al with a Y value of 0.2 or moreYGa1-YIn the case of N, it is desirable to adjust to 500 angstrom or less. The lower limit of the film thickness of the p-side cap layer 28 is not particularly limited, but the film thickness of 10 angstroms or more is desirable.
[0033]
(P-side light guide layer 29)
Then, at 1050 ° C., the Mg concentration is 1 × 1020/cm3The p-side light guide layer 26 made of doped GaN is grown to a thickness of 0.2 μm. Like the n-side light guide layer 26, this p-side light guide layer 29 acts as a light guide layer for the active layer, and it is desirable to grow GaN and InGaN, usually 100 angstroms to 5 μm, more preferably 200 angstroms It is desirable to grow with a film thickness of 1 μm. Although the p-side light guide layer is doped with p-type impurities, it may be made of a non-doped nitride semiconductor.
[0034]
(P-side cladding layer 30)
Subsequently, at 1050 ° C., Mg is 1 × 1020/cm3A p-side cladding layer 30 of Al0.25 Ga0.75 N doped is grown to a thickness of 0.5 [mu] m. This layer, like the n-side cladding layer 25, acts as a carrier confinement layer and an optical confinement layer, and is desirably grown with a nitride semiconductor containing Al, preferably AlGaN, preferably 100 angstroms or more and 2 μm or less, more preferably When grown at a thickness of 500 angstroms or more and 1 μm or less, a clad layer with good crystallinity can be grown.
[0035]
In the case of a double heterostructure semiconductor device having an active layer having a quantum well layer as in the present embodiment, the band gap energy is larger than the active layer 27 in contact with the active layer 27 and the film thickness is 0.1 μm or less And a p-side cap layer 28 preferably made of a nitride semiconductor containing Al, and at a position farther from the active layer than the p-side cap layer 28, the p-side cap layer 28 is formed. A nitride semiconductor, preferably Al, having a larger band gap than the p-side light guide layer 29 is provided at a position farther from the active layer than the p-side light guide layer 29 by providing the p-side light guide layer 29 having small band gap energy. It is very preferable to provide the p-side cladding layer 30 made of a nitride semiconductor containing Furthermore, since the film thickness of the p-side cap layer 28 is set as thin as 0.1 μm or less, it does not act as a barrier for carriers, and holes injected from the p layer pass through the cap layer 28 by the tunnel effect. It is possible to efficiently recombine in the active layer and improve the output of the LD. That is, since the injected carriers have a large band gap energy of the cap layer 28, the carriers do not overflow the active layer even if the temperature of the semiconductor element rises or the injection current density increases, and the cap layer 28 Therefore, carriers are accumulated in the active layer, and light can be emitted efficiently.
[0036]
(P-side contact layer 31)
Finally, on the p-side cladding layer 30, 2 × 10 10 Mg at 1050 ° C.20/cm3A p-side contact layer 31 of doped GaN is grown to a thickness of 150 angstroms. The p-side contact layer 31 is p-type In.XAlYGa1-XYIt can be composed of N (0 ≦ X, 0 ≦ Y, X + Y ≦ 1), preferably Mg-doped GaN, to obtain the most preferable ohmic contact with the p electrode 32. In addition, as a material of the p-side contact layer and the p electrode 32 which can obtain a preferable ohmic, for example, Ni, Pd, Ag, Ni / Au and the like can be mentioned. Furthermore, it is desirable to adjust the film thickness of the p-side contact layer 31 to 500 angstroms or less, more preferably 300 angstroms or less, and most preferably 200 angstroms or less. This is because the resistivity is further lowered by adjusting the film thickness of the high resistivity p-type nitride semiconductor layer to 500 angstroms or less, so that the current and voltage at the threshold value are lowered. In addition, the amount of hydrogen removed from the p-type layer tends to be large and the resistivity tends to be lowered. Further, the effect of thinning the contact layer 31 is as follows. For example, a p-side contact layer of p-type GaN thicker than 500 angstroms in thickness is formed in contact with a p-side cladding layer of p-type AlGaN, and the impurity concentration of the cladding layer and the contact layer is the same. When the film thickness of the p-side contact layer is thinner than 500 angstroms when the carrier concentration is the same, carriers on the cladding layer side tend to move to the contact layer side, and the carrier concentration of the p-side contact layer tends to increase. It is in. Therefore, if an electrode is formed in the contact layer having a high carrier concentration, a good ohmic contact can be obtained.
[0037]
After completion of the reaction, the temperature is lowered to room temperature, and the wafer is annealed at 700 ° C. in a reaction vessel in a nitrogen atmosphere to further reduce the resistance of the p-type impurity doped layer.
[0038]
After annealing, the wafer is taken out of the reaction vessel, and the uppermost p-side contact layer 31 and the p-side cladding layer 30 are etched by the RIE apparatus to form a ridge shape having a stripe width of 4 μm, as shown in FIG. Do. In particular, by forming a layer higher than the active layer above the nitride semiconductor layer containing Al in a ridge shape, the light emission of the active layer is concentrated in the lower part of the ridge, the lateral mode is easily unified, and the threshold is lowered. Cheap. After the ridge is formed, a mask is formed on the surface of the ridge, and as shown in FIG. 2, the surface of the second layer 23 on which the n electrode 33 is to be formed is exposed symmetrically with respect to the striped ridge. As a material of the n-electrode 33, a metal or an alloy such as Al, Ti, W, Cu, Zn, Sn, or In is preferable to obtain an ohmic contact.
[0039]
Next, on the surface of the p-side contact layer 31, a p-electrode 32 made of Ni and Au is formed in a stripe shape. On the other hand, an n electrode 33 made of Ti and Al is formed on almost the entire surface of the stripe-like second layer 23. The almost entire surface means an area of 80% or more. It is also very advantageous to lower the threshold value by exposing the second layer 23 symmetrically with respect to the p electrode 32 and providing the n electrode on almost the entire surface of the second layer 23 in this manner. .
[0040]
As described above, the wafer on which the n electrode and the p electrode are formed is transferred to a polishing apparatus, and the sapphire substrate 20 on the side on which the nitride semiconductor is not formed is lapped using a diamond polishing agent. Is 50 μm. After lapping, the substrate surface is made mirror-like by polishing with 1 μm with a finer abrasive.
[0041]
After polishing the substrate, the polished surface side is scribed and cleaved into bars in a direction perpendicular to the striped electrodes, and a resonator is produced on the cleaved surface. SiO on the resonator surface2And TiO2A dielectric superlattice was formed, and finally the bar was cut in a direction parallel to the p electrode 32 to obtain a laser chip. Next, the chip was placed face-up (with the substrate and the heat sink facing each other) and mounted on the heat sink, and each electrode was bonded, and laser oscillation was attempted at room temperature. The threshold current density 3.0 kA / cm at room temperature.2At a threshold voltage of 4.5 V, continuous oscillation of an oscillation wavelength of 405 nm was confirmed, and a lifetime of 30 hours or more was exhibited.
[0042]
Example 2
In the first embodiment, when the second layer 23 is grown, Si is 1 × 1019/cm3Doped Al0.1Ga0.9A layer of N is grown to 20 angstroms, and subsequently a layer of n-type GaN doped with the same amount of Si is grown to 20 angstroms. Then, this operation is repeated 200 times, and the carrier concentration is 1 × 1019/cm3The second layer 23 is formed of a superlattice layer having a total film thickness of 0.8 μm.
[0043]
Next, the n-side cladding layer 25 is grown directly on the second layer 23 in the same manner as in Example 1 without growing the crack prevention layer 24, and the structure of the laser device of FIG. The nitride semiconductors are stacked so that
[0044]
After growth, a ridge is formed, and then the surface of the second layer 23 is etched and exposed. A well layer made of Si-doped GaN was exposed on the surface of the second layer 23. After that, electrodes were formed in the same manner as in Example 1 to form a laser device. The threshold current density was 2.8 kA / cm at room temperature.2At a threshold voltage of 4.3 V, continuous oscillation of an oscillation wavelength of 405 nm was confirmed, and a lifetime of 40 hours or more was exhibited.
[0045]
[Example 3]
In Example 2, when the second layer 23 is grown, Si is 2 × 1019/cm3Doped Al0.1Ga0.9A layer of N is grown 30 angstroms, followed by a layer of non-doped GaN 30 angstroms. This operation is repeated 200 times to form a second layer 23 composed of a superlattice layer having a total film thickness of 1.2 μm. After that, when a laser device was manufactured in the same manner as in Example 2, the threshold current density was 2.7 kA / cm.2At a threshold voltage of 4.1 V, continuous oscillation at an oscillation wavelength of 405 nm was confirmed, and a lifetime of 50 hours or more was exhibited.
[0046]
As described above, when the superlattice layer is used as the second layer 23 and the layer forming the n electrode is formed, the threshold voltage tends to be lowered. It is speculated that this may have an effect similar to that of HEMT. For example, in a superlattice layer in which a large band gap nitride semiconductor layer doped with n-type impurities and a non-doped nitride semiconductor layer having small band gaps are stacked, a layer doped with n-type impurities and a non-doped layer The barrier layer side is depleted at the heterojunction interface with, and electrons (two-dimensional electron gas) accumulate at the interface before and after the thickness on the layer side with a small band gap. Since this two-dimensional electron gas can be made on the side of the smaller band gap, the electrons of the two-dimensional electron gas are not scattered by impurities when they travel, so the mobility of electrons in the superlattice increases and the resistivity decreases. Therefore, if the superlattice is used as a contact layer at the time of electrode formation, it is presumed that the mobility is increased and the voltage of the device is lowered, but it is unknown that the details are detailed.
[0047]
Example 4
In Example 1, when the first layer 22 is grown, the well layer of non-doped n-type GaN is 40 angstroms, and then non-doped n-type Al0.1Ga0.9A barrier layer of N is grown to 60 angstroms. This operation is repeated 200 times each, and the average carrier concentration is 5 × 1017/cm3The first layer 22 is formed of a superlattice layer having a total film thickness of 2 μm.
[0048]
Next, in the same manner as in Example 1, 1 × 10 10 of Si is obtained.19/cm3The second layer 23 made of doped n-type GaN is grown to a film thickness of 1 μm, the anti-cracking layer 24 is grown thereon, and thereafter the laser device is fabricated in the same manner as in Example 1, A laser device having characteristics substantially equivalent to 2 was produced.
[0049]
[Example 5]
In Example 1, 1 × 10 10 of Si is grown during the growth of the first layer.18/cm3A laser device was manufactured in the same manner as in Example 1 except that doped n-type GaN was used. The threshold current density was 3.1 kA / cm at room temperature as well.2At a threshold voltage of 4.6 V, continuous oscillation at an oscillation wavelength of 405 nm was confirmed, and a lifetime of 25 hours or more was exhibited.
[0050]
[Example 6]
This embodiment will be described based on the LED element of FIG. After growing the buffer layer 11 made of non-doped GaN at 600 ° C. on the substrate 10 made of sapphire in the same manner as in Example 1, the carrier concentration is 1 × 10 7 on the buffer layer 11.18/cm3First layer 12 of non-doped n-type GaN is grown 419/cm3A second layer 13 of doped n-type GaN is grown to 1 μm.
[0051]
Next In0.4Ga0.6An active layer 14 of a single quantum well structure with a film thickness of 30 angstroms composed of N is grown, and Mg is19/cm3Doped Mg-doped p-type Al0.2Ga0.9The p-side cladding layer 15 of N is grown to 0.5 μm, and 5 × 10 5 Mg is further formed thereon.19/cm3A p-side contact layer 16 made of doped Mg-doped p-type GaN is grown to 0.2 μm.
[0052]
After growth, the wafer is taken out of the reaction vessel and annealing is performed in the same manner as in Example 1, and then etching is performed from the p-side contact layer 16 side to expose the surface of the second layer 13 where the n electrode 19 is to be formed. . A light transmitting p electrode 17 of Ni-Au with a film thickness of 200 angstroms is formed on almost the entire surface of the uppermost p-side contact layer 16, and a pad electrode 18 of Au is formed on the p electrode 17. An n-electrode 19 made of Ti-Al is also formed on the surface of the exposed second layer.
[0053]
When the wafer on which the electrodes were formed as described above was separated into chips of 350 μm square to make LED elements, green light emission of 520 nm was exhibited at If 20 mA, and Vf was 3.1 V. On the other hand, the first layer and the second layer are single Si-doped GaN (Si:19/cm3Vf of the LED element comprised by 3.4) was 3.4V.
[0054]
【Effect of the invention】
As described above, according to the present invention, the second layer doped with n-type impurities is formed on the first layer made of the non-doped nitride semiconductor, and the negative electrode is formed on the second layer. Since the second layer having a high crystallinity and a high carrier concentration can be formed, the threshold current and the voltage are reduced, and a very efficient device can be realized. Furthermore, by applying the device of the present invention to a laser device, it is possible to obtain a laser device of short wavelength which continuously oscillates at room temperature and which has low threshold current and threshold voltage. By obtaining such a laser element, it is very significant as a light source for optical communication such as CVD and an optical fiber. Furthermore, the present invention is also applicable to other light devices such as LEDs using nitride semiconductors, light receiving elements, and the like. For example, when the present invention is applied to an LED element, it is possible to obtain a highly efficient LED in which Vf (forward voltage) is lowered.
Brief Description of the Drawings
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing a structure of an LED element according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a schematic cross-sectional view showing the structure of a laser device according to another embodiment of the present invention.
[Description of the code]
10, 20 ... ... substrate
11, 21 ・ ・ ・ ・ ・ Buffer layer
12, 22 ... first layer
13, 23 ... second layer
14, 27 ... Active layer
15, 30 ... p-side cladding layer
16, 31 ... p-side contact layer
17, 32 ... p electrode
19, 33 · · · n electrode