JP2003264345A - 窒化物半導体発光素子 - Google Patents

窒化物半導体発光素子

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JP2003264345A
JP2003264345A JP2002064658A JP2002064658A JP2003264345A JP 2003264345 A JP2003264345 A JP 2003264345A JP 2002064658 A JP2002064658 A JP 2002064658A JP 2002064658 A JP2002064658 A JP 2002064658A JP 2003264345 A JP2003264345 A JP 2003264345A
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crack prevention
carbon
light emitting
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JP2002064658A
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Yoshihiro Ueda
吉裕 上田
Teruyoshi Takakura
輝芳 高倉
Takayuki Yuasa
貴之 湯浅
Yuzo Tsuda
有三 津田
Masahiro Araki
正浩 荒木
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Original Assignee
Sharp Corp
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 従来のクラック低減技術では、p型層より生
じるクラックを効果的に防止することが困難であった。 【解決手段】 一般式InxGayAl1-(x+y)N(0≦
x≦1、0≦x+y≦1)で表される窒化物半導体を複
数層積層した構造でを有する発光素子において、互いに
接する層の格子定数が大小関係にあるn型GaN層とn
型AlGaN層界面,n型AlGaN層とn型GaN光
ガイド層界面およびp型GaN光ガイド層とp型AlG
aN界面に炭素を1014cm-3以上1020cm-3以下の
濃度で含むクラック防止層を50nm以上1μm以下の
厚さで導入し、格子緩和させにより界面からのクラック
発生を防止する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は高輝度窒化物半導体
発光素子の構造に関する。
【0002】
【従来の技術】一般式Ga1-(x-y)AlxInyN(0≦
x≦1、0≦x+y≦1)で表される窒素化合物半導体
は、発光素子の材料として研究開発されている。例えば
発光素子の場合、その組成を用途に応じて調節すること
により青色から橙色までの幅の広い波長域で発光させる
ことができる。その特性を利用して青色発光ダイオード
や緑色発光ダイオードが実用化され、さらに、青紫色半
導体レーザが開発されつつある。このような発光素子を
作製する場合、GaNあるいはサファイア、SiC、Z
nO、CaO、MnO等を基板として用いたホモエピタ
キシャル成長あるいはヘテロエピタキシャル成長によっ
て結晶成長し、目的に応じて組成を調整した複数層を積
層した素子構造が作製されている。
【0003】しかしながら、GaN基板を用いたホモエ
ピタキシャル成長であっても、例えば主として素子のコ
ンタクト層として積層されるGaNと、主として光閉じ
込め層として用いられるAlGaNの間に大きな格子不
整合が存在するため、例えばレーザ素子においてクラッ
ド層として典型的に用いられるAl0.1Ga0.9Nの場合
GaNとの格子不整合は0.2%で、臨界膜厚が数十n
mとなり、この臨界膜厚を大きく超えた厚さにAlGa
N層を積層した場合、容易にクラックを生じる。また、
AlGaN層成長後の温度変化により当該層に引っ張り
方向の応力が印可された場合、同様にクラックを生じ
る。基板としてサファイア、SiC等の異種基板を用い
るヘテロエピタキシャル成長では、基板とエピタキシャ
ル成長膜の間に存在する大きな熱膨張係数差と格子不整
合によって引っ張り方向の応力が生じ、クラックを発生
させる。これらホモエピタキシャル成長、ヘテロエピタ
キシャル成長いずれでも発生するクラックは、AlGa
N層より上に位置する素子構造を破壊あるいは分断する
ことになり、歩留りおよび特性を悪化させるという問題
がある。また、下地となるGaNの上に積層するAlG
aNのAl組成により、クラックを生じずに積層可能な
AlGaN層の厚さが決まるため、素子構造の設計に制
限を加える原因となり、例えばAl組成を低くして光閉
じ込め層を厚く積層可能な設計を採用した場合、レーザ
素子において動作するに必要なしきい値電流が増大し、
素子内部に生じる熱により寿命が著しく短くなる。
【0004】この問題に対して、特開平11−6815
8号公報ではn型GaNコンタクト層とn型AlGaN
クラッド層との間にn型GaNとn型AlGaNを多数
積層した超格子(平均Al組成はバルクの場合のクラッ
ド層と同じ)を挿入し、n型AlGaN層のクラックを
低減する手法が開示されている。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、特開平
11−68158号公報に開示された超格子によるクラ
ック緩和技術では、専らn型GaN層とn型AlGaN
層との間に存在する格子不整合あるいは熱膨張係数差に
起因するクラックを減少させるのみであって、n型Al
GaN層より上層に積層される活性層からp型コンタク
ト層に至る素子構造中に生じるクラックを効果的に減少
させることができないという問題がある。すなわち、再
度Alを含む層を1層以上積層させた場合には当該層と
その前後の層の間で新たに格子不整合が生じるため、再
度成長したAlGaN層からクラックが発生しそれ以後
の各層の品質が低下する。
【0006】通常、発光素子の大きさを500μm×5
00μmとしたとき、1素子中のクラック数が一本未満
であれば、製造および特性に影響が及ばない。対応する
クラック密度は400cm-2となる。従来例に開示され
た手法を適用してクラックの少ない窒化物系半導体膜を
作製した場合であっても、その膜上に例えば光閉じ込め
のためにp型のAlGaN層を有する発光素子を作製す
る場合、p型AlGaNクラッド層を積層する際にp型
AlGaNクラッド層とその上下層との間で生じる格子
不整合によって新たに転位が発生し、素子特性を悪化さ
せる。また、分割前のウエハ面内にクラックが存在すれ
ば、後の素子化行程において、クラックを有する部分
で、例えば電極パターンの断裂や、電流リークあるいは
電極間の短絡等により、最終的な歩留りを極端に低下さ
せる。
【0007】
【課題を解決するための手段】本発明では、前記課題を
解決するため、n型およびp型双方のAlGaN層から
発生するクラックを防止し、発光素子の特性および歩留
まり向上を実現する手段を提供する。
【0008】本発明の窒化物半導体発光素子は、一般式
InxGayAl1-(x+y)N(0≦x≦1、0≦x+y≦
1)で表される窒化物半導体を複数層積層した構造の窒
化物半導体発光素子において、その積層構造中の少なく
とも一層以上がクラック防止層であり、かつ該クラック
防止層が炭素を含有することを特徴とする窒化物半導体
発光素子。
【0009】さらに、本発明の窒化物半導体発光素子の
クラック防止層は、素子を構成する複数層のうち、互い
に格子定数が異なり、格子定数が大きい層と格子定数が
小さい層の界面に位置することを特徴とする。
【0010】さらに、本発明の窒化物半導体発光素子の
積層構造は、GaN層と、GaN層と接したAlGaN
層を含み、クラック防止層は、GaN層とAlGaN層
の界面に位置することを特徴とする。
【0011】さらに、本発明の窒化物半導体発光素子の
クラック防止層の厚さは、50nm以上1μm以下であ
ることを特徴とする。
【0012】さらに、本発明の窒化物半導体発光素子の
クラック防止層は、炭素濃度が10 14cm-3以上1020
cm-3以下であることを特徴とする。
【0013】さらに、本発明の窒化物半導体発光素子の
クラック防止層の成長温度が500℃以上1200℃以
下であることを特徴とする。
【0014】本発明では、ホモエピタキシャル成長のた
めのGaN基板あるいはサファイア、SiC等のヘテロ
エピタキシャル成長に用いられる結晶を基板として、通
常のMOCVD(有機金属気相成長)法によるエピタキ
シャル成長技術を用いて素子構造を作製する。レーザ構
造を順次積層する過程において、それぞれの層の格子定
数が大から小に変化する関係にあるn型GaN層とn型
AlGaN層の界面から双方の層側に50nm以上1μ
m以下の厚さに炭素を1014cm-3以上1020cm-3
下の濃度で含むように制御してドーピングし、クラック
防止層とすることを特徴としている。また、同様にそれ
ぞれの層の格子定数が大から小に変化する関係にあるp
型GaN層とp型AlGaN層の界面からp型AlGa
N層側に50nm以上1μm以下の厚さに炭素を1014
cm-3以上1020cm-3以下の濃度で含むように制御し
てドーピングし、クラック防止層とすることを特徴とし
ている。
【0015】炭素はAlGaN中でドナーとして働くた
め、従来の素子成長手法とさほど変わらない簡便な方法
で適用することができる。また、p型AlGaN中にお
いては、例えばMg等のアクセプタとドナーである炭素
がアクセプタ−ドナー−アクセプタ複合体を形成し、ア
クセプタの活性化エネルギーを下げるため、p型化が容
易になる福次的な効果が生じ、さらに素子特性を向上さ
せることが可能となる。
【0016】これら炭素添加された領域がクラック防止
の効果を発揮する。前記層中に炭素を所定の濃度に添加
することにより、炭素を添加した領域の格子が緩和され
n型およびp型GaNと対応するn型およびp型AlG
aNとの格子不整合が縮小することにより、本来なら
ば、格子不整合により生じる応力が低下し、クラックの
発生を防止することができる。その結果として、製造工
程における歩留まりと素子特性の向上が可能となる。
【0017】素子構造の成長方法はMOCVD法のみな
らず、分子線エピタキシ−法(MBE)あるいはハイド
ライド気相成長法(HVPE)等、一般的に窒化物半導
体結晶成長に用いられる方法を適用することができる。
しかしながら、生産性を考慮する場合には、他の方法に
比べて低コストで、かつ大面積基板が使用可能できる前
述のMOCVD法が最も適している。
【0018】本発明により作製したレーザ素子の一例を
図1に示す。素子を構成する各層はMOCVD法により
成長される。素子構造は、n型GaN基板(101)上
に順にn型GaN層(102)、クラック防止のための
炭素添加GaN層(103)(クラック防止層−A)、
n型AlGaNクラッド層から発生するクラックを防止
するための炭素添加n型AlGaN層(104)(クラ
ック防止層−B)、InGaN多重量子井戸活性層(1
07)からの光を閉じ込めるためのn型AlGaNクラ
ッド層(105)、活性層近傍に光を分布させるための
n型GaN光ガイド層(106)、単一あるいは多重量
子井戸構造からなるInGaN活性層(107)、素子
構造作製過程で活性層の昇華防止および、p型層からの
不純物拡散を防止するためのAlGaNブロック層(1
08)、活性層からの光を活性層近傍に分布させるp型
GaN光ガイド層(109)、クラックを防止するため
の炭素添加p型AlGaN層(110)(クラック防止
層−C)、光閉じ込めのためのp型AlGaNクラッド
層(111)、p型GaN層(112)、p型GaNコ
ンタクト層(113)の順で積層したものである。最表
面のp型GaN層(113)は横方向への光閉じ込めの
ためリッジ状に加工し、絶縁膜(114)を通常のフォ
トリソグラフィにより形成しp型電極(115)を付け
る。n型電極(116)は基板(101)裏面に形成し
ている。ここで、基板はGaN以外にサファイア、Si
C、GaAs、スピネル(MgAl24)等、一般に窒
化物半導体結晶を成長可能な材料を用いることができる
が、その場合、ヘテロエピタキシャル成長であるため、
素子特性はGaN基板に比べて劣る。したがって、本発
明において最も適する基板はGaNである。
【0019】本発明によって、従来のn型GaN層最表
面、n型AlGaNクラッド層最下面および/あるいは
p型AlGaNクラッド層最下面に炭素を添加してクラ
ック防止層とすることにより、まず、本来であればn型
GaN層とn型AlGaNクラッド層との界面から両者
の格子不整合により発生するはずのクラックは、炭素の
クラスタによる格子緩和によって効果的に防止され、ま
た、同様に界面から生じた転位は炭素クラスタに捕らえ
られて上部層への伝搬が防止されるため、通常であれば
素子表面にまで達するクラックの発生を防止することが
可能となる。さらに、p型GaN光ガイド層とp型Al
GaNクラッド層との界面に設けられた炭素添加p型A
lGaN層(110)も同様に、p型GaN層とp型A
lGaN層界面の格子不整合により本来ならば発生する
はずのクラックを、炭素添加による格子緩和によって効
果的に防止することができる。本発明により、例えば直
径2インチの基板上にレーザ素子構造を積層した場合、
クラックは全く発生しない。したがって、従来手法によ
るレーザ素子と比べた場合、生産工程における歩留まり
が飛躍的に向上する。本発明をレーザ素子に適用するこ
とにより、素子表面に達するクラックが著しく減少し、
活性層を貫通する転位が減少するため、発光に関る特性
や駆動電圧、電流等の電気的な素子特性および素子寿命
が格段に向上する。
【0020】
【発明の実施の形態】(実施の形態1)本実施の形態で
は、(0001)面GaN基板上レーザ素子を作製する
際、n型GaN層とn型AlGaNクラッド層が接する
界面からn型GaN層側およびn型AlGaN層の両側
に炭素を添加してそれぞれの一部分にクラック防止層を
形成し、また、p型GaN光ガイド層とp型AlGaN
クラッド層が接する界面からp型AlGaNクラッド層
側に炭素を添加してそれぞれの一部分にクラック防止層
を形成した例について図1および図2を参照しながら説
明する。
【0021】まず、厚さ400μmの2インチ径(00
01)面GaN基板(101)を通常の方法で洗浄し、
MOCVD装置にセットする。基板をアンモニア雰囲気
中で加熱し1050℃で安定させる。その後、TMG
(トリメチルガリウム)を約50μmol/minとS
iH4ガスを約10nmol/min供給してn型Ga
N層(102)を約3μm成長する。その後、原料供給
を継続しつつ、新たにCH4を10nmol/min供
給して、さらに1μmの厚さにGaN層成長させ、クラ
ック防止層−A(103)とする。その際、炭素源とし
て一般式Cn2(n +1)で表される炭素化合物、C(Cn
2n+14で表される炭素化合物を用いることができる。
続いて、TMA(トリメチルアルミニウム)を10μm
on/min供給して0.1μmの厚さに成長させ、ク
ラック防止層−B(104)とする。その際、n型Ga
Nクラック防止層と同様に、炭素源として一般式Cn
2(n+1 )で表される炭素化合物、C(Cn2n+14で表さ
れる炭素化合物を用いることができる。CH4のみ供給
停止して0.9μmの厚さにn型Al0.15Ga0.85Nク
ラッド層(105)を成長する。
【0022】ここで、n型GaNおよびn型AlGaN
からなるクラック防止層(103)、(104)の炭素
濃度は1014cm-3以上1020cm-3以下でなければな
らない。これは、過剰な炭素が存在すると、転位の発生
源となるためである。n型Al0.15Ga0.85Nクラッド
層(105)の成長後、CH4とTMAの供給を停止し
て約0.1μmのn型GaN光ガイド層(106)を成
長する。光ガイド層は炭素を含んでも含まなくてもよい
が、過剰な炭素が転位源となることを防止するため、炭
素を含む場合の濃度は1020cm-3より低くなければな
らない。
【0023】多重量子井戸からなる活性層(107)を
成長するために、SiH4とTMGの供給を停止して基
板の温度を850℃〜800℃程度まで低下させる。こ
こで、活性層の成長温度およびIII族原料供給量は素
子の発光波長を決定するパラメ−タの一つであり、II
I族原料の供給量が同じであれば低温で発光波長が長く
なる傾向を示す。前記基板温度は、紫〜緑の発光素子を
作製するための温度であり、基板温度を変えることによ
って、必要な波長帯を得ることができる。温度の安定
後、TMGを10μmol/min、TMI(トリメチ
ルインジウム)を10μmol/min供給し、InG
aN活性層(107)を形成するIn0.05Ga0.95N障
壁層を約5nmの厚さに成長する。その際、Siドーピ
ングの有無は活性層の発光特性にほとんど関係しないの
で、例えばp−n接合位置を制御するためにSiH4
10nmol/min程度流しても問題ない。
【0024】つづいてTMGを10μmol/min、
TMIを50μmol/min供給し、井戸層であるI
0.2Ga0.8Nを約3nmの厚さに成長する。障壁層と
井戸層の成長行程を繰り返し、必要な周期の多重量子井
戸を成長した後、最後に障壁層を成長してInGaN活
性層(107)の成長を終了する。通常、井戸層の層数
は2層から5層にするのが最もキャリア注入されやすく
発光効率の良い素子ができることがわかっている。ま
た、活性層は炭素を含んでも含まなくてもよいが、炭素
を含む場合の濃度は、1020cm-3より低くなければな
らない。これは、過剰な炭素が転位源となり、活性層中
の非発光領域を増大させるためである。
【0025】活性層成長後、InGaN膜の昇華と活性
層上のp型層からのドーパント拡散を防止するために、
TMGを10μmol/min、TMAを5μmol/
min、及びCp2Mg(ビスシクロペンタジエニルマ
グネシウム)を供給し、約30nmの厚さにAlGaN
ブロック層(108)を成長し、TMG、TMAおよび
Cp2Mgの供給を停止して再び1050℃に昇温す
る。温度を安定させた後、TMGを50μmol/mi
nとCp2Mgを供給し、p型のGaNよりなる光ガイ
ド層(109)を0.1μm成長する。続いて、TMA
を10μmol/min、CH4を10nmol/mi
n供給し、0.1μmのp型Al0.15Ga0 .85Nを0.
1μm成長させ、クラック防止層−C(110)とす
る。
【0026】その後、CH4のみ供給を停止してp型A
0.15Ga0.85Nクラッド層(111)を連続して0.
4μmの厚さに成長させる。続いて、TMAの供給を停
止し、p型のGaN層(112)を約4μm成長する。
最後に、Cp2Mgの供給量を2倍にしてp型GaNコ
ンタクト層(113)を0.5μm成長する。全成長工
程終了後、TMGとCp2Mgの供給を停止して基板加
熱を終了する。室温まで冷却した後、基板を取り出し、
Mgを活性化するために窒素中で900℃にて10分間
の熱処理を行なう。p型化処理(Mgの活性化)後、裏
面研磨した後、フォトリソグラフィと反応性イオンエッ
チング(RIE)を使用して幅2μm、高さ0.4μm
のリッジを形成し、リッジ頂上のみ開口するように絶縁
膜(114)をスパッタまたは電子ビーム(EB)蒸着
し、リッジ頂上の開口部にp型電極(115)を、裏面
にn型電極(116)をそれぞれ蒸着する。電極形成終
了後、基板を劈開して間隔500μmの光共振器端面を
形成する。
【0027】比較のため、図1中のクラック防止層−A
(103)、クラック防止層−B(104)およびクラ
ック防止層−C(110)を省略して図2に示す従来構
造のレーザ素子を作製した。この素子の構造は、n型G
aN基板(201)上に順にn型GaN層(202)、
InGaN多重量子井戸活性層からの光を閉じ込めるた
めのn型AlGaNクラッド層(203)、活性層近傍
に光を分布させるためのn型GaN光ガイド層(20
4)、InGaN多重量子井戸活性層(205)、素子
構造作製過程で活性層の昇華防止および、p型層からの
不純物拡散を防止するためのAlGaNブロック層(2
06)、p型GaN光ガイド層(207)、p型AlG
aNクラッド層(208)、p型GaN層(209)、
p型GaNコンタクト層(210)の順で積層したもの
である。最表面のp型GaN層(210)は横方向への
光閉じ込めのためリッジ状に加工し、絶縁膜(211)
を通常のフォトリソグラフィにより形成して開口部にp
型電極(212)を付ける。n型電極(213)は基板
(201)裏面に形成している。各層の厚さ、不純物お
よびその濃度は図1の、対応する各層のそれと同じにな
るように調整した。
【0028】以上の手順により作製した素子を評価した
ところ、従来構造の素子(図2)が1mm程度の間隔で
120°に交差する多数のクラックを生じたのに対し
て、本発明を適用した素子(図1)では、2インチ面内
全域でクラックが皆無であった。これは、n型GaN、
n型AlGaNおよびp型AlGaN層のそれぞれに炭
素を添加したクラック防止層を設けたことにより、それ
ぞれの界面における格子不整合が緩和されクラックが発
生しない状態になったためである。従来構造の素子(図
2)は電圧5Vで発振閾値電流密度800A/cm2
あるのに対して、炭素添加クラック防止層を導入した素
子(図1)では電圧4V、発振閾値電流密度500A/
cm2と駆動電圧、閾値電流密度共に低下した。これ
は、クラックによる素子構造の破壊が防止できたことに
起因すると考えられる。事実、電子顕微鏡を用いて従来
素子の断面を観察したところ、n型AlGaN層から発
生したクラックにより、活性層が分断された領域が多数
見られ、クラック密度は1200cm-2と1素子中に3
本程度のクラックが存在する状態であったのに対し、本
願の構造の素子(図1)では、クラックは観察されず、
発光特性および電気特性が向上し、また、素子化行程に
おける歩留まりが大きく改善することが確認された。 (実施の形態2)本実施の形態では、図1の積層構造の
レーザ素子において、それぞれのクラック防止層厚さを
変えた例について図3および図4を参照しながら説明す
る。
【0029】素子構造の作製は基本的に実施の形態1と
同じ手順によるが、各クラック防止層に添加する炭素濃
度を1016cm-3一定に保ち、炭素を添加する厚さを2
0nmから6μmまで変化させた。
【0030】クラック防止層の厚さに対するクラック密
度の変化を図3に示す。クラック防止層が50nmより
薄い領域でクラック密度が増加する傾向が見て取れる。
50nmより薄いクラック防止層では、格子緩和するも
のの、その上に積層する層が0.5μmを超える厚さで
あるため、クラック防止層で緩和することのできる応力
の絶対値が低くなるためにクラックを十分に防止できな
いと考えられる。なお、クラック防止層が200nmを
超える場合には、図中に示すように、クラック密度が0
となるため、対数軸上に示すことができず、省略した。
【0031】次に、クラック防止層の厚さと素子の駆動
電圧および閾値電流密度の関係を図4に示す。同図にお
いて、●は駆動電圧を、○は閾値電流密度を現す。
【0032】図3より、クラック防止層の厚さが50n
mより薄い場合および1μmより厚い場合に駆動電圧お
よび閾値電流密度が上昇する傾向にあることがわかる。
クラック防止層が50nmより薄い領域では、図3との
対比からクラックが発生して素子構造を分断するために
駆動電圧が上昇し、逆にクラック防止層が1μmより厚
い領域では、クラック防止層より下に位置する層、例え
ばn型GaN層とクラック防止層より上に位置する層、
例えばn型AlGaNクラッド層との間に、成長面の原
子配列を整然と引き継ぐことができなくなる結果として
結晶欠陥が導入されリーク電流や非発光再結合中心が増
加することにより閾値電流密度が上昇すると考えられ
る。
【0033】本実施の形態より、クラックにのみ着目し
た歩留まりの点で、クラック防止層厚さは50nm以上
が望ましいが、さらに素子特性を合わせて判断すると、
クラックがなく、かつ素子特性のよいクラック防止層厚
さは50nm以上1μm以下であることがわかる。 (実施の形態3)本実施の形態では、図1の積層構造の
レーザ素子において、図5および図6を参照しながら説
明する。
【0034】素子構造の作製は基本的に実施の形態1と
同じ手順によるが、各クラック防止層に添加する炭素濃
度を1014cm-3から1021cm-3の間で変化させた試
料を複数作製した。クラック防止層に含まれる炭素濃度
を変えるため、クラック防止層−A(103)、B(1
04)およびC(110)を成長する際のCH4供給量
を5nmolから100nmolまで数点変化させた。
【0035】以上の手順により作製した素子のクラック
防止層に含まれる炭素濃度は二次イオン質量分析(SI
MS)により測定した。光学顕微鏡による観察で、クラ
ック防止層に添加した炭素濃度が9×1014cm-3より
低い試料ではクラックの発生が顕著であった。しかし、
9×1014cm-3を超える炭素濃度では全くクラックが
見られないか、あるいはクラックが見られる場合でも4
00cm-2以下の密度であり、実用上問題無い程度であ
った。
【0036】炭素濃度とクラック密度の関係を図5に示
す。炭素濃度9×1013cm-3でクラックが発生してい
ることから、炭素濃度が1014cm-3未満である場合に
は、緩和が不十分であり、格子不整合によってクラック
を生じていることがわかる。なお、クラック防止層の炭
素濃度が1015cm-3を超える場合には、図中に示すよ
うに、クラック密度が0となるため、対数軸上に示すこ
とができず、省略した。
【0037】次に、各素子の特性を測定したところ、炭
素濃度が低いおよび高いで駆動電圧と発振閾値電流が上
昇する傾向が見られた。図6に炭素濃度と駆動電圧およ
び閾値電流の関係を示す。図中で●は駆動電圧を示し、
○は閾値電流を示す。駆動電圧、閾値電流供に炭素濃度
1014cm-3および9.5×1019cm-3から上昇し始
める兆しが見られ、1014cm-3未満および1020cm
-3を超える炭素濃度ではいずれもはっきりと増加する傾
向が見て取れる。炭素濃度の高低により電圧、電流が増
加する機構は違っていると考えられる。すなわち、炭素
濃度が1014cm-3未満の領域では、格子緩和が不十分
であり、クラックが生じることと、転位の伝搬によりリ
ーク電流および活性層での非発光再結合が増加すること
により駆動電圧と閾値電流密度が上昇し、逆に炭素濃度
が1020cm-3を超える領域においては、炭素濃度が結
晶組成の領域に入るため、結晶格子が本来のGaNある
いはAlGaNから大きく乱れて乱雑になるため特性が
悪化している。したがって、本実施の形態から明らかな
ように、クラック防止層に添加すべき炭素の濃度は10
14cm-3以上1020cm-3以下でなければならない。 (実施の形態4)本実施の形態では、図1の積層構造の
レーザ素子において、n型GaN層側およびn型AlG
aN層側に炭素を添加してクラック防止層を成長させる
際の温度を変えた例について図7および図8を参照しな
がら説明する。
【0038】素子構造の作製は基本的に実施の形態1と
同じ手順によるが、各クラック防止層に添加する炭素濃
度を1016cm-3に設定し、クラック防止層−A(10
3)およびB(104)を成長差せる際、下に位置する
n型GaN層(102)の成長後、一旦TMGおよびS
iH4の供給を停止して、NH3雰囲気中で所定のクラッ
ク防止層成長温度まで降温または昇温し、安定後にTM
G、SiH4に加えて炭素源であるCH4を同時に供給し
て1μmの厚さにクラック防止層−A(103)を成長
させた。続いて、温度を一定に保ったままTMAを追加
供給してクラック防止層−B(104)を連続して成長
させた。クラック防止層−B(104)の成長後、TM
G、TMA、SiH4およびCH4の供給を停止してNH
3雰囲気中で1050℃まで昇温または降温し、温度を
安定させてTMG、TMAおよびSiH4を再度供給し
てn型AlGaNクラッド層を成長させた。それ以外の
成長は実施の形態1にて説明した条件である。
【0039】クラック防止層の成長温度に対するクラッ
ク密度の変化を図7に示す。成長温度が500℃より低
い場合にクラック密度が増大していることがわかる。こ
れは、500℃より低温で炭素源であるCH4の分解効
率が低下して結晶中に取り込まれる炭素濃度が低下し、
クラック防止層としての効果が充分に発揮されなくなる
ためである。この傾向は炭素源としてCn2(n+1)で表
される化合物およびC(Cn2n+14で表わされる化合
物を使った成長で一般的に見られる傾向であった。従っ
て、クラック防止層の成長温度は500℃以上とする必
要がある。
【0040】次に、クラック防止層の成長温度と素子の
駆動電圧および閾値電流密度の関係を図8に示す。同図
において、●は駆動電圧を、○は閾値電流密度を現す。
図8より、クラック防止層の成長温度が500℃より低
い場合および1200℃を超える場合に駆動電圧および
閾値電流密度が上昇する傾向にあることがわかる。50
0℃より低い温度で成長した場合、前述したように、結
晶中に取り込まれる炭素濃度が低下し、クラック防止層
としての効果が発揮されなくなる結果、クラックの増大
を招き、特性が悪化するためである。同時に、歩留まり
も低下する。逆に成長温度が1200℃を超える領域で
は、クラック密度の増加こそ見られないものの、素子特
性が悪化していることがわかる。これは、1200℃を
超える温度では熱エネルギーにより炭素源の分解が促進
され、結晶中に取り込まれる炭素濃度が過剰になる結
果、クラック防止層としての効果は失われないものの、
過剰炭素の凝集部分が核となって結晶中に転位を生じ、
上層の活性層を貫通するこれら転位により非発光中心密
度と注入キャリアのリークパスが増加することによる。
従って、クラック密度および素子特性を考慮し、クラッ
ク防止層の成長温度は500℃以上1200℃以下であ
ることが望ましい。
【0041】
【発明の効果】以上述べたように、本発明は、レーザ等
の発光素子において主としてGaNとAlGaNの間の
格子不整合および熱膨張係数差に起因し、素子特性と生
産における歩留まりを悪化させる原因となるクラックの
発生を抑えるため、GaNあるいはサファイア等の通常
窒化物半導体のエピタキシャル成長に用いられる結晶を
基板として、通常のMOCVD法等のエピタキシャル成
長技術によりレーザ構造を順次積層する過程において、
互いに接する層の格子定数が大小の関係にあるn型Ga
N層とn型AlGaN層界面、n型AlGaN層に接す
るn型GaN光ガイド層界面およびp型GaN光ガイド
層に接するp型AlGaN層界面に炭素を1014cm-3
以上1020cm-3以下の濃度で含むクラック防止層を5
0nm以上1μm以下の厚さで導入することを特徴とし
ている。炭素を含むことでクラック防止層の格子を緩和
させ、界面からのクラック発生を防止することによっ
て、生産における歩留まりを向上させ、また、素子特性
を向上させる効果を実現するものである
【図面の簡単な説明】
【図1】窒化物半導体を用い、本発明を適用してGaN
基板上に作製したレーザ素子の構造を示す図である。
【図2】窒化物半導体を用いてGaN基板上に作製した
従来素子の構造を示す図である。
【図3】クラック防止層の厚さとクラック密度の関係を
表わした図である。
【図4】クラック防止層の厚さと閾値電流密度および駆
動電圧の関係を表わした図である。
【図5】クラック防止層に含まれる炭素の濃度クラック
密度の関係を表わした図である。
【図6】クラック防止層に含まれる炭素の濃度と閾値電
流密度および駆動電圧の関係を表わした図である。
【図7】クラック防止層の成長温度とクラック密度の関
係を表わした図である。
【図8】クラック防止層の成長温度と閾値電流密度およ
び駆動電圧の関係を表わした図である。
【符号の説明】
101…n型GaN基板 102…n型GaN層 103…炭素添加GaN層(クラック防止層−A) 104…炭素添加n型AlGaN層(クラック防止層−
B) 105…n型AlGaNクラッド層 106…n型GaN光ガイド層 107…InGaN多重量子井戸活性層 108…AlGaNブロック層 109…p型GaN光ガイド層 110…炭素添加p型AlGaN層(クラック防止層−
C) 111…p型AlGaNクラッド層 112…p型GaN層 113…p型GaNコンタクト層 114…絶縁膜 115…p型電極 116…n型電極 201…n型GaN基板 202…n型GaN層 203…n型Al0.15Ga0.85Nクラッド層 204…n型GaN光ガイド層 205…InGaN多重量子井戸活性層 206…AlGaNブロック層 207…p型GaN光ガイド層 208…p型Al0.15Ga0.85Nクラッド層 209…p型GaN層 210…p型GaNコンタクト層 211…絶縁膜 212…p型電極 213…n型電極
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 湯浅 貴之 大阪府大阪市阿倍野区長池町22番22号 シ ャープ株式会社内 (72)発明者 津田 有三 大阪府大阪市阿倍野区長池町22番22号 シ ャープ株式会社内 (72)発明者 荒木 正浩 大阪府大阪市阿倍野区長池町22番22号 シ ャープ株式会社内 Fターム(参考) 5F073 AA04 AA51 AA74 CA07 CB19 DA05 EA28

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 一般式InxGayAl1-(x+y)N(0≦
    x≦1、0≦x+y≦1)で表される窒化物半導体を複
    数層積層した構造の窒化物半導体発光素子において、そ
    の積層構造中の少なくとも一層以上がクラック防止層で
    あり、かつ該クラック防止層が炭素を含有することを特
    徴とする窒化物半導体発光素子。
  2. 【請求項2】 クラック防止層は、素子を構成する複数
    層のうち、互いに格子定数が異なり、格子定数が大きい
    層と格子定数が小さい層の界面に位置することを特徴と
    する請求項1に記載の窒化物半導体発光素子。
  3. 【請求項3】 積層構造は、GaN層と、GaN層と接
    したAlGaN層を含み、クラック防止層は、GaN層
    とAlGaN層の界面に位置することを特徴とする請求
    項1に記載の窒化物半導体発光素子。
  4. 【請求項4】 クラック防止層の厚さは、50nm以上
    1μm以下であることを特徴とする請求項1に記載の窒
    化物半導体発光素子。
  5. 【請求項5】 クラック防止層は、炭素濃度が1014
    -3以上1020cm -3以下であることを特徴とする請求
    項1に記載の窒化物半導体発光素子。
  6. 【請求項6】 クラック防止層の成長温度が500℃以
    上1200℃以下であることを特徴とする請求項1に記
    載の窒化物半導体発光素子。
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