JP2004063537A - 半導体発光素子およびその製造方法ならびに半導体装置およびその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】n側クラッド層5とp側クラッド層9、12との間に活性層7が挟まれた構造を有し、かつ、Al組成が10%以上のp型AlGaN電子ブロック層を有する、窒化物系III−V族化合物半導体を用いた半導体発光素子において、p型AlGaN電子ブロック層11の少なくとも一部にInを1×1019/cm3 以上含ませる。例えば、In濃度をほぼ均一とし、1×1019/cm3 以上1×1022/cm3 未満とする。
【選択図】 図1
Description
【発明の属する技術分野】
この発明は、半導体発光素子およびその製造方法ならびに半導体装置およびその製造方法に関し、特に、窒化物系III−V族化合物半導体を用いた半導体レーザや発光ダイオードに適用して好適なものである。
【0002】
【従来の技術】
近年、光ディスクの高密度化に必要である青色領域から紫外線領域におよぶ発光が可能な半導体レーザとして、AlGaInNなどの窒化物系III−V族化合物半導体を用いた半導体レーザの研究開発が盛んに行われ、すでに実用化されている。
【0003】
これまでに報告されている半導体レーザにおいては、p型クラッド層側の活性層の直上にp型AlGaNからなる電子ブロック層(キャップ層ともいう)が設けられている(例えば、特開平9−219556号公報)。このp型AlGaN電子ブロック層を用いた従来の半導体レーザの一例のエネルギーバンド、特にその伝導帯を図11に示す。図11において、Ec は伝導帯の下端のエネルギーを示す。p型AlGaN電子ブロック層のAl組成は一般に10%以上であり、その厚さは10〜30nmである。この半導体レーザにおいては、このp型AlGaN電子ブロック層が特に高温、高電流駆動時においても電子のオーバーフローを抑制し、かつ、活性層からのInの脱離を防ぐと考えられている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述の従来の半導体レーザにおいては、p型AlGaN電子ブロック層は、Al組成が10%以上と高いことにより比抵抗が非常に大きいため(〜10Ωcm以上と考えられる)、10〜30nmの厚さであっても、動作時にこのp型AlGaN電子ブロック層の抵抗により大きな電圧降下が発生し、これが動作電圧の低減の一つの障害になっていた。また、このp型AlGaN電子ブロック層は、p型不純物として通常用いられるMgの活性化率が低く、正孔濃度が低いため、電子ブロック層としての役割を十分に果たすことができず、電子のオーバーフローの抑制効果が不十分であった。
【0005】
したがって、この発明が解決しようとする課題は、p型AlGaN電子ブロック層などの、Al組成が10%以上のp型層を有する場合においても、動作電圧の低減を図ることができ、しかもそのp型層による電子ブロッキング効果を十分に得ることができる半導体発光素子およびそのような半導体発光素子を容易に製造することができる半導体発光素子の製造方法を提供することにある。
【0006】
この発明が解決しようとする課題は、より一般的には、Al組成が10%以上のp型層を有する場合においても、動作電圧の低減を図ることができ、しかもそのp型層による電子ブロッキング効果を十分に得ることができる半導体装置およびそのような半導体装置を容易に製造することができる半導体装置の製造方法を提供することにある。
【0007】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、この発明の第1の発明は、
n側クラッド層とp側クラッド層との間に活性層が挟まれた構造を有し、かつ、Al組成が10%以上のp型層を有する、窒化物系III−V族化合物半導体を用いた半導体発光素子において、
p型層の少なくとも一部にInが1×1019/cm3 以上含まれている
ことを特徴とするものである。
【0008】
この発明の第2の発明は、
n側クラッド層とp側クラッド層との間に活性層が挟まれた構造を有し、かつ、Al組成が10%以上のp型層を有する、窒化物系III−V族化合物半導体を用いた半導体発光素子の製造方法であって、
In含有層上にp型層を成長させ、その際In含有層からp型層の少なくとも一部にInを1×1019/cm3 以上含まれるように拡散させるようにした
ことを特徴とするものである。
【0009】
この発明の第1および第2の発明において、p型層のInの濃度分布は基本的には任意であるが、p型層全体にわたって電子ブロッキング効果を確実に得る観点からは、好適には、p型層のIn濃度はほぼ均一であり、1×1019/cm3 以上1×1022/cm3 未満である。p型層の厚さは必要に応じて選ばれるが、このp型層の抵抗が高くなりすぎるのを防止する観点からは、一般的には30nm以下である。p型層のAl組成は、十分な電子ブロッキング効果を得るとともに、ドープされるp型不純物の活性化率を一定値以上確保する観点から、典型的には、10%以上30%以下である。p型層は、具体的には、例えばp型Alx Ga1−x N(ただし、0.1≦x<1)からなり、典型的には、p型Alx Ga1−x N(ただし、0.1≦x≦0.3)からなる。Inを含有するp型層は、これらの単層構造のほか、Inを含む層とInを含まない層とが交互に積層された構造、例えばp型AlGaN/AlInGaN超格子層であってもよく、これらの場合、十分な大きさのバンドギャップを確保するとともに、ドープされるp型不純物の活性化率を一定値以上確保する観点から、好適にはその平均的なIn組成は12%以下に選ばれ、また、Al組成は10%以上30%以下に選ばれる。電子ブロック層として用いられるp型層は、活性層とp側クラッド層との間に設けても良いし、p側クラッド層中に設けても良いし、それらの両方に設けても良い。
【0010】
この半導体発光素子は、典型的にはSCH(Separate Confinement Heterostructure)構造を有する。すなわち、n側クラッド層と活性層との間にn側光導波層が設けられ、p側クラッド層と活性層との間にp側光導波層が設けられる。これらのn側光導波層およびp側光導波層の厚さは一般的には0nmより大きく、150nm以下である。
【0011】
n側クラッド層、典型的にはn型クラッド層の厚さは、半導体発光素子の動作時に活性層で発生する光の閉じ込めを強くし、基板側への光のしみ出しを少なくする観点からは、好適には、2μm以上に選ばれる。このn側クラッド層は、典型的には、AlInGaNからなり、そのAl組成は6%未満である。また、このn側クラッド層は、典型的には、互いにAl組成が異なる2層以上の層により構成しても良く、具体的には、例えば、Al組成が5%以上の層とAl組成が5%以下の層とにより構成し、前者の層の厚さを1μm以下、後者の層の厚さを1μm以上とする。一方、活性層あるいはn側光導波層とn側クラッド層との間の平均屈折率差は、好適には、0.07未満である。
【0012】
p側クラッド層はその全体をp型としても良いが、p側クラッド層の抵抗の低減を図る観点からは、活性層側から順にアンドープまたはn型の第1の層とp型不純物がドープされたp型の第2の層とにより構成し、かつ、第2の層がこの第2の層よりバンドギャップが大きい上記のp型層を有するようにしても良い。p側クラッド層の全体の厚さは、一般には500〜600nmあれば足りる。p側クラッド層のp型の第2の層の厚さは一般的には0nmより大きく、550nm以下あるいは450nm以下であるが、典型的には390nm以上550nm以下、より典型的には400nm以上530nm以下である。一方、p側クラッド層のアンドープの第1の層(この場合、n− 型を呈し、比抵抗は一般にp型層に比べて数分の1から1桁程度低い)の厚さは、一般には0nmより大きく、500nm以下であるが、p側クラッド層の抵抗の低減を十分に図る観点より、好適には50nm以上、より好適には70nm以上、更に好適には90nm以上に選ばれ、一方、典型的には400nm以下あるいは300nm以下あるいは200nm以下に選ばれ、これらの上限および下限を任意に組み合わせた範囲であってよい。この第1の層の厚さは、一つの典型的な例では70nm以上130nm以下であり、更に典型的な例では90nm以上110nm以下に選ばれる。これらのアンドープまたはn型の第1の層およびp型の第2の層は、必要な光学特性、例えば十分に高い光閉じ込め係数Γが得られて良好な遠視野像(Far Field Pattern,FFP)などが得られる限り、互いに同じ材料からなるものであっても、互いに異なる材料からなるものであってもよい。前者の例としては、第1の層および第2の層の材料ともAlGaNを用いる場合が挙げられ、後者の例としては、第2の層の材料としてAlGaNを用い、第1の層の材料としてAlGaInN、GaN、InGaNなどを用いる場合が挙げられる。第1の層および第2の層は互いに直接接する場合のほか、何らかの機能を有する他の層を介して間接的に接する場合もありうる。
【0013】
p側クラッド層のアンドープまたはn型の第1の層は、半導体発光素子の動作時にp側電極側から注入される正孔をトンネル効果により活性層に到達しやすくして注入効率を高くするとともに、ヘテロ界面の導入により、第2の層のp型不純物として通常用いられるMgが活性層側に拡散するのを抑制して活性層の劣化を防止する観点より、好適には超格子構造とする。一つの典型的な例においてはp側クラッド層全体を超格子構造とする。
【0014】
また、p型の第2の層のp型不純物として通常用いられるMgが活性層に拡散することによる活性層の劣化を防止する観点からは、活性層とp側クラッド層のp型の第2の層との間の距離は、好適には20nm以上、より好適には50nm以上、更に好適には100nm以上に選ばれる。また、最近の報告によれば、GaNにおける正孔の拡散距離は約0.28μm(280nm)であり、これを考慮すると、電子との再結合の確率を低くし、活性層への正孔の注入効率を高くするためには、活性層とp側クラッド層のp型の第2の層との間の距離は、この拡散距離以下にすることが望ましい。
【0015】
一方、p側クラッド層のp型の第2の層から活性層へのp型不純物、例えばMgの拡散を抑制して活性層の劣化を防止する観点からは、好適には、活性層とp側クラッド層の第2の層との間に、バンドギャップまたは格子定数が互いに異なる層の組み合わせが少なくとも1組以上存在するようにし、あるいは、互いに原子組成比が異なる層からなる超格子構造が少なくとも1層以上存在するようにし、これを格子歪み層としてMgの拡散を防止するようにする。
【0016】
典型的には、活性層の障壁層を構成する窒化物系III−V族化合物半導体はInx Ga1−x N(ただし、0<x<1)であり、活性層の井戸層を構成する窒化物系III−V族化合物半導体はIny Ga1−y N(ただし、0<y<1かつy>x)である。
【0017】
窒化物系III−V族化合物半導体は、一般的には、Ga、Al、InおよびBからなる群より選ばれた少なくとも一種のIII族元素と、少なくともNを含み、場合によって更にAsまたはPを含むV族元素とからなり、具体例を挙げると、GaN、InN、AlN、AlGaN、InGaN、AlGaInNなどである。
半導体発光素子は、半導体レーザや発光ダイオードである。
【0018】
この発明の第3の発明は、
Al組成が10%以上のp型層を有する、窒化物系III−V族化合物半導体を用いた半導体装置において、
p型層の少なくとも一部にInが1×1019/cm3 以上含まれている
ことを特徴とするものである。
【0019】
この発明の第4の発明は、
Al組成が10%以上のp型層を有する、窒化物系III−V族化合物半導体を用いた半導体装置の製造方法であって、
In含有層上にp型層を成長させ、その際In含有層からp型層の少なくとも一部にInを1×1019/cm3 以上含まれるように拡散させるようにした
ことを特徴とするものである。
【0020】
半導体装置は、半導体発光素子のほか、電界効果トランジスタ(FET)やヘテロ接合バイポーラトランジスタ(HBT)などの電子走行素子などであってよい。
この発明の第3および第4の発明においては、その性質に反しない限り、第1および第2の発明に関連して説明したことが成立する。
【0021】
窒化物系III−V族化合物半導体層を成長させる基板としては、種々のものを用いることができ、具体的には、サファイア基板、SiC基板、Si基板、GaAs基板、GaP基板、InP基板、スピネル基板、酸化シリコン基板などのほか、厚いGaN層などの窒化物系III−V族化合物半導体層からなる基板を用いてもよい。
【0022】
窒化物系III−V族化合物半導体の成長方法としては、例えば、有機金属化学気相成長(MOCVD)、ハイドライド気相エピタキシャル成長またはハライド気相エピタキシャル成長(HVPE)などを用いることができる。
【0023】
上述のように構成されたこの発明によれば、p型層の少なくとも一部にInが1×1019/cm3 以上含まれていることにより、このp型層にドープされるMgなどのp型不純物の活性化率の向上を図ることができる。すなわち、アンドープのAlGaN層にInを添加することで発光効率が向上することが報告されているが(H.Hirayama et al.,GaN and Related Alloys,Mater.Res.Soc.639,G2.8,(2001)) 、In添加はp型AlGaN層にドープされたMgなどのp型不純物の活性化率を高め、正孔濃度を増大させる上で有効であり、その結果、p型層の比抵抗の低減を図ることができるとともに、電子ブロッキング効果の向上を図ることができる。
【0024】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。なお、実施形態の全図において、同一または対応する部分には同一の符号を付す。
図1はこの発明の第1の実施形態によるGaN系半導体レーザを示す。このGaN系半導体レーザは、リッジ構造およびSCH構造を有するものである。図2はこのGaN系半導体レーザのエネルギーバンド、特にその伝導帯を示す。
【0025】
図1に示すように、この第1の実施形態によるGaN系半導体レーザにおいては、c面サファイア基板1の一主面に、横方向結晶成長技術(例えば、AppliedPhysics Letters vol.75(1999)pp.196−198) によりGaN系半導体層が積層されている。具体的には、c面サファイア基板1の一主面に、低温成長によるアンドープGaNバッファ層2とその上のアンドープGaN層3とからなり、〈1−100〉方向に延在するストライプが形成され、このストライプのアンドープGaN層3を種結晶として、n型GaNコンタクト層4が連続層として成長されている。ここで、このストライプの両側の部分のc面サファイア基板1の表層部も除去されており、この部分では、n型GaNコンタクト層4はこのc面サファイア基板1から浮いた構造になっている。そして、このn型GaNコンタクト層4上に、n型AlGaNクラッド層5、n側光導波層としてのアンドープInGaN光導波層6、例えばアンドープのInx Ga1−x N/Iny Ga1−y N多重量子井戸構造の活性層7、p側光導波層としてのアンドープInGaN光導波層8、p側クラッド層としてのアンドープAlGaNクラッド層9、アンドープInGaN層10、In含有p型AlGaN電子ブロック層11、p側クラッド層としてのp型AlGaN/GaN超格子クラッド層12およびp型GaNコンタクト層13が順次積層されている。アンドープInGaN光導波層6、アンドープInGaN光導波層8、アンドープAlGaNクラッド層9およびアンドープInGaN層10はいずれもn− 型である。p側クラッド層としてp型AlGaN/GaN超格子クラッド層10を用いているのは、トンネル効果により正孔が通りやすくするためである。
【0026】
ここで、アンドープGaNバッファ層2は厚さが例えば30nmである。アンドープGaN層3は厚さが例えば2μmである。n型GaNコンタクト層4は厚さが例えば4μmであり、n型不純物として例えばシリコン(Si)がドープされている。n型AlGaNクラッド層5は厚さが例えば1.5μmであり、n型不純物として例えばSiがドープされ、Al組成は例えば5.5%(0.055)である。アンドープInGaN光導波層6は厚さが例えば30nmであり、In組成は例えば2%(0.02)である。また、アンドープInx Ga1−x N/Iny Ga1−y N多重量子井戸構造の活性層7は、障壁層としてのInx Ga1−x N層と井戸層としてのIny Ga1−y N層とが交互に積層されたもので、例えば、障壁層としてのInx Ga1−x N層の厚さが7nmでx=0.02、井戸層としてのIny Ga1−y N層の厚さが3.5nmでy=0.08、井戸数が3である。
【0027】
アンドープInGaN光導波層8は厚さが例えば30nmであり、In組成は例えば2%(0.02)である。アンドープAlGaNクラッド層9は厚さが例えば100nmであり、Al組成は例えば2.5%(0.025)である。アンドープInGaN層10は厚さが例えば5nmであり、In組成は例えば2%(0.02)である。
【0028】
In含有p型AlGaN電子ブロック層11は厚さが例えば10nm、Al組成は例えば18%(0.18)、p型不純物としてドープされたMgの濃度は例えば1×1019/cm3 〜1×1021/cm3 、典型的には5×1019/cm3 〜1×1020/cm3 であり、In濃度はほぼ均一で例えば1×1019/cm3 〜1×1021/cm3 である。
【0029】
p型AlGaN/GaN超格子クラッド層12は、例えば厚さが2.5nmのアンドープAlGaN層を障壁層とし、例えば厚さが2.5nmのMgがドープされたGaN層を井戸層とし、これらを交互に積層した構造を有し、平均のAl組成は例えば6.0%(0.06)、全体の厚さは例えば400nmである。p型GaNコンタクト層11は厚さが例えば100nmであり、p型不純物として例えばMgがドープされている。
【0030】
n型GaNコンタクト層4の上層部から上の層は全体として所定幅のメサ形状を有し、更にこのメサ部におけるp型AlGaN/GaN超格子クラッド層10およびp型GaNコンタクト層13には例えば〈1−100〉方向に延在するリッジ14が形成されている。このリッジ12の幅は例えば1.5μmである。ここで、このリッジ14、すなわちレーザストライプ部は、横方向結晶成長の種結晶から上層に伝播した転位15と互いに隣接する種結晶からの横方向成長の会合部16との間の低欠陥領域に位置している。
【0031】
この場合、リッジ14の両側の部分におけるp型層、ここではIn含有p型AlGaN電子ブロック層11およびp型AlGaN/GaN超格子クラッド層12の合計の厚さd(図2)は、0nm以上100nm以下、好適には0nm以上50nm以下である。
【0032】
上記のメサ部の全体を覆うように、例えば厚さが40nmのSiO2 膜のような絶縁膜17および例えば厚さが45nmのSi膜18が順次設けられている。ここで、絶縁膜17は電気絶縁および表面保護のためのものである。Si膜18は、リッジ14の側壁部において、キンク現象の原因となるレーザ光の1次モードの吸収係数を高め、キンク現象を防止するためのものである。これらの絶縁膜17およびSi膜18のうちのリッジ14の上の部分には開口19が設けられており、この開口19を通じてp型GaNコンタクト層13にp側電極20が接触している。このp側電極20は、Pd膜、Pt膜およびAu膜を順次積層した構造を有し、Pd膜、Pt膜およびAu膜の厚さは例えばそれぞれ10nm、100nmおよび300nmである。一方、絶縁膜17およびSi膜18のうちのメサ部に隣接する所定部分には開口21が設けられており、この開口21を通じてn型GaNコンタクト層4にn側電極22が接触している。このn側電極22は、Ti膜、Pt膜およびAu膜を順次積層した構造を有し、Ti膜、Pt膜およびAu膜の厚さは例えばそれぞれ10nm、50nmおよび100nmである。
【0033】
次に、この第1の実施形態によるGaN系半導体レーザの製造方法について説明する。
まず、あらかじめサーマルクリーニングなどにより表面を清浄化したc面サファイア基板1上に有機金属化学気相成長(MOCVD)法により例えば500℃程度の温度でアンドープGaNバッファ層2を成長させた後、同じくMOCVD法により例えば1000℃の成長温度でアンドープGaN層3を成長させる。
【0034】
次に、アンドープGaN層3の全面に例えばCVD法、真空蒸着法、スパッタリング法などにより例えば厚さが100nmのSiO2 膜(図示せず)を形成した後、このSiO2 膜上にリソグラフィーにより所定形状のレジストパターン(図示せず)を形成し、このレジストパターンをマスクとして、例えばフッ酸系のエッチング液を用いたウエットエッチング、または、CF4 やCHF3 などのフッ素を含むエッチングガスを用いたRIE法によりSiO2 膜をエッチングし、パターニングする。次に、この所定形状のSiO2 膜をマスクとして例えばRIE法によりc面サファイア基板1の表層部が除去されるまでエッチングを行う。このRIEのエッチングガスとしては、例えば塩素系ガスを用いる。このエッチングによって、種結晶となるストライプ形状のアンドープGaN層3が形成される。このストライプ形状のアンドープGaN層3の延在方向は〈1−100〉方向である。
【0035】
次に、エッチングマスクとして用いたSiO2 膜をエッチング除去した後、ストライプ形状のアンドープGaN層3を種結晶として上述の横方向結晶成長技術によりn型GaNコンタクト層4を成長させる。このときの成長温度は例えば1070℃とする。
【0036】
引き続いて、n型GaNコンタクト層4上に、MOCVD法により、n型AlGaNクラッド層5、アンドープInGaN光導波層6、アンドープのGa1−x Inx N/Ga1−y Iny N多重量子井戸構造の活性層7、アンドープInGaN光導波層8、アンドープAlGaNクラッド層9、アンドープInGaN層10、In含有p型AlGaN電子ブロック層11およびp型AlGaN/GaN超格子クラッド層12およびp型GaNコンタクト層13を順次成長させる。ここで、これらの層の成長温度は、例えば、n型AlGaNクラッド層5は900〜1000℃、アンドープInGaN光導波層6からIn含有p型AlGaN電子ブロック層11までは780℃、p型AlGaN/GaN超格子クラッド層12およびp型GaNコンタクト層13は900〜1000℃とする。
【0037】
ここで、In含有p型AlGaN電子ブロック層11は、MOCVD法により直接成長させてもよいが、In拡散を利用して形成するようにしてもよい。すなわち、アンドープInGaN層10まで成長させた後、その上にp型AlGaN電子ブロック層を成長させる。この成長時には、下地のアンドープInGaN層10からInがこのp型AlGaN電子ブロック層に拡散する。この結果、In含有p型AlGaN電子ブロック層11が得られる。
【0038】
これらのGaN系半導体層の成長原料は、例えば、Gaの原料としてはトリメチルガリウム((CH3 )3 Ga、TMG)、Alの原料としてはトリメチルアルミニウム((CH3 )3 Al、TMA)、Inの原料としてはトリメチルインジウム((CH3 )3 In、TMI)を、Nの原料としてはNH3 を用いる。ドーパントについては、n型ドーパントとしては例えばシラン(SiH4 )を、p型ドーパントとしては例えばビス=メチルシクロペンタジエニルマグネシウム((CH3 C5 H4 )2 Mg)あるいはビス=シクロペンタジエニルマグネシウム((C5 H5 )2 Mg)を用いる。
【0039】
また、これらのGaN系半導体層の成長時のキャリアガス雰囲気としては、n型GaNコンタクト層4およびn型AlGaNクラッド層5はN2 とH2 との混合ガス、アンドープInGaN光導波層6からIn含有p型AlGaN電子ブロック層11まではN2 ガス雰囲気、p型AlGaN/GaN超格子クラッド層12およびp型GaNコンタクト層13はN2 とH2 との混合ガスを用いる。この場合、アンドープInGaN光導波層6からIn含有p型AlGaN電子ブロック層11までの成長ではキャリアガス雰囲気をN2 雰囲気としており、キャリアガス雰囲気にH2 が含まれないので、アンドープInGaN光導波層6、活性層7、アンドープInGaN光導波層8およびアンドープInGaN層10からInが脱離するのを抑えることができ、これらの層の劣化を防止することができる。また、p型AlGaN/GaN超格子クラッド層12およびp型GaNコンタクト層13の成長時にはキャリアガス雰囲気をN2 とH2 との混合ガス雰囲気としているので、これらのp型層を良好な結晶性で成長させることができる。
【0040】
次に、上述のようにしてGaN系半導体層を成長させたc面サファイア基板1をMOCVD装置から取り出す。そして、p型GaNコンタクト層13の全面に例えばCVD法、真空蒸着法、スパッタリング法などにより例えば厚さが0.1μmのSiO2 膜(図示せず)を形成した後、このSiO2 膜上にリソグラフィーによりメサ部の形状に対応した所定形状のレジストパターン(図示せず)を形成し、このレジストパターンをマスクとして、例えばフッ酸系のエッチング液を用いたウエットエッチング、または、CF4 やCHF3 などのフッ素を含むエッチングガスを用いたRIE法によりSiO2 膜をエッチングし、パターニングする。次に、この所定形状のSiO2 膜をマスクとして例えばRIE法によりn型GaNコンタクト層4に達するまでエッチングを行う。このRIEのエッチングガスとしては例えば塩素系ガスを用いる。このエッチングにより、n型GaNコンタクト層4の上層部、n型AlGaNクラッド層5、アンドープInGaN光導波層6、活性層7、アンドープInGaN光導波層8、アンドープAlGaNクラッド層9、アンドープInGaN層10、In含有p型AlGaN電子ブロック層11、p型AlGaN/GaN超格子クラッド層12およびp型GaNコンタクト層13がメサ形状にパターニングされる。
【0041】
次に、エッチングマスクとして用いたSiO2 膜をエッチング除去した後、再び基板全面に例えばCVD法、真空蒸着法、スパッタリング法などにより例えば厚さが0.2μmのSiO2 膜(図示せず)を形成した後、このSiO2 膜上にリソグラフィーによりリッジ部に対応する所定形状のレジストパターン(図示せず)を形成し、このレジストパターンをマスクとして、例えばフッ酸系のエッチング液を用いたウエットエッチング、または、CF4 やCHF3 などのフッ素を含むエッチングガスを用いたRIE法によりSiO2 膜をエッチングし、リッジ部に対応する形状とする。
【0042】
次に、このSiO2 膜をマスクとしてRIE法によりp型AlGaN/GaN超格子クラッド層10およびIn含有p型AlGaN電子ブロック層11の合計の厚さが0nm以上100nm以下、好適には0nm以上50nm以下になるまでエッチングを行うことによりリッジ14を形成する。このRIEのエッチングガスとしては例えば塩素系ガスを用いる。
【0043】
次に、エッチングマスクとして用いたSiO2 膜をエッチング除去した後、基板全面に例えばCVD法、真空蒸着法、スパッタリング法などによりSiO2 膜のような絶縁膜17およびSi膜18を順次成膜する。
【0044】
次に、リソグラフィーにより、n側電極形成領域を除いた領域のSi膜18の表面を覆うレジストパターン(図示せず)を形成する。
次に、このレジストパターンをマスクとしてSi膜18および絶縁膜17をエッチングすることにより、開口21を形成する。
【0045】
次に、レジストパターンを残したままの状態で基板全面に例えば真空蒸着法によりTi膜、Pt膜およびAu膜を順次形成した後、レジストパターンをその上に形成されたTi膜、Pt膜およびAu膜とともに除去する(リフトオフ)。これによって、絶縁膜17およびSi膜18の開口21を通じてn型GaNコンタクト層4にコンタクトしたn側電極22が形成される。次に、n側電極22をオーミック接触させるためのアロイ処理を行う。
【0046】
次に、同様なプロセスで、リッジ14の上の部分のSi膜18および絶縁膜17をエッチング除去して開口19を形成した後、n側電極22と同様にして、この開口19を通じてp型GaNコンタクト層13にコンタクトしたPd/Pt/Au構造のp側電極20を形成する。
【0047】
この後、上述のようにしてレーザ構造が形成された基板を劈開などによりバー状に加工して両共振器端面を形成し、更にこれらの共振器端面に端面コーティングを施した後、このバーを劈開などによりチップ化する。ここで、共振器長は例えばL=600μm、リア側の端面反射率は例えばRr =0.95、フロント側の端面反射率は例えばRf =0.1である。
以上により、目的とするリッジ構造およびSCH構造を有するGaN系半導体レーザが製造される。
【0048】
このGaN系半導体レーザの光出力−電流特性を測定したところ、スロープ効率が大幅に向上していることが分かった。具体的には、Inを含有しないp型AlGaN電子ブロック層を用いた従来のGaN系半導体レーザのスロープ効率は1.1W/Aであるのに対し、In含有p型AlGaN電子ブロック層11を用いたこのGaN系半導体レーザのスロープ効率は1.27W/Aであり、約15%向上している。
【0049】
図4は、In含有p型AlGaN電子ブロック層11のIn濃度による特性温度(T0 )の変化を測定した結果を示す。図4より、In濃度が1×1019/cm3 以上であると、T0 は約150K以上になり、特に約1×1021/cm3 程度になると、T0 は約180K以上にもなる。これに対し、Inを含有しないp型AlGaN電子ブロック層を用いた従来のGaN系半導体レーザのT0 は140K程度にすぎない。
【0050】
また、従来のGaN系半導体レーザのしきい値電圧Vthは例えば4.3Vであったのに対し、このGaN系半導体レーザのVthは例えば4.0Vと、0.3Vも低い。これは、In含有p型AlGaN電子ブロック層11において、Inが含まれていることにより、p型不純物としてドープされたMgの活性化率が向上して正孔濃度が増加し、それによって電子ブロッキング効果が高まったためである。
【0051】
この第1の実施形態によれば、以下のような種々の利点を得ることができる。すなわち、従来のp型AlGaN電子ブロック層の代わりに、In濃度が1×1019/cm3 〜1×1021/cm3 のIn含有p型AlGaN電子ブロック層11を用いていることにより、上述のようにこのIn含有p型AlGaN電子ブロック層11の正孔濃度が従来に比べて増加し、高い電子ブロッキング効果が得られる。このため、GaN系半導体レーザの動作時に活性層7に注入される電子のオーバーフローの抑制効果の向上を図ることができ、それによってしきい値電流密度Jth、したがってしきい値電流Ithの低減を図ることができるとともに、上述のようにスロープ効率の向上を図ることができる。また、In含有p型AlGaN電子ブロック層11による電子のオーバーフローの抑制効果の向上により、上述のように特性温度T0 の向上を図ることもできる。更に、しきい値電圧Vthの低減を図ることもできる。しかも、p型AlGaN電子ブロック層にInを添加するだけでIn含有p型AlGaN電子ブロック層11を容易に得ることができるので、極めて低コストでこれらの効果を得ることができ、製造上有利である。
【0052】
また、この第1の実施形態によれば、p側クラッド層が活性層7側から順に厚さが例えば105nmのアンドープAlGaNクラッド層9と厚さが例えば400nmのp型AlGaN/GaN超格子クラッド層12とからなることにより、p側クラッド層の全体をそれらの合計の厚さのp型AlGaN/GaN超格子クラッド層12で構成した場合に比べて、GaN系半導体レーザの動作電圧を例えば約0.16Vも低減することができる。また、p側クラッド層の全体の厚さは約500nmあり十分大きいため、p側の光の閉じ込めを十分行うことができ、良好なFFPを得ることができる。すなわち、良好な光学特性を得るのに必要なp側クラッド層の厚さを確保しつつ、動作電圧の上昇の原因となっている高比抵抗のp型AlGaN/GaN超格子クラッド層12の厚さを約100nmも減少させて動作電圧の低減を図ることができる。
【0053】
また、活性層7とMgがドープされたp型層、すなわちIn含有p型AlGaN電子ブロック層11、p型AlGaN/GaN超格子クラッド層12およびp型GaNコンタクト層13との間の距離は、アンドープInGaN光導波層8、アンドープAlGaNクラッド層9およびアンドープInGaN層10の合計の厚さ、例えば30nm+100nm+5nm=135nmもあるため、結晶成長中やエージング中などにおいてp型層中のMgが活性層7に拡散するのを効果的に抑制することができ、それによってMgの拡散による活性層7の劣化を防止することができ、GaN系半導体レーザのエージング劣化率を低減することができ、信頼性および歩留まりの向上を図ることができる。
【0054】
また、活性層7とMgがドープされたp型層との間に格子歪層であるアンドープAlGaNクラッド層9があるため、これによってもp型層中のMgが活性層7に拡散するのを抑制することができ、活性層7の劣化をより効果的に防止することができる。
【0055】
また、Mgがドープされたp型層は一般にn型層に比べて結晶性が悪く、光の吸収が起こりやすいため、p型層が活性層7の付近にあると光吸収係数αが増大するが、上述のように活性層7とp型層とは135nmも離れているため、活性層7の付近のαを十分に低く抑えることができる。これによって、GaN系半導体レーザのしきい値電流密度Jth、したがってしきい値電流Ithを低減することができるとともに、スロープ効率の向上を図ることができる。更に、結晶性の悪いMgがドープされたp型層が光密度の高い活性層7の付近から上述のように十分に離れているため、光による活性層7の付近の結晶の劣化が生じにくく、GaN系半導体レーザの寿命および信頼性の向上を図ることができる。
【0056】
また、アンドープAlGaNクラッド層9とIn含有p型AlGaN電子ブロック層11との間に活性層7と格子定数がほぼ等しいアンドープInGaN層10が設けられているため、活性層7とIn含有p型AlGaN電子ブロック層11およびp型AlGaN/GaN超格子クラッド層12との間に大きな格子定数差があっても、これらのIn含有p型AlGaN電子ブロック層11およびp型AlGaN/GaN超格子クラッド層12により活性層7に生じる歪を緩和することができる。このため、GaN系半導体レーザのしきい値電流密度Jth、したがってしきい値電流Ithを低減することができるとともに、スロープ効率の向上を図ることができる。
【0057】
また、上述のしきい値電流Ithの低減により、GaN系半導体レーザの雑音特性の向上を図ることができる。
【0058】
また、活性層7に注入された電子が活性層7を通り過ぎてアンドープAlGaNクラッド層9に到達すると、アンドープInGaN光導波層8とこのアンドープAlGaNクラッド層9との間の伝導帯のエネルギー差ΔEC (図3)より大きなエネルギーを持つ電子は、このアンドープAlGaNクラッド層9を飛び越える際にΔEC 分だけエネルギーが低下する。一方、ΔEC より小さいエネルギーしか持っていない電子は、アンドープAlGaNクラッド層9を飛び越えることができないため、アンドープInGaN光導波層8に留まることになる。このように、アンドープAlGaNクラッド層9を飛び越えようとする電子のエネルギーや数が減少することにより、GaN系半導体レーザのスロープ効率の向上を図ることができる。また、GaN系半導体レーザの高温、高出力駆動時の電子のオーバーフローを防止することができ、GaN系半導体レーザの動作電流および動作電圧の低減を図ることができる。
【0059】
また、p型層の大半がリッジ14の内部に収まっており、リッジ14の外部におけるp型層は合計の厚さが100nm以下、好適には50nm以下のp型AlGaN/GaN超格子クラッド層12および厚さが10nmのIn含有p型AlGaN電子ブロック層11だけであって十分に薄く、したがってその横方向の抵抗が十分に高いので、GaN系半導体レーザの動作温度が上昇してこれらのp型層中のMgが活性化しp型層が低抵抗化しても、リッジ14の両脇に漏れ出る電流を極めて少なく抑えることができる。このため、GaN系半導体レーザの特性温度T0 を180K以上と著しく高くすることができる。更に、仮に、p側クラッド層の全部がp型層である従来のGaN系半導体レーザにおいてリッジの両脇のp型層の厚さを小さくしようとすると、リッジを形成する際にかなり深くエッチングしなければならないが、そうするとリッジの内外での屈折率差Δnが大きくなり、キンクが発生しやすくなる。また、リッジの形成のためにRIEで深くエッチングすると、活性層7にプラズマダメージが生じ、GaN系半導体レーザの特性を劣化させるおそれがある。これに対し、このGaN系半導体レーザにおいては、リッジ14の深さは従来のGaN系半導体レーザと同等でも、これらの問題を生じることなく、リッジ14の両脇のp型層の厚さを上述のように100nm以下、好適には50nm以下にすることができる。
【0060】
また、In含有p型AlGaN電子ブロック層11における正孔の活性化エネルギーは高いため、常温では大部分の正孔は不活性である。しかしながら、高温になるほど正孔が活性化してIn含有p型AlGaN電子ブロック層11の電子ブロッキング効果は高まる。ところが、従来のGaN系半導体レーザにおいては、リッジの両脇への電流漏れ量が多いため、上記効果は見えにくかったものと推測することができる。これに対し、このGaN系半導体レーザによれば、上述のようにリッジ14の両脇への電流漏れ量が極めて少ないことにより、In含有p型AlGaN電子ブロック層11の電子ブロッキング効果は高く、高温、高出力駆動時においても電子のオーバーフローを効果的に防止することができる。
【0061】
また、上述のように高温駆動時の漏れ電流、すなわち無効電流が低減されることにより、しきい値電流Ithの低減を図ることができ、高温でも低雑音のGaN系半導体レーザを実現することができる。
【0062】
また、上述のように特性温度T0 の著しい向上により、いわゆるドループ特性を改善することができる。このドループ特性は、レーザビームプリンタなどの光源にGaN系半導体レーザを適用する上で重要なパラメータである。また、同一基板上に複数のGaN系半導体レーザを互いに隣接して集積化する場合においても、GaN系半導体レーザの特性温度T0 が著しく高いことにより、これらのGaN系半導体レーザ間の熱的クロストークを低く抑えることができるため、マルチビームレーザなどへの応用にも適している。
【0063】
また、p側クラッド層の一部をアンドープAlGaNクラッド層9により構成しているため、活性層7よりp側の部分に存在するp型層は全体として少なく、したがって活性層7からオーバーフローした電子がp型層において再結合中心にトラップされて非発光再結合する確率が小さい。高温になるほど、p型層で電子がトラップされる確率が高まると仮定すると、このGaN系半導体レーザの構造は無効電流低減に効果的と考えられる。
【0064】
また、上述のスロープ効率の向上と温度特性の向上とによって、Mgがドープされた結晶性の悪いp型層に電子がオーバーフローにより注入されて結晶を破壊することが少なくなるため、GaN系半導体レーザの信頼性および寿命の向上を図ることができる。
【0065】
更に、アンドープInGaN光導波層6からIn含有p型AlGaN電子ブロック層11までの成長ではキャリアガス雰囲気をN2 雰囲気としており、キャリアガス雰囲気にH2 が含まれないので、特に活性層7からInが脱離するのを抑えることができ、その劣化を防止することができ、GaN系半導体レーザの信頼性および寿命の向上を図ることができる。
【0066】
以上により、動作電圧およびしきい値電流が低く、温度特性が良好で長寿命かつ高信頼性のGaN系半導体レーザを実現することができる。
この第1の実施形態によるGaN系半導体レーザは、高温、高出力駆動時の動作電流および動作電圧の低減を図ることができ、長寿命でもあることから、特に光ディスクに対する書き込み用高出力半導体レーザとして用いて好適なものである。
【0067】
次に、この発明の第2の実施形態によるGaN系半導体レーザについて説明する。図5はこのGaN系半導体レーザのエネルギーバンド図を示す。また、図6はこのGaN系半導体レーザにおけるp型AlGaN/AlInGaN超格子電子ブロック層23のエネルギーバンド構造の詳細を示す。
【0068】
図8に示すように、この第2の実施形態によるGaN系半導体レーザにおいては、第1の実施形態によるGaN系半導体レーザにおけるIn含有p型AlGaN電子ブロック層11の代わりに、p型AlGaN/AlInGaN超格子電子ブロック層23が設けられている。ここで、このp型AlGaN/AlInGaN超格子電子ブロック層23は、例えば厚さが2.5nmのMgドープのp型AlGaN層を障壁層とし、例えば厚さが2.5nmのMgドープのp型AlGaNInN層を井戸層とし、これらを交互に積層した構造を有し、平均のIn組成は例えば0.12以下、全体の厚さは例えば10nmである。
【0069】
その他の構成は、第1の実施形態によるGaN系半導体レーザと同様であるので、説明を省略する。
このGaN系半導体レーザの製造方法は、第1の実施形態によるGaN系半導体レーザの製造方法と同様であるので、説明を省略する。
【0070】
ここで、p型AlGaN/AlInGaN超格子電子ブロック層23のIn平均組成は12%以下が望ましい。すなわち、In平均組成が12%より高いと、p型AlGaN/AlInGaN超格子電子ブロック層23の実質的なバンドギャップが小さくなり、電子ブロッキング効果は逆に低減する。In平均組成が7%以上であっても、Al組成を増やすことでバンドギャップを大きくすることができるが、Al組成が30%以上になるとp型不純物としてドープされたMgの活性化率が非常に低くなって正孔濃度が低くなりすぎるため、電子ブロッキング効果が弱まって電子のオーバーフローが増大する。そこで、Al組成が30%以下でかつバンドギャップを3.65eV以上確保するために、In組成は12%以下が望ましい。本発明者による実験では、バンドギャップ3.65eV以下でスロープ効率は0.3W/A以下となり、特性低下が著しい結果が得られた。In組成が12%以下が望ましいことは、図7より分かる。すなわち、図7はAlInGaNの組成とその発光波長との関係を示したものであり、図中、310〜430の数字はnm単位で表した発光波長λ、0、0.2、0.4、06などの数字はGaNの組成である。ここで、発光波長λ(nm)とバンドギャップEg (eV)との間には、λ=1240/Eg の関係がある。図7より、Al組成が30%以下でかつバンドギャップを3.65eV以上確保するためには、In組成は12%以下とする必要があることが分かる(その領域に斜線を施した)。
【0071】
このGaN系半導体レーザの光出力−電流特性を測定したところ、スロープ効率が大幅に向上していることが分かった。具体的には、Inを含有しないp型AlGaN電子ブロック層を用いた従来のGaN系半導体レーザのスロープ効率は1.1W/Aであるのに対し、p型AlGaN/AlInGaN超格子電子ブロック層23を用いたこのGaN系半導体レーザのスロープ効率は1.27W/Aであり、約15%向上している。
【0072】
また、従来のGaN系半導体レーザのしきい値電圧Vthは例えば4.3Vであったのに対し、このGaN系半導体レーザのVthは例えば4.1Vと、0.2V低い。これは、p型AlGaN/AlInGaN超格子電子ブロック層23において、Inが含まれていることにより、p型不純物としてドープされたMgの活性化率が向上して正孔濃度が増加し、それによって電子ブロッキング効果が高まったためである。
この第2の実施形態によれば、第1の実施形態と同様な種々の利点を得ることができる。
【0073】
ところで、一般に、GaN系半導体レーザにおいては、縦方向(レーザ構造を形成する層に垂直な方向)の光の閉じ込めが不十分であるため、クラッド層、特にn型クラッド層から漏れた光が基板に入射し、反射されることにより、フリンジと呼ばれる光の干渉を引き起しやすい。この問題を解消する方法として、クラッド層の厚さを増大させ、光の閉じ込めを強化する方法が考えられる。しかしながら、クラッド層のAl組成が高く、GaNとの格子定数差が大きいと、簡単にクラックが発生して、GaN系半導体レーザの特性が著しく低下する。一方、クラッド層のAl組成を低くすると、クラックの発生は抑えられるが、光の閉じ込め効果が低下する。そこで、本発明者は、この問題を解決するために鋭意実験を重ねた結果、クラッド層、特にn型クラッド層において、Al組成が5%以上の層の厚さは1μm以下に抑え、Al組成が5%以下の層の厚さは1μm以上にすることで、光の閉じ込め効果を十分に保持しつつ、クラックの発生を低減することができることを見出した。
【0074】
更に、上記のような低Al組成のクラッド層を用いることで、以下に示す有効な効果が得られることを見出した。すなわち、一般に、半導体レーザの垂直放射角度(θ⊥)を低減する方法として、SCH構造の半導体レーザでは、光導波層や活性層の厚さを薄くし、光閉じ込め係数Γを低減させる方法を採用してきた。しかしながら、何らかの理由により活性層周辺の層の厚さや組成を変化させずに垂直放射角度を低減させたい場合、この方法を採用することはできない。これに対し、上記のようにクラッド層のAl組成を低減し、活性層や光導波層との屈折率差を小さくすることで、クラッド層中の光の広がりを増大させ、その結果として垂直放射角度を低減させることができる。このように、活性層周辺の構造を維持したまま垂直放射角度を低減させることができるため、レーザ設計の自由度を格段に向上させることができる。
【0075】
そこで、この発明の第3の実施形態においては、そのようなGaN系半導体レーザについて説明する。図8にこのGaN系半導体レーザのエネルギーバンド図を示す。
図8に示すように、この第3の実施形態によるGaN系半導体レーザは、基本的には第1の実施形態によるGaN系半導体レーザと同様な構造を有するが、n型AlGaNクラッド層5の構造および厚さが、第1の実施形態によるGaN系半導体レーザと異なる。具体的には、第1の実施形態によるGaN系半導体レーザにおいては、n型AlGaNクラッド層5はAl組成が均一で5.5%(0.055)であり、厚さは1.5μmであるのに対し、この第3の実施形態によるGaN系半導体レーザにおいては、n型AlGaNクラッド層5は、Al組成が例えば4.8%(0.048)で厚さが例えば1.7μmの低Al組成層5aとAl組成が例えば5.5%(0.055)で厚さが例えば0.5μmの高Al組成層5bとからなり、全体の厚さは1.7+0.5=2.1μmである。また、この場合、低Al組成層5aの屈折率は2.481、高Al組成層5bの屈折率は2.475、アンドープInGaN光導波層6およびアンドープInGaN光導波層8の屈折率は2.54、アンドープAlGaNクラッド層9の屈折率は2.50、p型AlGaN/GaN超格子クラッド層12の屈折率は2.483であり、アンドープInGaN光導波層6とn型AlGaNクラッド層5との間の屈折率差は2.54−2.475=0.065、アンドープInGaN光導波層8とアンドープAlGaNクラッド層9との間の屈折率差は2.54−2.50=0.04であり、いずれも0.07未満である。
その他の構成は、第1の実施形態によるGaN系半導体レーザと同様である。また、このGaN系半導体レーザの製造方法は、第1の実施形態によるGaN系半導体レーザの製造方法と同様であるので、説明を省略する。
【0076】
図9にこのGaN系半導体レーザの遠視野像の測定結果を示す。また、比較のために、図10にn型AlGaNクラッド層のAl組成が均一で5.5%(0.055)のGaN系半導体レーザの遠視野像の測定結果を示す。ただし、測定は20℃の温度で光出力30mW、連続発振(CW)の条件で行った。図9と図10とを比較すると、接合と平行方向の放射角度、すなわち水平放射角度θ‖はいずれも9.0°で変わらないが、接合と垂直方向の放射角度、すなわち垂直放射角度θ⊥は図9では20.1°であり、図10の23.5°に比べて著しく減少していることが分かる。また、垂直方向の遠視野像の形状は、図9の方が図10に比べて明らかに良好である。
【0077】
以上のように、この第3の実施形態によれば、n型AlGaNクラッド層5の全体の厚さが2.1μmと十分に厚いことにより、縦方向の光の閉じ込めが強化され、基板側への光のしみ出しを減少させることができ、フリンジの問題を解消することができる。また、n型AlGaNクラッド層5は、Al組成が4.8%と低い厚さが1.7μmの低Al組成層5aとAl組成が5.5%で厚さが0.5μmの高Al組成層5bとからなるため、全体の厚さが2.1μmと厚いにもかかわらず、クラックの発生を有効に抑えることができる。具体的には、例えば、Al組成が6%で厚さが1.3μmのn型AlGaNクラッド層ではクラック密度が5本/cmであったのに対し、n型AlGaNクラッド層5ではクラック密度は1本/cm以下であった。すなわち、光の閉じ込め効果を十分に高く保持しつつ、n型AlGaNクラッド層5のクラックの発生を低減することができることが分かる。更に、活性層7の周辺の構造を何ら変えることなく、上述のように垂直放射角度θ⊥を20.1°と大幅に低減することができ、しかも、垂直方向の遠視野像の形状も良好である。
これに加えて、第1の実施形態と同様な利点を得ることができる。
【0078】
以上、この発明の実施形態について具体的に説明したが、この発明は、上述の実施形態に限定されるものではなく、この発明の技術的思想に基づく各種の変形が可能である。
【0079】
例えば、上述の第1〜第3の実施形態において挙げた数値、構造、形状、基板、原料、プロセスなどはあくまでも例に過ぎず、必要に応じて、これらと異なる数値、構造、形状、基板、原料、プロセスなどを用いてもよい。
【0080】
具体的には、例えば、上述の第1〜第3の実施形態においては、レーザ構造を形成するn型層を基板上に最初に積層し、その上にp型層を積層しているが、これと積層順序を逆にし、基板上に最初にp型層を積層し、その上にn型層を積層した構造としてもよい。
【0081】
また、上述の第1〜第3の実施形態においては、n側光導波層としてのアンドープInGaN光導波層6およびp側光導波層としてのアンドープInGaN光導波層8は互いに同一組成であるが、これらのアンドープInGaN光導波層6およびアンドープInGaN光導波層8の組成は、良好な光学特性が得られる限り、互いに異なっていてもよく、例えばアンドープInGaN光導波層8のIn組成をアンドープInGaN光導波層6より低くしてもよい。更には、必要に応じて、n側光導波層およびp側光導波層の材料としてInGaNと異なる組成のもの、例えばGaNを用いてもよい。
【0082】
また、上述の第1〜第3の実施形態においては、c面サファイア基板を用いているが、必要に応じて、SiC基板、Si基板、スピネル基板、厚いn型GaN層からなる基板などを用いてもよい。また、GaNバッファ層の代わりに、AlNバッファ層やAlGaNバッファ層を用いてもよい。
【0083】
また、上述の第1〜第3の実施形態においては、この発明をSCH構造のGaN系半導体レーザに適用した場合について説明したが、この発明は、例えば、DH(Double Heterostructure)構造のGaN系半導体レーザに適用してもよいことはもちろん、GaN系発光ダイオードに適用してもよい。
【0084】
更に、上述の第1〜第3の実施形態においては、p型AlGaN/GaN超格子クラッド層12において、AlGaN層にはMgをドープしていないが、必要に応じて、このAlGaN層にもMgをドープしてもよく、あるいは、GaN層にはMgをドープせず、AlGaN層にのみMgをドープしてもよい。
【0085】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明によれば、Al組成が10%以上のp型層を有する場合であっても、その少なくとも一部にInが1×1019/cm3 以上含まれていることにより、動作電圧の低減を図ることができ、しかもそのp型層による電子ブロッキング効果を十分に得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明の第1の実施形態によるGaN系半導体レーザを示す断面図である。
【図2】この発明の第1の実施形態によるGaN系半導体レーザの要部の拡大断面図である。
【図3】この発明の第1の実施形態によるGaN系半導体レーザのエネルギーバンド構造を示す略線図である。
【図4】この発明の第1の実施形態によるGaN系半導体レーザにおけるIn含有p型AlGaN電子ブロック層のIn濃度と特性温度との関係を示す略線図である。
【図5】この発明の第2の実施形態によるGaN系半導体レーザのエネルギーバンド構造を示す略線図である。
【図6】この発明の第2の実施形態によるGaN系半導体レーザにおけるp型AlGaN/AlInGaN超格子電子ブロック層のエネルギーバンド構造を示す略線図である。
【図7】AlInGaNの組成とエネルギーギャップに対応する発光波長との関係を示す略線図である。
【図8】この発明の第3の実施形態によるGaN系半導体レーザのエネルギーバンド構造を示す略線図である。
【図9】この発明の第3の実施形態によるGaN系半導体レーザの遠視野像を示す略線図である。
【図10】従来のGaN系半導体レーザの遠視野像を示す略線図である。
【図11】従来の一般的なGaN系半導体レーザのエネルギーバンド構造を示す略線図である。
【符号の説明】
1・・・c面サファイア基板、4・・・n型GaNコンタクト層、5・・・n型AlGaNクラッド層、6・・・アンドープInGaN光導波層、7・・・活性層、8・・・アンドープInGaN光導波層、9・・・アンドープAlGaNクラッド層、10・・・アンドープInGaN層、11・・・In含有p型AlGaN電子ブロック層、12・・・p型AlGaN/GaN超格子クラッド層、13・・・p型GaNコンタクト層、14・・・リッジ、17・・・絶縁膜、18・・・Si膜、20・・・p側電極、22・・・n側電極、23・・・p型AlGaN/AlInGaN超格子電子ブロック層
Claims (14)
- n側クラッド層とp側クラッド層との間に活性層が挟まれた構造を有し、かつ、Al組成が10%以上のp型層を有する、窒化物系III−V族化合物半導体を用いた半導体発光素子において、
上記p型層の少なくとも一部にInが1×1019/cm3 以上含まれている
ことを特徴とする半導体発光素子。 - 上記p型層のIn濃度がほぼ均一で1×1019/cm3 以上1×1022/cm3 未満である
ことを特徴とする請求項1記載の半導体発光素子。 - 上記p型層の厚さが30nm以下である
ことを特徴とする請求項1記載の半導体発光素子。 - 上記p型層のAl組成は10%以上30%以下である
ことを特徴とする請求項3記載の半導体発光素子。 - 上記p型層がp型Alx Ga1−x N(ただし、0.1≦x<1)からなる
ことを特徴とする請求項1記載の半導体発光素子。 - 上記p型層がp型Alx Ga1−x N(ただし、0.1≦x≦0.3)からなる
ことを特徴とする請求項1記載の半導体発光素子。 - 上記p型層はInを含む層とInを含まない層とが交互に積層された構造を有し、その平均的なIn組成が12%以下である
ことを特徴とする請求項1記載の半導体発光素子。 - 上記p型層のAl組成は10%以上30%以下である
ことを特徴とする請求項7記載の半導体発光素子。 - 上記p型層はp型AlGaN/AlInGaN超格子層である
ことを特徴とする請求項8記載の半導体発光素子。 - 上記p型層は電子ブロック層である
ことを特徴とする請求項1記載の半導体発光素子。 - 上記p型層が上記活性層と上記p側クラッド層との間および/または上記p側クラッド層中に設けられている
ことを特徴とする請求項1記載の半導体発光素子。 - n側クラッド層とp側クラッド層との間に活性層が挟まれた構造を有し、かつ、Al組成が10%以上のp型層を有する、窒化物系III−V族化合物半導体を用いた半導体発光素子の製造方法であって、
In含有層上に上記p型層を成長させ、その際上記In含有層から上記p型層の少なくとも一部にInを1×1019/cm3 以上含まれるように拡散させるようにした
ことを特徴とする半導体発光素子の製造方法。 - Al組成が10%以上のp型層を有する、窒化物系III−V族化合物半導体を用いた半導体装置において、
上記p型層の少なくとも一部にInが1×1019/cm3 以上含まれている
ことを特徴とする半導体装置。 - Al組成が10%以上のp型層を有する、窒化物系III−V族化合物半導体を用いた半導体装置の製造方法であって、
In含有層上に上記p型層を成長させ、その際上記In含有層から上記p型層の少なくとも一部にInを1×1019/cm3 以上含まれるように拡散させるようにした
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
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