JP2004104088A - 窒化物半導体素子 - Google Patents
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Abstract
【課題】超格子層の上に成長させる活性層の結晶性が良くなり、長波長の素子を得ることができ、主として青色〜緑色領域のレーザ素子を実現すると共に、レーザ素子の高出力化を実現する。
【解決手段】ｎ型不純物を含む窒化物半導体層と、ｐ型不純物を含む窒化物半導体層との間に、少なくともＩｎを含む窒化物半導体からなる井戸層と障壁層とを有する活性層を備えた窒化物半導体素子において、前記活性層が、前記井戸層と障壁層との間に該障壁層とバンドギャップエネルギーが同一か、それよりも大きい窒化物半導体層を備えることを特徴とする窒化物半導体素子。
【選択図】図１
【解決手段】ｎ型不純物を含む窒化物半導体層と、ｐ型不純物を含む窒化物半導体層との間に、少なくともＩｎを含む窒化物半導体からなる井戸層と障壁層とを有する活性層を備えた窒化物半導体素子において、前記活性層が、前記井戸層と障壁層との間に該障壁層とバンドギャップエネルギーが同一か、それよりも大きい窒化物半導体層を備えることを特徴とする窒化物半導体素子。
【選択図】図１
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は発光ダイオード（ＬＥＤ）、レーザダイオード（ＬＤ）、スーパールミネッセントダイオード（ＳＬＤ）等の発光素子、太陽電池、光センサ等の受光素子、あるいはトランジスタ、パワーデバイス等の電子デバイスに用いられる窒化物半導体（ＩｎＸＡｌＹＧａ１−Ｘ−ＹＮ、０≦Ｘ、０≦Ｙ、Ｘ＋Ｙ≦１）素子に関する
。
【０００２】
【従来の技術】
我々は窒化物半導体基板の上に、活性層を含む窒化物半導体レーザ素子を作製して、世界で初めて室温での連続発振１万時間以上を達成したことを発表した（ＩＣＮＳ’９７予稿集， Ｏｃｔｏｂｅｒ ２７−３１，１９９７， Ｐ４４４−４４６及びＪｐｎ． Ｊ． Ａｐｐｌ． Ｐｈｙｓ． Ｖｏｌ． ３６ （１９９７）， ｐｐ． Ｌ１５６８−１５７１， Ｐａｒｔ２， Ｎｏ．１２Ａ， １ Ｄｅｃｅｍｂｅｒ １９９７）。基本的な構造としては、サファイア基板上に成長されたＧａＮ層の上に、部分的に形成されたＳｉＯ２膜を介し、そのＳｉＯ２膜の上部に横方向に成長されたＧａＮよりなる窒化物半導体基板の上に、複数の窒化物半導体層が積層されてレーザ素子構造とされている（詳細はＪｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｖｏｌ．３６参照）。このレーザ素子は閾値電流密度４ｋＡ／ｃｍ２において、４０３．７ｎｍのシングルモードで発振する。なお閾値における電圧は４．６Ｖである。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
レーザ素子を、例えばＤＶＤの光源として使用するには、ディスクのポリカーボネートの性質から４１０ｎｍ前後が限界といわれている。また、短波長レーザ素子の用途は幅広く、緑色に近いレーザ素子も求められている。そのためには前記レーザ素子を長波にすることが必要である。
【０００４】
また１万時間以上の連続発振が実現されたといっても、未だその出力は２ｍＷに過ぎず、書き込み光源とするには高出力状態において、５０００時間以上の寿命が必要とされる。
【０００５】
従って、本発明の目的とするところは、主として青色〜緑色領域のレーザ素子を実現すると共に、レーザ素子の高出力化を実現することにある。また最も過酷な条件で使用されるレーザ素子の出力を向上させることができれば、他の緩やかな条件の下で使用されるＬＥＤ、ＳＬＤ等の他の発光デバイスの出力、受光デバイスの効率等も向上させることが可能となる。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明の窒化物半導体素子は、ｎ型不純物を含む窒化物半導体層（以下、ｎ層という。）と、ｐ型不純物を含む窒化物半導体層（以下、ｐ層という。）との間に、少なくともＩｎを含む窒化物半導体からなる井戸層と障壁層とを有する活性層を備えた窒化物半導体素子において、前記活性層が、前記井戸層と障壁層との間に該障壁層とバンドギャップエネルギーが同一か、それよりも大きい窒化物半導体層を備えることを特徴とする。
【０００７】
本発明の窒化物半導体素子は、前記井戸層はＩｎＸＧａ１−ＸＮ（０＜Ｘ≦１）からなり、前記超格子層はＩｎＹＧａ１−ＹＮ（０＜Ｙ＜１、Ｙ＜Ｘ）と、ＡｌａＧａ１−ａＮ（０≦ａ＜１）とからなることを特徴とする。井戸層の好ましいＩｎ組成Ｘとしては０．１≦Ｘ≦０．６、好ましくは０．１５≦Ｘ≦０．５の範囲に調整する。井戸層の範囲をこの範囲に調整することにより、例えば４３０ｎｍ〜５６０ｎｍ付近において、高効率に発光する素子を得ることができる。
また、前記超格子層は、ｎ層側、及びｐ層側両方に形成されており、両方の超格子層が活性層と接して形成されていることを特徴とする。活性層に接して形成されている場合、活性層の接触面は井戸層でも、障壁層でも良い。
【０００８】
さらに、前記ｎ層側の超格子層には、ｎ型不純物がドープされており、そのｎ型不純物濃度が超格子層中において異なることを特徴とする。
ｎ型不純物がドープされる場合、超格子を構成する少なくとも２種類の半導体層において、一方の窒化物半導体がアンドープ若しくはもう一方の窒化物半導体層よりもｎ型不純物が少なくドープされており、もう一方の窒化物半導体層にはｎ型不純物が多くドープされていることを特徴とする。
【０００９】
また、前記ｐ層側の超格子層には、ｐ型不純物がドープされており、そのｐ型不純物濃度が超格子中において異なることを特徴とする。
ｐ型不純物がドープされる場合、超格子を構成する少なくとも２種類の半導体層において、一方の窒化物半導体がアンドープ若しくはｐ型不純物がもう一方の窒化物半導体よりも少なくドープされており、もう一方の窒化物半導体層にはｐ型不純物が多くドープされていることを特徴とする。
【００１０】
また、障壁層は、井戸層よりもバンドギャップエネルギーが大きいか、前記井戸層よりも厚膜であるか、あるいは障壁層は、井戸層のＩｎ量よりも少ないＩｎ量であることを特徴とする。
【００１１】
さらに、第２の窒化物半導体層が、井戸層よりも分解温度が高いか、ＡｌＧａＮ又はＧａＮ（ＡｌＸＧａ１−ＸＮ、０≦ｘ＜１）であることを特徴とする。
また、活性層が、少なくとも障壁層＋井戸層＋第２窒化物半導体層＋障壁層からなることを特徴とする。
【００１２】
【発明の実施の形態】
窒化物半導体中にドープされるｎ型不純物にはＳｉ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｓ、Ｔｉ、Ｚｒ等が挙げられるが、その中でもＳｉが最も一般的に用いられる。またｐ型不純物にはＭｇ、Ｚｎ、Ｂｅ、Ｃａ、Ｓｒ等が挙げられるがその中でもＭｇが最も一般的に用いられる。
【００１３】
本発明の素子の活性層における井戸層のＩｎの組成比は、全３族元素に対して１０％以上とすることが望ましく、例えば井戸層がＩｎＸＧａ１−ＸＮであると、Ｘは０．１以上、０．６以下とすると、４３０〜５６０ｎｍ付近において、高効率、高輝度な発光素子が得られる。Ｘは０．６より大きくしてもよいが、０．６よりも大きくすると井戸層の結晶性が悪くなるため、素子寿命が短くなる傾向にある。また井戸層を３元混晶のＩｎＡｌＮ、４元混晶のＩｎＡｌＧａＮで構成しても良い。
【００１４】
超格子層とは、例えば膜厚１００オングストローム以下、好ましくは７０オングストローム以下、さらに好ましくは５０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（バンドギャップエネルギーは同じでも良い。）を積層した多層膜層を指し、少なくとも一方は井戸層のＩｎ組成よりも少ないＩｎ組成を有する窒化物半導体層とする。この場合好ましい組成としてはＩｎＹＧａ１−ＹＮ（０＜Ｙ＜１、Ｙ＜Ｘ）とし、好ましくはＹを井戸層と対応して０．６未満、さらに好ましくは０．５未満とする。また３元混晶のＩｎＡｌＮ、４元混晶のＩｎＡｌＧａＮとしても良い。超格子層を構成するもう一方の窒化物半導体はＡｌａＧａ１−ａＮ（０≦ａ＜１）とすることが望ましい。ＩｎＧａＮ／ＡｌＧａＮ若しくはＩｎＧａＮ／ＧａＮの超格子とすると、長波長において高出力、高効率の素子が得られる。
【００１５】
超格子層はｎ層側、ｐ層側いずれか一方に形成しても良いが、両方に形成することが望ましい。超格子層がｎ層側、及びｐ層側両方に形成されている場合、例えば、分離閉じ込め型ダブルへテロ構造の素子を作製すると、超格子層から活性層と離れた側にあるクラッド層に必ずしもＡｌＧａＮを形成しなくても良い。ＡｌＧａＮ、ＡｌＩｎＮ等のＡｌを含む窒化物半導体は一般に結晶成長が難しく、また抵抗率も高い傾向にある。このため、クラッド層をＧａＮとすることができるために、Ｖｆが低く、結晶成長しやすい素子を作製することができる。但し、本発明では必ずしもクラッド層をＧａＮにする必要もなく、Ａｌを含む窒化物半導体で構成しても良い。例えばＡｌの組成比が小さい（全３族元素の４０％以下）窒化物半導体は成長しやすい。
【００１６】
ｎ層側の超格子層にｎ型不純物をドープする場合、超格子層中においてｎ型不純物濃度を異ならせるようにすることが望ましい。好ましい態様としては活性層に接近するに従って、平均的にｎ型不純物濃度を小さくすると、素子の出力が向上する傾向にある。また超格子層を構成する２種類の窒化物半導体に変調ドープを行うことが望ましい。変調ドープとは一方の窒化物半導体層と、もう一方の窒化物半導体層とでｎ型不純物濃度を異ならせることであり、例えば一方をアンドープ（意図的に不純物をドープしない状態）若しくはｎ型不純物を少なくドープし、もう一方をｎ型不純物を多くドープする。ｎ型不純物濃度としては少ない方が５×１０１８／ｃｍ３以下、好ましくは１×１０１８／ｃｍ３以下、さらに好ましくは１×１０１７／ｃｍ３以下に調整する。一方、多い方は１×１０１８／ｃｍ３以上、好ましくは３×１０１８／ｃｍ３以上、最も好ましくは５×１０１８／ｃｍ３以上に調整する。上限は１×１０２１／ｃｍ３以下にする方が結晶性良く成長できる。不純物濃度の差は１桁以上あることが望ましい。
【００１７】
一方ｐ層側の超格子層にｐ型不純物をドープする場合、超格子層中においてｐ型不純物濃度を異ならせるようにすることが望ましい。好ましい態様としては活性層に接近するに従ってｐ型不純物濃度を小さくすると、素子の出力が向上する傾向にある。また超格子層を構成する２種類の窒化物半導体に変調ドープを行うことが望ましい。例えば一方をアンドープ（意図的に不純物をドープしない状態）若しくはｐ型不純物を少なくドープし、もう一方をｐ型不純物を多くドープする。ｐ型不純物濃度としては少ない方が１×１０１９／ｃｍ３以下、好ましくは５×１０１８／ｃｍ３以下、さらに好ましくは１×１０１８／ｃｍ３以下に調整する。一方、多い方は１×１０１９／ｃｍ３以上、好ましくは５×１０１９／ｃｍ３以上、最も好ましくは１×１０２０／ｃｍ３以上に調整する。上限は１×１０２２／ｃｍ３以下にする方が結晶性良く成長できる。不純物濃度の差は１桁以上あることが望ましい。
【００１８】本発明のようにＩｎを含む窒化物半導体、好ましくはＩｎＧａＮを含む超格子層をｎ層側、ｐ層側に挿入すると次のような利点がある。例えばレーザ素子を例にとって説明すると、従来、多重量子井戸構造の活性層を挟む構造は、ｎ−ＡｌＧａＮとＧａＮ超格子（クラッド層）／ｎ−ＧａＮ（ガイド層）／活性層／ｐ−ＧａＮ（ガイド層）／ｐ−ＡｌＧａＮとＧａＮ超格子（クラッド層）からなる構造を有していた。長波長（青〜緑色）のレーザを作製しようとすると、井戸層のＩｎ組成を大きくしなければならない。井戸層のＩｎ組成を大きくすると、従来の構造ではクラッド層がＡｌＧａＮであるので十分すぎる程のバンドオフセットがある。本発明ではクラッド層をＧａＮとすることもできるので、ＧａＮとしても十分に活性層とのバンドオフセットがとれる。クラッド層をＧａＮとするとＡｌＧａＮに比較して膜中にクラックが入りにくくなるため、結晶性が向上し、素子の信頼性が良くなる。
【００１９】
さらにガイド層について、クラッド層と活性層との中間の屈折率を有する材料を選択すると例えばＩｎＧａＮが選択できるが、ＩｎＧａＮをガイド層として作用させるには例えば５００オングストローム以上の膜厚が必要となる。しかしある一定量のＩｎ組成比を有するＩｎＧａＮを単層で５００オングストローム以上成長させることは難しく、ＩｎＧａＮ成長途中でＩｎの組成分離が起こり結晶性が悪くなる傾向にある。ＩｎＧａＮは厚さが薄いほど組成分離の影響が小さく、例えば結晶性の良いＩｎＧａＮの臨界膜厚は１００オングストローム以下にすることが望ましい。そのため本発明ではガイド層を膜厚の薄いＩｎＧａＮを有する超格子構造としているため、膜質の良いガイド層が成長できる。しかもＩｎＧａＮ／ＧａＮ、ＩｎＧａＮ／ＡｌＧａＮ等の超格子構造とすると、屈折率が活性層とクラッド層のとの中間にあるガイド層が容易に成長できる。ガイド層の結晶性が良くなると、その上に成長させる活性層、クラッド層の結晶性が良くなり、特に４２０ｎｍ以上のレーザ素子を作製するのに非常にふさわしい。またクラッド層をＧａＮにできるので、ＡｌＧａＮに比較して直列抵抗が低くなり、素子のＶｆ（順方向電圧）を低下させることもできる。
【００２０】
【実施例】
以下実施例において、本発明を詳説するが以下の実施例は本発明における一例を示すものであって、必ずしも以下の構造に限定されるものではない。
【００２１】
［実施例１］
図１は本実施例に係るレーザ素子の構造を示す模式的な断面図であり、共振面に平行な方向で素子を切断した際の図を示すものである。以下、この図を基に実施例１について説明する。
【００２２】
１インチ角のＳｉドープＧａＮよりなる窒化物半導体基板１を用意する。この窒化物半導体基板１は、以下のようにして成長させたものである。
【００２３】
（窒化物半導体基板１）
２インチφ、Ｃ面を主面とするサファイアよりなる異種基板１をＭＯＶＰＥ反応容器内にセットし、温度を５００℃にして、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）、アンモニア（ＮＨ３）を用い、ＧａＮよりなるバッファ層を２００オングストロームの膜厚で成長させる。バッファ層成長後、温度を１０５０℃にして、同じくＧａＮよりなる下地層を４μｍの膜厚で成長させる。
【００２４】
下地層成長後、ウェーハを反応容器から取り出し、この下地層の表面に、ストライプ幅１０μｍ、ストライプ間隔（窓部）２μｍのＳｉＯ２よりなる保護膜を形成する。保護膜形成後、ウェーハを再度ＭＯＶＰＥの反応容器内にセットし、温度を１０５０℃にして、ＴＭＧ、アンモニアを用い、アンドープＧａＮ層を５μｍ成長させ、ＳｉＯ２の表面を覆う。成長後、ウェーハをＭＯＶＰＥ装置からＨＶＰＥ装置に移送しＧａメタルと、アンモニア、ＨＣｌ、シランガスを用い、Ｓｉを１×１０１８／ｃｍ３ドープしたｎ型ＧａＮ層を２００μｍの膜厚で成長させる。成長後、サファイア基板側から研磨して、サファイア基板、バッファ層、下地層、保護膜を除去することにより、総膜厚１７０μｍのＳｉドープＧａＮからなる窒化物半導体基板１を作製する。ＳｉドープＧａＮのＳｉ濃度は５×１０１７〜１×１０１９／ｃｍ３の範囲に調整することが望ましい。
【００２５】
（バッファ層２）
以上のようにして作製した窒化物半導体基板１をＭＯＶＰＥ装置に移送し、アンモニアとＴＭＧ、不純物ガスとしてシランガスを用い、ＡＳ−ＧＲＯＷＮ側の窒化物半導体基板面に、１０５０℃でＳｉを１×１０１８／ｃｍ３ドープしたＧａＮよりなるバッファ層２を２μｍの膜厚で成長させる。このように窒化物半導体と異なる材料よりなる異種基板上に、１００μｍ以上の膜厚で基板となるような窒化物半導体を成長させ、その後異種基板を除去して窒化物半導体基板を作製した場合、その窒化物半導体基板のＡＳ−ＧＲＯＷＮ面（異種基板除去側と反対側面）に、まずＧａＮを１０μｍ以下の膜厚で成長させてバッファ層とすると、次に成長させる窒化物半導体の結晶性が良くなる傾向にある。
【００２６】
（ｎ側クラッド層３）
続いて、１０５０℃でＴＭＧ、アンモニア、シランガスを用い、Ｓｉを１×１０１８／ｃｍ３ドープしたｎ型ＧａＮよりなるｎ側クラッド層３を１．５μｍの膜厚で成長させる。
【００２７】
（ｎ側光ガイド層４）
続いて、８００℃でＴＭＩ（トリメチルインジウム）、ＴＭＧ、アンモニアを用い、アンドープＩｎ０．２Ｇａ０．８Ｎよりなる層を２０オングストローム成長させ、続いてＴＭＩを止めてシランガスを流し、Ｓｉを１×１０１８／ｃｍ３ドープしたｎ型ＧａＮ層を２０オングストロームの膜厚で成長させる。そしてこれらの層を交互に積層して超格子層を構成し、総膜厚８００オングストロームのｎ側光ガイド層４を成長させる。
【００２８】
（活性層５）
次に、８００℃で、Ｓｉを１×１０１８／ｃｍ３ドープしたｎ型Ｉｎ０．２Ｇａ０．８Ｎよりなる障壁層を１００オングストロームの膜厚で成長させる。続いて７５０℃で、アンドープＩｎ０．５Ｇａ０．５Ｎよりなる井戸層（第１の窒化物半導体層）を３０オングストロームの膜厚で成長させる。次に温度を７５０℃に保持したままＴＭＡを原料ガスに加え、アンドープＡｌ０．２Ｇａ０．８Ｎよりなる第２の窒化物半導体層を１０オングストローム成長させる。次に温度を８００℃に上昇してＳｉを１×１０１８／ｃｍ３ドープしたｎ型Ｉｎ０．２Ｇａ０．８Ｎよりなる障壁層（第３の窒化物半導体層）を１００オングストローム成長させる。
【００２９】
障壁層成長後、温度を７５０℃に下げ、続いてアンドープＩｎ０．５Ｇａ０．５Ｎよりなる井戸層（第１の窒化物半導体層）を３０オングストロームの膜厚で成長させる。続いて７５０℃にて、アンドープＡｌ０．２Ｇａ０．８Ｎよりなる第２の窒化物半導体層を１０オングストローム成長させ、次に温度を８００℃にしてＳｉドープＩｎ０．２Ｇａ０．８Ｎよりなる障壁層（第３の窒化物半導体層）を１００オングストローム成長させる。
【００３０】
このようにして障壁＋（井戸＋第２＋障壁）×５とを積層した総膜厚８００オングストロームの多重量子井戸構造からなる活性層５を成長させる。
【００３１】
活性層５では、ＩｎＧａＮからなる井戸層と、井戸層よりもバンドギャップエネルギーが大きいか、若しくは膜厚が厚い障壁層との間に、３０オングストローム以下で、障壁層とバンドギャップエネルギーが同一か、それよりも大きいＡｌＧａＮ、ＧａＮ（ＡｌＸＧａ１−ＸＮ、０≦Ｘ＜１）からなる第２の窒化物半導体を成長させることが望ましい。一般に第２の窒化物半導体の分解温度は井戸層よりも高い。従って、その分解温度の高い第２の窒化物半導体層の上にＧａＮ、ＩｎＧａＮ（この場合、Ｉｎ組成比は井戸層よりも小さい）等からなる障壁層を成長させると、障壁層を厚膜で成長させた場合に結晶性が良くなる。また井戸層と障壁層との間にＡｌを含む窒化物半導体層が存在すると、閾値が低下しやすい傾向にある。従って第１、第２、第３の窒化物半導体層を繰り返して積層した多重量子井戸構造の活性層を成長させることにより、長波長の素子が得られて、素子の出力が向上する。
【００３２】
（ｐ側光ガイド層６）
続いて８００℃で、アンドープＩｎ０．２Ｇａ０．８Ｎよりなる層を２０オングストローム成長させ、続いてＣｐ２Ｍｇガスを流し、Ｍｇを１×１０１９／ｃｍ３ドープしたｐ型ＧａＮ層を２０オングストロームの膜厚で成長させる。そしてこれらの層を交互に積層して超格子層を構成し、総膜厚８００オングストロームのｐ側光ガイド層６を成長させる。
【００３３】
なお、前記工程においてｎ側光ガイド層４、及びｐ側光ガイド層６のいずれか一方を省略することもできる。省略した場合はコア部の厚さが薄くなり光の閉じ込めが悪くなるので、活性層５の井戸＋障壁のペア数を増やして、活性層の膜厚を１０００オングストローム以上、好ましくは１２００オングストローム以上、最も好ましくは１５００〜３０００オングストロームにすることが望ましい。さらに、活性層を多重量子井戸構造で形成する場合、少なくとも一方の端部は障壁層とすることが閾値を低下させる上で望ましい。なお、上記コア部とは、活性層とガイド層とを合わせた部分を指す。
【００３４】
（ｐ側クラッド層７）
続いて、８５０℃でＭｇを１×１０１９／ｃｍ３ドープしたｐ型ＧａＮよりなる層を１．０μｍ成長させる。ｐ側クラッド層７の膜厚はＶｆを低下させる上で、ｎ側クラッド層３よりも薄くすることが望ましく、好ましくは１．２μｍ以下、さらに好ましくは１μｍ以下に調整する。レーザ素子の光閉じ込め層としての下限としては２００オングストローム以上にすることが望ましい。
【００３５】
（ｐ側コンタクト層８）
最後に、８５０℃でＭｇを１×１０２０／ｃｍ３ドープしたｐ型ＧａＮよりなるｐ側コンタクト層８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、ＩｎＧａＮとすれば、ｐ電極２０と最も好ましいオーミック接触が得られる。またＭｇ濃度はＶｆを低下させる上でｐ側クラッド層よりも大きくすることが望ましい。
【００３６】
以上のようにして窒化物半導体を成長させたウェーハを反応容器から取り出し、最上層のｐ側コンタクト層の表面に、幅１．５μｍのストライプ状のＳｉＯ２よりなる保護膜を形成する。そしてＲＩＥ（反応性イオンエッチング装置）を用いＳｉＣｌ４ガスによりエッチングし、ｎ側クラッド層４の表面を露出させ、保護膜直下部分にストライプ状の導波路領域を形成する。このようにストライプ導波路を形成する場合、エッチストップは、ｐ側クラッド層７を０．２μｍ以下の膜厚で残した位置から下側、好ましくはｐ側クラッド層７と、ｐ側光ガイド層６との界面から基板側に至る窒化物半導体層で止めた位置とすると、リーク電流が発生しにくく、閾値が低下しやすい。
【００３７】
ストライプ導波路形成後、ＳｉＯ２マスクをつけたまま、窒化物半導体層の表面にＺｒＯ２よりなる絶縁膜１００を形成する。絶縁膜１００形成後、バッファードフッ酸に浸漬して、ｐ側コンタクト層の上に形成したＳｉＯ２を溶解除去し、リフトオフ法によりＳｉＯ２と共に、ｐ側コンタクト層の上にあるＺｒＯ２を除去する。このように導波路領域を形成するための保護膜をＳｉＯ２で形成し、その上からＺｒＯ２等のＳｉＯ２と異なる材料よりなる絶縁膜を形成して、リフトオフ法によりコンタクト層の上の絶縁膜のみを除去することにより、ストライプ導波路の側面及びその側面と連続した窒化物半導体層の表面に均一な膜厚で絶縁性の高い膜が製膜できる。
【００３８】
絶縁膜１００形成後、Ｎｉ／Ａｕからなるｐ電極２０を図１に示すように、絶縁膜１００を介してｐ側コンタクト層８と良好なオーミックが得られるように形成する。一方ＧａＮ基板の裏面にはＴｉ／Ａｌよりなるｎ電極２１をほぼ全面に形成し、その上にＡｕ／Ｓｎよりなるメタライズ電極を形成する。
【００３９】
ｐ、ｎ電極両形成後、窒化物半導体基板１のＭ面（窒化物半導体を六角柱で表した場合にその六角柱の側面に相当する面）でを劈開して、その劈開面に共振器を作製する。なお、ストライプ導波路を形成する際、この劈開面を予め決定しておき、ストライプ方向がこの劈開面に対して、ほぼ垂直になるように設計することは言うまでもない。そしてストライプに平行な方向で切断してレーザチップとする。
【００４０】
レーザチップ作製後、ＧａＮ基板のｎ電極２１側をメタライズされたヒートシンクに設置して、図１に示すようにｐ電極２０のストライプの直上部にない位置にＡｕ線２２をワイヤーボンディングしてレーザ素子とする。このレーザ素子を室温でレーザ発振を試みたところ、発振波長５３０ｎｍと従来のレーザ素子に比較して１００ｎｍ以上波長が長くなり、閾値電流密度５ｋＡ／ｃｍ２において室温連続発振を示し、電流電圧特性を測定しても、初期のリーク電流はほとんど発生していなかった。さらに電流値を上げて出力を上げ、２０ｍＷとしても、素子自体にショートは発生せず、３０時間以上の連続発振を続けた。
【００４１】
［実施例２］
実施例１において、ｎ側光ガイド層４を成長させる際に、Ｓｉを１×１０１８／ｃｍ３ドープしたＩｎ０．２Ｇａ０．８Ｎ層を２０オングストローム成長させ、アンドープＧａＮ層を２０オングストロームの膜厚で交互に成長させて、総膜厚８００オングストロームの超格子層を構成する。
【００４２】
さらに、ｐ側光ガイド層６を成長させる際に、Ｍｇを１×１０１９／ｃｍ３ドープしたｐ型Ｉｎ０．２Ｇａ０．８Ｎ層を２０オングストローム成長させ、アンドープＧａＮ層を２０オングストロームの膜厚で交互に成長させて、総膜厚８００オングストロームの超格子層を構成する。その他は実施例１と同様にしてレーザ素子を作製したところ、実施例１のものとほぼ同等の特性を有するレーザ素子が得られた。
【００４３】
［実施例３］
実施例１において、ｎ側光ガイド層４を成長させる際、最初にアンドープＩｎ０．２Ｇａ０．８Ｎ層を２０オングストローム成長させた後、Ｓｉを３×１０１８／ｃｍ３ドープしたｎ型ＧａＮ層を２０オングストロームの膜厚で成長させ、これらの層を交互に積層して超格子層を４００オングストローム成長させる。次にアンドープＩｎ０．２Ｇａ０．８Ｎ層を２０オングストローム成長させた後、Ｓｉ濃度を１×１０１７／ｃｍ３にしたｎ型ＧａＮ層を２０オングストローム成長させ、これらの層を交互に積層して超格子層を４００オングストローム成長させる。
【００４４】
さらにｐ側光ガイド層６を成長させる際、最初にアンドープＩｎ０．２Ｇａ０．８Ｎ層を２０オングストローム成長させた後、Ｍｇを１×１０１８／ｃｍ３ドープしたｐ型ＧａＮ層を２０オングストローム成長させ、これらの層を交互に積層して超格子層を４００オングストローム成長させる。次にアンドープＩｎ０．２Ｇａ０．８Ｎ層を２０オングストローム成長させた後、Ｍｇ濃度を５×１０１９／ｃｍ３にしたｐ型ＧａＮ層を２０オングストローム成長させ、これらの層を交互に積層して超格子層を４００オングストローム成長させる。その他は実施例１と同様にしてレーザ素子を作製したところ、実施例１のものとほぼ同等の特性を有するレーザ素子が得られた。
【００４５】
［実施例４］
実施例１において、ｎ側光ガイド層４を成長させる際にＳｉを１×１０１７／ｃｍ３ドープしたＩｎ０．２Ｇａ０．８Ｎ層を２０オングストロームと、Ｓｉを２×１０１８／ｃｍ３ドープしたｎ型ＧａＮ層を２０オングストローム成長させて、総膜厚８００オングストロームの超格子層を成長させる。
【００４６】
またｐ側光ガイド層６を成長させる際にＭｇを１×１０１７／ｃｍ３ドープしたＩｎ０．２Ｇａ０．８Ｎ層を２０オングストロームと、Ｍｇを１×１０１９／ｃｍ３ドープしたｐ型ＧａＮ層を２０オングストローム成長させて、総膜厚８００オングストロームのｐ側光ガイド層６を成長させる。その他は実施例１と同様にしてレーザ素子を作製したところ、実施例１のものとほぼ同等の特性を有するレーザ素子が得られた。
【００４７】
［実施例５］
図２は本発明の他の実施例に係るＬＥＤ素子の構造を示す模式的な断面図である。以下この図を元に実施例５について説明する。
【００４８】
実施例１と同様にして得た窒化物半導体基板１の上に、実施例１と同様にしてＳｉを１×１０１８／ｃｍ３ドープしたＧａＮバッファ層２を３μｍの膜厚で成長させる。
【００４９】
（活性層５５）
次に、８００℃にてＳｉを１×１０１８／ｃｍ３ドープしたｎ型Ｉｎ０．０１Ｇａ０．９５Ｎ障壁層を１００オングストロームの膜厚で成長させ、続いて７５０℃にて、アンドープＩｎ０．５Ｇａ０．５Ｎ井戸層を３０オングストロームの膜厚で成長させる。次に７５０℃に保持したまま、アンドープＡｌ０．１Ｇａ０．９Ｎを１０オングストローム成長させる。次に８００℃にてＳｉを１×１０１８／ｃｍ３ドープしたｎ型Ｉｎ０．０５Ｇａ０．９５Ｎ障壁層を１００オングストローム成長させる。
【００５０】
障壁層成長後、温度を７５０℃に下げ、続いてアンドープＩｎ０．５Ｇａ０．５Ｎ井戸層を３０オングストロームの膜厚で成長させる。続いて７５０℃にて、アンドープＡｌ０．１Ｇａ０．９Ｎ層（第２の窒化物半導体層）を１０オングストローム成長させ、次に８００℃にてＳｉドープＩｎ０．０５Ｇａ０．９５Ｎ障壁層を１００オングストローム成長させる。
【００５１】
このようにして障壁＋（井戸＋第２＋障壁）×５とを積層した総膜厚８００オングストロームの多重量子井戸構造からなる活性層５を成長させる。
【００５２】
（ｐ側クラッド層６６）
８００℃で、アンドープＩｎ０．２Ｇａ０．８Ｎよりなる層を２０オングストローム成長させ、続いてＣｐ２Ｍｇガスを流し、Ｍｇを１×１０１９／ｃｍ３ドープしたｐ型ＧａＮ層を２０オングストロームの膜厚で成長させる。そしてこれらの層を交互に積層して超格子層を構成し、総膜厚８００オングストロームのｐ側クラッド層６６を成長させる。
【００５３】
（ｐ側コンタクト層８８）
最後に、Ｍｇを１×１０２０／ｃｍ３ドープしたｐ型ＧａＮよりなるｐ側コンタクト層８８を５００オングストロームの膜厚で成長させる。
【００５４】
成長後、ウェーハを反応容器から取り出し、最上層のｐ側コンタクト層の表面にオーミック用のＮｉ／Ａｕからなる透光性のｐ電極２０’を２００オングストロームの膜厚で形成し、その上にＡｕからなるボンディング用のｐパッド電極３０を形成する。一方窒化物半導体基板の裏面のほぼ全面にはＴｉ／Ａｌよりなるｎ電極２１’を形成する。
【００５５】
電極形成後、矩形上のチップに分離してＬＥＤ素子としたところ、２０ｍＡにおいて５３０ｎｍの発光を示し、順方向電圧３．２Ｖと従来のＬＥＤ素子に比較して０．２Ｖ以上低下し、出力は１．２倍以上に向上した。
【００５６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によると４３０ｎｍ以上の波長で発振するレーザ素子が得られる。また本発明はレーザ素子、ＬＥＤ素子について説明したが、本発明はレーザ素子だけではなく、Ｉｎを有する井戸層を有する素子であれば、ＳＬＤ、受光素子等どのような窒化物半導体デバイスに適用できることは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例に係るレーザ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ＬＥＤ素子の構造を示す模式断面図。
【符号の説明】
１ 窒化物半導体基板
２ バッファ層
３ ｎ側クラッド層
４ ｎ側光ガイド層
５、５５ 活性層
６ ｐ側光ガイド層
７、６６ ｐ側クラッド層
８、８８ ｐ側コンタクト層
２０、２０’ ｐ電極
２１、２１’ ｎ電極
３０ ｐパッド電極
２２ Ａｕ線
１００ 絶縁膜
【産業上の利用分野】
本発明は発光ダイオード（ＬＥＤ）、レーザダイオード（ＬＤ）、スーパールミネッセントダイオード（ＳＬＤ）等の発光素子、太陽電池、光センサ等の受光素子、あるいはトランジスタ、パワーデバイス等の電子デバイスに用いられる窒化物半導体（ＩｎＸＡｌＹＧａ１−Ｘ−ＹＮ、０≦Ｘ、０≦Ｙ、Ｘ＋Ｙ≦１）素子に関する
。
【０００２】
【従来の技術】
我々は窒化物半導体基板の上に、活性層を含む窒化物半導体レーザ素子を作製して、世界で初めて室温での連続発振１万時間以上を達成したことを発表した（ＩＣＮＳ’９７予稿集， Ｏｃｔｏｂｅｒ ２７−３１，１９９７， Ｐ４４４−４４６及びＪｐｎ． Ｊ． Ａｐｐｌ． Ｐｈｙｓ． Ｖｏｌ． ３６ （１９９７）， ｐｐ． Ｌ１５６８−１５７１， Ｐａｒｔ２， Ｎｏ．１２Ａ， １ Ｄｅｃｅｍｂｅｒ １９９７）。基本的な構造としては、サファイア基板上に成長されたＧａＮ層の上に、部分的に形成されたＳｉＯ２膜を介し、そのＳｉＯ２膜の上部に横方向に成長されたＧａＮよりなる窒化物半導体基板の上に、複数の窒化物半導体層が積層されてレーザ素子構造とされている（詳細はＪｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｖｏｌ．３６参照）。このレーザ素子は閾値電流密度４ｋＡ／ｃｍ２において、４０３．７ｎｍのシングルモードで発振する。なお閾値における電圧は４．６Ｖである。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
レーザ素子を、例えばＤＶＤの光源として使用するには、ディスクのポリカーボネートの性質から４１０ｎｍ前後が限界といわれている。また、短波長レーザ素子の用途は幅広く、緑色に近いレーザ素子も求められている。そのためには前記レーザ素子を長波にすることが必要である。
【０００４】
また１万時間以上の連続発振が実現されたといっても、未だその出力は２ｍＷに過ぎず、書き込み光源とするには高出力状態において、５０００時間以上の寿命が必要とされる。
【０００５】
従って、本発明の目的とするところは、主として青色〜緑色領域のレーザ素子を実現すると共に、レーザ素子の高出力化を実現することにある。また最も過酷な条件で使用されるレーザ素子の出力を向上させることができれば、他の緩やかな条件の下で使用されるＬＥＤ、ＳＬＤ等の他の発光デバイスの出力、受光デバイスの効率等も向上させることが可能となる。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明の窒化物半導体素子は、ｎ型不純物を含む窒化物半導体層（以下、ｎ層という。）と、ｐ型不純物を含む窒化物半導体層（以下、ｐ層という。）との間に、少なくともＩｎを含む窒化物半導体からなる井戸層と障壁層とを有する活性層を備えた窒化物半導体素子において、前記活性層が、前記井戸層と障壁層との間に該障壁層とバンドギャップエネルギーが同一か、それよりも大きい窒化物半導体層を備えることを特徴とする。
【０００７】
本発明の窒化物半導体素子は、前記井戸層はＩｎＸＧａ１−ＸＮ（０＜Ｘ≦１）からなり、前記超格子層はＩｎＹＧａ１−ＹＮ（０＜Ｙ＜１、Ｙ＜Ｘ）と、ＡｌａＧａ１−ａＮ（０≦ａ＜１）とからなることを特徴とする。井戸層の好ましいＩｎ組成Ｘとしては０．１≦Ｘ≦０．６、好ましくは０．１５≦Ｘ≦０．５の範囲に調整する。井戸層の範囲をこの範囲に調整することにより、例えば４３０ｎｍ〜５６０ｎｍ付近において、高効率に発光する素子を得ることができる。
また、前記超格子層は、ｎ層側、及びｐ層側両方に形成されており、両方の超格子層が活性層と接して形成されていることを特徴とする。活性層に接して形成されている場合、活性層の接触面は井戸層でも、障壁層でも良い。
【０００８】
さらに、前記ｎ層側の超格子層には、ｎ型不純物がドープされており、そのｎ型不純物濃度が超格子層中において異なることを特徴とする。
ｎ型不純物がドープされる場合、超格子を構成する少なくとも２種類の半導体層において、一方の窒化物半導体がアンドープ若しくはもう一方の窒化物半導体層よりもｎ型不純物が少なくドープされており、もう一方の窒化物半導体層にはｎ型不純物が多くドープされていることを特徴とする。
【０００９】
また、前記ｐ層側の超格子層には、ｐ型不純物がドープされており、そのｐ型不純物濃度が超格子中において異なることを特徴とする。
ｐ型不純物がドープされる場合、超格子を構成する少なくとも２種類の半導体層において、一方の窒化物半導体がアンドープ若しくはｐ型不純物がもう一方の窒化物半導体よりも少なくドープされており、もう一方の窒化物半導体層にはｐ型不純物が多くドープされていることを特徴とする。
【００１０】
また、障壁層は、井戸層よりもバンドギャップエネルギーが大きいか、前記井戸層よりも厚膜であるか、あるいは障壁層は、井戸層のＩｎ量よりも少ないＩｎ量であることを特徴とする。
【００１１】
さらに、第２の窒化物半導体層が、井戸層よりも分解温度が高いか、ＡｌＧａＮ又はＧａＮ（ＡｌＸＧａ１−ＸＮ、０≦ｘ＜１）であることを特徴とする。
また、活性層が、少なくとも障壁層＋井戸層＋第２窒化物半導体層＋障壁層からなることを特徴とする。
【００１２】
【発明の実施の形態】
窒化物半導体中にドープされるｎ型不純物にはＳｉ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｓ、Ｔｉ、Ｚｒ等が挙げられるが、その中でもＳｉが最も一般的に用いられる。またｐ型不純物にはＭｇ、Ｚｎ、Ｂｅ、Ｃａ、Ｓｒ等が挙げられるがその中でもＭｇが最も一般的に用いられる。
【００１３】
本発明の素子の活性層における井戸層のＩｎの組成比は、全３族元素に対して１０％以上とすることが望ましく、例えば井戸層がＩｎＸＧａ１−ＸＮであると、Ｘは０．１以上、０．６以下とすると、４３０〜５６０ｎｍ付近において、高効率、高輝度な発光素子が得られる。Ｘは０．６より大きくしてもよいが、０．６よりも大きくすると井戸層の結晶性が悪くなるため、素子寿命が短くなる傾向にある。また井戸層を３元混晶のＩｎＡｌＮ、４元混晶のＩｎＡｌＧａＮで構成しても良い。
【００１４】
超格子層とは、例えば膜厚１００オングストローム以下、好ましくは７０オングストローム以下、さらに好ましくは５０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（バンドギャップエネルギーは同じでも良い。）を積層した多層膜層を指し、少なくとも一方は井戸層のＩｎ組成よりも少ないＩｎ組成を有する窒化物半導体層とする。この場合好ましい組成としてはＩｎＹＧａ１−ＹＮ（０＜Ｙ＜１、Ｙ＜Ｘ）とし、好ましくはＹを井戸層と対応して０．６未満、さらに好ましくは０．５未満とする。また３元混晶のＩｎＡｌＮ、４元混晶のＩｎＡｌＧａＮとしても良い。超格子層を構成するもう一方の窒化物半導体はＡｌａＧａ１−ａＮ（０≦ａ＜１）とすることが望ましい。ＩｎＧａＮ／ＡｌＧａＮ若しくはＩｎＧａＮ／ＧａＮの超格子とすると、長波長において高出力、高効率の素子が得られる。
【００１５】
超格子層はｎ層側、ｐ層側いずれか一方に形成しても良いが、両方に形成することが望ましい。超格子層がｎ層側、及びｐ層側両方に形成されている場合、例えば、分離閉じ込め型ダブルへテロ構造の素子を作製すると、超格子層から活性層と離れた側にあるクラッド層に必ずしもＡｌＧａＮを形成しなくても良い。ＡｌＧａＮ、ＡｌＩｎＮ等のＡｌを含む窒化物半導体は一般に結晶成長が難しく、また抵抗率も高い傾向にある。このため、クラッド層をＧａＮとすることができるために、Ｖｆが低く、結晶成長しやすい素子を作製することができる。但し、本発明では必ずしもクラッド層をＧａＮにする必要もなく、Ａｌを含む窒化物半導体で構成しても良い。例えばＡｌの組成比が小さい（全３族元素の４０％以下）窒化物半導体は成長しやすい。
【００１６】
ｎ層側の超格子層にｎ型不純物をドープする場合、超格子層中においてｎ型不純物濃度を異ならせるようにすることが望ましい。好ましい態様としては活性層に接近するに従って、平均的にｎ型不純物濃度を小さくすると、素子の出力が向上する傾向にある。また超格子層を構成する２種類の窒化物半導体に変調ドープを行うことが望ましい。変調ドープとは一方の窒化物半導体層と、もう一方の窒化物半導体層とでｎ型不純物濃度を異ならせることであり、例えば一方をアンドープ（意図的に不純物をドープしない状態）若しくはｎ型不純物を少なくドープし、もう一方をｎ型不純物を多くドープする。ｎ型不純物濃度としては少ない方が５×１０１８／ｃｍ３以下、好ましくは１×１０１８／ｃｍ３以下、さらに好ましくは１×１０１７／ｃｍ３以下に調整する。一方、多い方は１×１０１８／ｃｍ３以上、好ましくは３×１０１８／ｃｍ３以上、最も好ましくは５×１０１８／ｃｍ３以上に調整する。上限は１×１０２１／ｃｍ３以下にする方が結晶性良く成長できる。不純物濃度の差は１桁以上あることが望ましい。
【００１７】
一方ｐ層側の超格子層にｐ型不純物をドープする場合、超格子層中においてｐ型不純物濃度を異ならせるようにすることが望ましい。好ましい態様としては活性層に接近するに従ってｐ型不純物濃度を小さくすると、素子の出力が向上する傾向にある。また超格子層を構成する２種類の窒化物半導体に変調ドープを行うことが望ましい。例えば一方をアンドープ（意図的に不純物をドープしない状態）若しくはｐ型不純物を少なくドープし、もう一方をｐ型不純物を多くドープする。ｐ型不純物濃度としては少ない方が１×１０１９／ｃｍ３以下、好ましくは５×１０１８／ｃｍ３以下、さらに好ましくは１×１０１８／ｃｍ３以下に調整する。一方、多い方は１×１０１９／ｃｍ３以上、好ましくは５×１０１９／ｃｍ３以上、最も好ましくは１×１０２０／ｃｍ３以上に調整する。上限は１×１０２２／ｃｍ３以下にする方が結晶性良く成長できる。不純物濃度の差は１桁以上あることが望ましい。
【００１８】本発明のようにＩｎを含む窒化物半導体、好ましくはＩｎＧａＮを含む超格子層をｎ層側、ｐ層側に挿入すると次のような利点がある。例えばレーザ素子を例にとって説明すると、従来、多重量子井戸構造の活性層を挟む構造は、ｎ−ＡｌＧａＮとＧａＮ超格子（クラッド層）／ｎ−ＧａＮ（ガイド層）／活性層／ｐ−ＧａＮ（ガイド層）／ｐ−ＡｌＧａＮとＧａＮ超格子（クラッド層）からなる構造を有していた。長波長（青〜緑色）のレーザを作製しようとすると、井戸層のＩｎ組成を大きくしなければならない。井戸層のＩｎ組成を大きくすると、従来の構造ではクラッド層がＡｌＧａＮであるので十分すぎる程のバンドオフセットがある。本発明ではクラッド層をＧａＮとすることもできるので、ＧａＮとしても十分に活性層とのバンドオフセットがとれる。クラッド層をＧａＮとするとＡｌＧａＮに比較して膜中にクラックが入りにくくなるため、結晶性が向上し、素子の信頼性が良くなる。
【００１９】
さらにガイド層について、クラッド層と活性層との中間の屈折率を有する材料を選択すると例えばＩｎＧａＮが選択できるが、ＩｎＧａＮをガイド層として作用させるには例えば５００オングストローム以上の膜厚が必要となる。しかしある一定量のＩｎ組成比を有するＩｎＧａＮを単層で５００オングストローム以上成長させることは難しく、ＩｎＧａＮ成長途中でＩｎの組成分離が起こり結晶性が悪くなる傾向にある。ＩｎＧａＮは厚さが薄いほど組成分離の影響が小さく、例えば結晶性の良いＩｎＧａＮの臨界膜厚は１００オングストローム以下にすることが望ましい。そのため本発明ではガイド層を膜厚の薄いＩｎＧａＮを有する超格子構造としているため、膜質の良いガイド層が成長できる。しかもＩｎＧａＮ／ＧａＮ、ＩｎＧａＮ／ＡｌＧａＮ等の超格子構造とすると、屈折率が活性層とクラッド層のとの中間にあるガイド層が容易に成長できる。ガイド層の結晶性が良くなると、その上に成長させる活性層、クラッド層の結晶性が良くなり、特に４２０ｎｍ以上のレーザ素子を作製するのに非常にふさわしい。またクラッド層をＧａＮにできるので、ＡｌＧａＮに比較して直列抵抗が低くなり、素子のＶｆ（順方向電圧）を低下させることもできる。
【００２０】
【実施例】
以下実施例において、本発明を詳説するが以下の実施例は本発明における一例を示すものであって、必ずしも以下の構造に限定されるものではない。
【００２１】
［実施例１］
図１は本実施例に係るレーザ素子の構造を示す模式的な断面図であり、共振面に平行な方向で素子を切断した際の図を示すものである。以下、この図を基に実施例１について説明する。
【００２２】
１インチ角のＳｉドープＧａＮよりなる窒化物半導体基板１を用意する。この窒化物半導体基板１は、以下のようにして成長させたものである。
【００２３】
（窒化物半導体基板１）
２インチφ、Ｃ面を主面とするサファイアよりなる異種基板１をＭＯＶＰＥ反応容器内にセットし、温度を５００℃にして、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）、アンモニア（ＮＨ３）を用い、ＧａＮよりなるバッファ層を２００オングストロームの膜厚で成長させる。バッファ層成長後、温度を１０５０℃にして、同じくＧａＮよりなる下地層を４μｍの膜厚で成長させる。
【００２４】
下地層成長後、ウェーハを反応容器から取り出し、この下地層の表面に、ストライプ幅１０μｍ、ストライプ間隔（窓部）２μｍのＳｉＯ２よりなる保護膜を形成する。保護膜形成後、ウェーハを再度ＭＯＶＰＥの反応容器内にセットし、温度を１０５０℃にして、ＴＭＧ、アンモニアを用い、アンドープＧａＮ層を５μｍ成長させ、ＳｉＯ２の表面を覆う。成長後、ウェーハをＭＯＶＰＥ装置からＨＶＰＥ装置に移送しＧａメタルと、アンモニア、ＨＣｌ、シランガスを用い、Ｓｉを１×１０１８／ｃｍ３ドープしたｎ型ＧａＮ層を２００μｍの膜厚で成長させる。成長後、サファイア基板側から研磨して、サファイア基板、バッファ層、下地層、保護膜を除去することにより、総膜厚１７０μｍのＳｉドープＧａＮからなる窒化物半導体基板１を作製する。ＳｉドープＧａＮのＳｉ濃度は５×１０１７〜１×１０１９／ｃｍ３の範囲に調整することが望ましい。
【００２５】
（バッファ層２）
以上のようにして作製した窒化物半導体基板１をＭＯＶＰＥ装置に移送し、アンモニアとＴＭＧ、不純物ガスとしてシランガスを用い、ＡＳ−ＧＲＯＷＮ側の窒化物半導体基板面に、１０５０℃でＳｉを１×１０１８／ｃｍ３ドープしたＧａＮよりなるバッファ層２を２μｍの膜厚で成長させる。このように窒化物半導体と異なる材料よりなる異種基板上に、１００μｍ以上の膜厚で基板となるような窒化物半導体を成長させ、その後異種基板を除去して窒化物半導体基板を作製した場合、その窒化物半導体基板のＡＳ−ＧＲＯＷＮ面（異種基板除去側と反対側面）に、まずＧａＮを１０μｍ以下の膜厚で成長させてバッファ層とすると、次に成長させる窒化物半導体の結晶性が良くなる傾向にある。
【００２６】
（ｎ側クラッド層３）
続いて、１０５０℃でＴＭＧ、アンモニア、シランガスを用い、Ｓｉを１×１０１８／ｃｍ３ドープしたｎ型ＧａＮよりなるｎ側クラッド層３を１．５μｍの膜厚で成長させる。
【００２７】
（ｎ側光ガイド層４）
続いて、８００℃でＴＭＩ（トリメチルインジウム）、ＴＭＧ、アンモニアを用い、アンドープＩｎ０．２Ｇａ０．８Ｎよりなる層を２０オングストローム成長させ、続いてＴＭＩを止めてシランガスを流し、Ｓｉを１×１０１８／ｃｍ３ドープしたｎ型ＧａＮ層を２０オングストロームの膜厚で成長させる。そしてこれらの層を交互に積層して超格子層を構成し、総膜厚８００オングストロームのｎ側光ガイド層４を成長させる。
【００２８】
（活性層５）
次に、８００℃で、Ｓｉを１×１０１８／ｃｍ３ドープしたｎ型Ｉｎ０．２Ｇａ０．８Ｎよりなる障壁層を１００オングストロームの膜厚で成長させる。続いて７５０℃で、アンドープＩｎ０．５Ｇａ０．５Ｎよりなる井戸層（第１の窒化物半導体層）を３０オングストロームの膜厚で成長させる。次に温度を７５０℃に保持したままＴＭＡを原料ガスに加え、アンドープＡｌ０．２Ｇａ０．８Ｎよりなる第２の窒化物半導体層を１０オングストローム成長させる。次に温度を８００℃に上昇してＳｉを１×１０１８／ｃｍ３ドープしたｎ型Ｉｎ０．２Ｇａ０．８Ｎよりなる障壁層（第３の窒化物半導体層）を１００オングストローム成長させる。
【００２９】
障壁層成長後、温度を７５０℃に下げ、続いてアンドープＩｎ０．５Ｇａ０．５Ｎよりなる井戸層（第１の窒化物半導体層）を３０オングストロームの膜厚で成長させる。続いて７５０℃にて、アンドープＡｌ０．２Ｇａ０．８Ｎよりなる第２の窒化物半導体層を１０オングストローム成長させ、次に温度を８００℃にしてＳｉドープＩｎ０．２Ｇａ０．８Ｎよりなる障壁層（第３の窒化物半導体層）を１００オングストローム成長させる。
【００３０】
このようにして障壁＋（井戸＋第２＋障壁）×５とを積層した総膜厚８００オングストロームの多重量子井戸構造からなる活性層５を成長させる。
【００３１】
活性層５では、ＩｎＧａＮからなる井戸層と、井戸層よりもバンドギャップエネルギーが大きいか、若しくは膜厚が厚い障壁層との間に、３０オングストローム以下で、障壁層とバンドギャップエネルギーが同一か、それよりも大きいＡｌＧａＮ、ＧａＮ（ＡｌＸＧａ１−ＸＮ、０≦Ｘ＜１）からなる第２の窒化物半導体を成長させることが望ましい。一般に第２の窒化物半導体の分解温度は井戸層よりも高い。従って、その分解温度の高い第２の窒化物半導体層の上にＧａＮ、ＩｎＧａＮ（この場合、Ｉｎ組成比は井戸層よりも小さい）等からなる障壁層を成長させると、障壁層を厚膜で成長させた場合に結晶性が良くなる。また井戸層と障壁層との間にＡｌを含む窒化物半導体層が存在すると、閾値が低下しやすい傾向にある。従って第１、第２、第３の窒化物半導体層を繰り返して積層した多重量子井戸構造の活性層を成長させることにより、長波長の素子が得られて、素子の出力が向上する。
【００３２】
（ｐ側光ガイド層６）
続いて８００℃で、アンドープＩｎ０．２Ｇａ０．８Ｎよりなる層を２０オングストローム成長させ、続いてＣｐ２Ｍｇガスを流し、Ｍｇを１×１０１９／ｃｍ３ドープしたｐ型ＧａＮ層を２０オングストロームの膜厚で成長させる。そしてこれらの層を交互に積層して超格子層を構成し、総膜厚８００オングストロームのｐ側光ガイド層６を成長させる。
【００３３】
なお、前記工程においてｎ側光ガイド層４、及びｐ側光ガイド層６のいずれか一方を省略することもできる。省略した場合はコア部の厚さが薄くなり光の閉じ込めが悪くなるので、活性層５の井戸＋障壁のペア数を増やして、活性層の膜厚を１０００オングストローム以上、好ましくは１２００オングストローム以上、最も好ましくは１５００〜３０００オングストロームにすることが望ましい。さらに、活性層を多重量子井戸構造で形成する場合、少なくとも一方の端部は障壁層とすることが閾値を低下させる上で望ましい。なお、上記コア部とは、活性層とガイド層とを合わせた部分を指す。
【００３４】
（ｐ側クラッド層７）
続いて、８５０℃でＭｇを１×１０１９／ｃｍ３ドープしたｐ型ＧａＮよりなる層を１．０μｍ成長させる。ｐ側クラッド層７の膜厚はＶｆを低下させる上で、ｎ側クラッド層３よりも薄くすることが望ましく、好ましくは１．２μｍ以下、さらに好ましくは１μｍ以下に調整する。レーザ素子の光閉じ込め層としての下限としては２００オングストローム以上にすることが望ましい。
【００３５】
（ｐ側コンタクト層８）
最後に、８５０℃でＭｇを１×１０２０／ｃｍ３ドープしたｐ型ＧａＮよりなるｐ側コンタクト層８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、ＩｎＧａＮとすれば、ｐ電極２０と最も好ましいオーミック接触が得られる。またＭｇ濃度はＶｆを低下させる上でｐ側クラッド層よりも大きくすることが望ましい。
【００３６】
以上のようにして窒化物半導体を成長させたウェーハを反応容器から取り出し、最上層のｐ側コンタクト層の表面に、幅１．５μｍのストライプ状のＳｉＯ２よりなる保護膜を形成する。そしてＲＩＥ（反応性イオンエッチング装置）を用いＳｉＣｌ４ガスによりエッチングし、ｎ側クラッド層４の表面を露出させ、保護膜直下部分にストライプ状の導波路領域を形成する。このようにストライプ導波路を形成する場合、エッチストップは、ｐ側クラッド層７を０．２μｍ以下の膜厚で残した位置から下側、好ましくはｐ側クラッド層７と、ｐ側光ガイド層６との界面から基板側に至る窒化物半導体層で止めた位置とすると、リーク電流が発生しにくく、閾値が低下しやすい。
【００３７】
ストライプ導波路形成後、ＳｉＯ２マスクをつけたまま、窒化物半導体層の表面にＺｒＯ２よりなる絶縁膜１００を形成する。絶縁膜１００形成後、バッファードフッ酸に浸漬して、ｐ側コンタクト層の上に形成したＳｉＯ２を溶解除去し、リフトオフ法によりＳｉＯ２と共に、ｐ側コンタクト層の上にあるＺｒＯ２を除去する。このように導波路領域を形成するための保護膜をＳｉＯ２で形成し、その上からＺｒＯ２等のＳｉＯ２と異なる材料よりなる絶縁膜を形成して、リフトオフ法によりコンタクト層の上の絶縁膜のみを除去することにより、ストライプ導波路の側面及びその側面と連続した窒化物半導体層の表面に均一な膜厚で絶縁性の高い膜が製膜できる。
【００３８】
絶縁膜１００形成後、Ｎｉ／Ａｕからなるｐ電極２０を図１に示すように、絶縁膜１００を介してｐ側コンタクト層８と良好なオーミックが得られるように形成する。一方ＧａＮ基板の裏面にはＴｉ／Ａｌよりなるｎ電極２１をほぼ全面に形成し、その上にＡｕ／Ｓｎよりなるメタライズ電極を形成する。
【００３９】
ｐ、ｎ電極両形成後、窒化物半導体基板１のＭ面（窒化物半導体を六角柱で表した場合にその六角柱の側面に相当する面）でを劈開して、その劈開面に共振器を作製する。なお、ストライプ導波路を形成する際、この劈開面を予め決定しておき、ストライプ方向がこの劈開面に対して、ほぼ垂直になるように設計することは言うまでもない。そしてストライプに平行な方向で切断してレーザチップとする。
【００４０】
レーザチップ作製後、ＧａＮ基板のｎ電極２１側をメタライズされたヒートシンクに設置して、図１に示すようにｐ電極２０のストライプの直上部にない位置にＡｕ線２２をワイヤーボンディングしてレーザ素子とする。このレーザ素子を室温でレーザ発振を試みたところ、発振波長５３０ｎｍと従来のレーザ素子に比較して１００ｎｍ以上波長が長くなり、閾値電流密度５ｋＡ／ｃｍ２において室温連続発振を示し、電流電圧特性を測定しても、初期のリーク電流はほとんど発生していなかった。さらに電流値を上げて出力を上げ、２０ｍＷとしても、素子自体にショートは発生せず、３０時間以上の連続発振を続けた。
【００４１】
［実施例２］
実施例１において、ｎ側光ガイド層４を成長させる際に、Ｓｉを１×１０１８／ｃｍ３ドープしたＩｎ０．２Ｇａ０．８Ｎ層を２０オングストローム成長させ、アンドープＧａＮ層を２０オングストロームの膜厚で交互に成長させて、総膜厚８００オングストロームの超格子層を構成する。
【００４２】
さらに、ｐ側光ガイド層６を成長させる際に、Ｍｇを１×１０１９／ｃｍ３ドープしたｐ型Ｉｎ０．２Ｇａ０．８Ｎ層を２０オングストローム成長させ、アンドープＧａＮ層を２０オングストロームの膜厚で交互に成長させて、総膜厚８００オングストロームの超格子層を構成する。その他は実施例１と同様にしてレーザ素子を作製したところ、実施例１のものとほぼ同等の特性を有するレーザ素子が得られた。
【００４３】
［実施例３］
実施例１において、ｎ側光ガイド層４を成長させる際、最初にアンドープＩｎ０．２Ｇａ０．８Ｎ層を２０オングストローム成長させた後、Ｓｉを３×１０１８／ｃｍ３ドープしたｎ型ＧａＮ層を２０オングストロームの膜厚で成長させ、これらの層を交互に積層して超格子層を４００オングストローム成長させる。次にアンドープＩｎ０．２Ｇａ０．８Ｎ層を２０オングストローム成長させた後、Ｓｉ濃度を１×１０１７／ｃｍ３にしたｎ型ＧａＮ層を２０オングストローム成長させ、これらの層を交互に積層して超格子層を４００オングストローム成長させる。
【００４４】
さらにｐ側光ガイド層６を成長させる際、最初にアンドープＩｎ０．２Ｇａ０．８Ｎ層を２０オングストローム成長させた後、Ｍｇを１×１０１８／ｃｍ３ドープしたｐ型ＧａＮ層を２０オングストローム成長させ、これらの層を交互に積層して超格子層を４００オングストローム成長させる。次にアンドープＩｎ０．２Ｇａ０．８Ｎ層を２０オングストローム成長させた後、Ｍｇ濃度を５×１０１９／ｃｍ３にしたｐ型ＧａＮ層を２０オングストローム成長させ、これらの層を交互に積層して超格子層を４００オングストローム成長させる。その他は実施例１と同様にしてレーザ素子を作製したところ、実施例１のものとほぼ同等の特性を有するレーザ素子が得られた。
【００４５】
［実施例４］
実施例１において、ｎ側光ガイド層４を成長させる際にＳｉを１×１０１７／ｃｍ３ドープしたＩｎ０．２Ｇａ０．８Ｎ層を２０オングストロームと、Ｓｉを２×１０１８／ｃｍ３ドープしたｎ型ＧａＮ層を２０オングストローム成長させて、総膜厚８００オングストロームの超格子層を成長させる。
【００４６】
またｐ側光ガイド層６を成長させる際にＭｇを１×１０１７／ｃｍ３ドープしたＩｎ０．２Ｇａ０．８Ｎ層を２０オングストロームと、Ｍｇを１×１０１９／ｃｍ３ドープしたｐ型ＧａＮ層を２０オングストローム成長させて、総膜厚８００オングストロームのｐ側光ガイド層６を成長させる。その他は実施例１と同様にしてレーザ素子を作製したところ、実施例１のものとほぼ同等の特性を有するレーザ素子が得られた。
【００４７】
［実施例５］
図２は本発明の他の実施例に係るＬＥＤ素子の構造を示す模式的な断面図である。以下この図を元に実施例５について説明する。
【００４８】
実施例１と同様にして得た窒化物半導体基板１の上に、実施例１と同様にしてＳｉを１×１０１８／ｃｍ３ドープしたＧａＮバッファ層２を３μｍの膜厚で成長させる。
【００４９】
（活性層５５）
次に、８００℃にてＳｉを１×１０１８／ｃｍ３ドープしたｎ型Ｉｎ０．０１Ｇａ０．９５Ｎ障壁層を１００オングストロームの膜厚で成長させ、続いて７５０℃にて、アンドープＩｎ０．５Ｇａ０．５Ｎ井戸層を３０オングストロームの膜厚で成長させる。次に７５０℃に保持したまま、アンドープＡｌ０．１Ｇａ０．９Ｎを１０オングストローム成長させる。次に８００℃にてＳｉを１×１０１８／ｃｍ３ドープしたｎ型Ｉｎ０．０５Ｇａ０．９５Ｎ障壁層を１００オングストローム成長させる。
【００５０】
障壁層成長後、温度を７５０℃に下げ、続いてアンドープＩｎ０．５Ｇａ０．５Ｎ井戸層を３０オングストロームの膜厚で成長させる。続いて７５０℃にて、アンドープＡｌ０．１Ｇａ０．９Ｎ層（第２の窒化物半導体層）を１０オングストローム成長させ、次に８００℃にてＳｉドープＩｎ０．０５Ｇａ０．９５Ｎ障壁層を１００オングストローム成長させる。
【００５１】
このようにして障壁＋（井戸＋第２＋障壁）×５とを積層した総膜厚８００オングストロームの多重量子井戸構造からなる活性層５を成長させる。
【００５２】
（ｐ側クラッド層６６）
８００℃で、アンドープＩｎ０．２Ｇａ０．８Ｎよりなる層を２０オングストローム成長させ、続いてＣｐ２Ｍｇガスを流し、Ｍｇを１×１０１９／ｃｍ３ドープしたｐ型ＧａＮ層を２０オングストロームの膜厚で成長させる。そしてこれらの層を交互に積層して超格子層を構成し、総膜厚８００オングストロームのｐ側クラッド層６６を成長させる。
【００５３】
（ｐ側コンタクト層８８）
最後に、Ｍｇを１×１０２０／ｃｍ３ドープしたｐ型ＧａＮよりなるｐ側コンタクト層８８を５００オングストロームの膜厚で成長させる。
【００５４】
成長後、ウェーハを反応容器から取り出し、最上層のｐ側コンタクト層の表面にオーミック用のＮｉ／Ａｕからなる透光性のｐ電極２０’を２００オングストロームの膜厚で形成し、その上にＡｕからなるボンディング用のｐパッド電極３０を形成する。一方窒化物半導体基板の裏面のほぼ全面にはＴｉ／Ａｌよりなるｎ電極２１’を形成する。
【００５５】
電極形成後、矩形上のチップに分離してＬＥＤ素子としたところ、２０ｍＡにおいて５３０ｎｍの発光を示し、順方向電圧３．２Ｖと従来のＬＥＤ素子に比較して０．２Ｖ以上低下し、出力は１．２倍以上に向上した。
【００５６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によると４３０ｎｍ以上の波長で発振するレーザ素子が得られる。また本発明はレーザ素子、ＬＥＤ素子について説明したが、本発明はレーザ素子だけではなく、Ｉｎを有する井戸層を有する素子であれば、ＳＬＤ、受光素子等どのような窒化物半導体デバイスに適用できることは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例に係るレーザ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ＬＥＤ素子の構造を示す模式断面図。
【符号の説明】
１ 窒化物半導体基板
２ バッファ層
３ ｎ側クラッド層
４ ｎ側光ガイド層
５、５５ 活性層
６ ｐ側光ガイド層
７、６６ ｐ側クラッド層
８、８８ ｐ側コンタクト層
２０、２０’ ｐ電極
２１、２１’ ｎ電極
３０ ｐパッド電極
２２ Ａｕ線
１００ 絶縁膜
Claims (6)
- ｎ型不純物を含む窒化物半導体層と、ｐ型不純物を含む窒化物半導体層との間に、少なくともＩｎを含む窒化物半導体からなる井戸層と障壁層とを有する活性層を備えた窒化物半導体素子において、
前記活性層が、前記井戸層と障壁層との間に該障壁層とバンドギャップエネルギーが同一か、それよりも大きい窒化物半導体層を備えることを特徴とする窒化物半導体素子。 - 障壁層は、井戸層よりもバンドギャップエネルギーが大きいか、前記井戸層よりも厚膜である請求項１に記載の窒化物半導体素子。
- 障壁層は、井戸層のＩｎ量よりも少ないＩｎ量である請求項１又は２に記載の窒化物半導体素子。
- 第２の窒化物半導体層が、井戸層よりも分解温度が高い請求項１〜３のいずれか１つに記載の窒化物半導体素子。
- 第２の窒化物半導体層が、ＡｌＧａＮ又はＧａＮ（ＡｌＸＧａ１−ＸＮ、０≦Ｘ＜１）である請求項１〜４のいずれか１つに記載の窒化物半導体素子。
- 活性層が、少なくとも障壁層＋井戸層＋第２窒化物半導体層＋障壁層からなる請求項１〜４のいずれか１つに記載の窒化物半導体素子。
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