JP2004214698A - 窒化物半導体発光素子 - Google Patents

Abstract

【目的】 主としてレーザ素子の寿命を長くして信頼性の高いレーザ素子を得ることにあり、具体的には半導体素子の熱伝導性を向上させ、かつクラッド層の光閉じ込め効果を向上させることにより、発振閾値を低下させる。
【構成】 第１の主面と第２の主面とを有し、アンドープ若しくはｎ型不純物濃度が１×１０^１７／cm^３以下で、膜厚１０μｍ以上の窒化物半導体よりなる窒化物半導体基板の第１の主面上に、その窒化物半導体基板よりもｎ型不純物濃度が大きいｎ型窒化物半導体よりなるｎ側コンタクト層と、Ａｌを含む窒化物半導体層を含む超格子構造よりなるｎ側クラッド層を有し、さらにそのｎ側クラッド層の上に、活性層と、ｐ型窒化物半導体よりなるｐ側コンタクト層とを少なくとも有しており、前記ｎ側コンタクト層と、前記ｐ側コンタクト層とにはそれぞれ電極が設けられて、それらの電極が第１の主面側にある。
【選択図】 図１

Description

本発明は例えばＬＥＤ（発光ダイオード）、ＬＤ（レーザダイオード）、ＳＬＤ（スーパールミネッセントダイオード）等に使用される窒化物半導体（Ｉｎ_aＡｌ_bＧａ_1-a-bＮ、０≦a、０≦b、a＋b≦１）発光素子に関する。

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、部分的に形成されたＳｉＯ₂膜を介して選択成長されたｎ−ＧａＮよりなる窒化物半導体基板の上に、レーザ素子構造となる窒化物半導体層が複数積層されてなる。（詳細はJpn.J.Appl.Phys.Vol.36参照）
ICNS'97 予稿集,October 27-31,1997,P444-446 Jpn.J.Appl.Phys.Vol.36(1997）pp.L1568-1571、Part2,No.12A,1 December 1997

しかしながら従来のレーザ素子では基板にサファイアを有しているため、熱伝導性が良くないと言う問題がある。熱伝導性が悪いとレーザ素子の寿命を短くする。またサファイアは窒化物半導体よりも屈折率が小さいため、ｎ側クラッド層から漏れたレーザ光がサファイアとｎ側クラッド層との間にあるｎ型ＧａＮからなるコンタクト層内で導波してしまう。そのＧａＮ層中で導波した光は、活性層端面から出射されるレーザ光と重なり合いファーフィールドパターン（ＦＦＰ）の形状を乱し、例えば出射されるレーザ光のスポットが複数となって現れ、マルチモードとなって観測される。マルチモードのレーザ素子はピックアップ用光源として使用するには非常に使いにくい。また、クラッド層の光閉じ込めが不十分であると、レーザ素子の発振閾値を上昇させる。閾値が上昇すると当然、レーザ素子の寿命が短くなる。

従って本発明の目的とするところは、主としてレーザ素子の寿命を長くして信頼性の高いレーザ素子を得ることにあり、具体的には半導体素子の熱伝導性を向上させ、かつクラッド層の光閉じ込め効果を向上させることにより、発振閾値を低下させることにある。なお、以下の説明ではレーザ素子を例にとって説明するが、本発明はレーザ素子だけでなくＬＥＤ、ＳＬＤ等、他の窒化物半導体発光素子にも適用できる。

本発明の窒化物半導体素子は、第１の主面と第２の主面とを有し、アンドープ若しくはｎ型不純物濃度が１×１０^１７／cm^３以下で、膜厚１０μｍ以上の窒化物半導体よりなる窒化物半導体基板の第１の主面上に、その窒化物半導体基板よりもｎ型不純物濃度が大きいｎ型窒化物半導体よりなるｎ側コンタクト層と、Ａｌを含む窒化物半導体層を含む超格子構造よりなるｎ側クラッド層を有し、さらにそのｎ側クラッド層の上に、活性層と、ｐ型窒化物半導体よりなるｐ側コンタクト層とを少なくとも有しており、前記ｎ側コンタクト層と、前記ｐ側コンタクト層とにはそれぞれ電極が設けられて、それらの電極が第１の主面側にあることを特徴とする。なお、本発明において窒化物半導体基板、ｎ側コンタクト層、ｎ側クラッド層、活性層、ｐ側コンタクト層等は必ずしもそれぞれの層が接して積層されていなくても良く、例えば他の窒化物半導体よりなるクラック防止層、光ガイド層、ｐ側クラッド層等が間に形成されていても、本発明の範囲内であることは言うまでもない。

さらに本発明の発光素子において、前記超格子よりなるｎ側クラッド層は全体の厚さが０．５μｍ以上で、かつそのｎ側クラッド層に含まれる３族元素に対するＡｌ平均組成を百分率で表した際に、ｎ側クラッド層全体の厚さ（μｍ）と、Ａｌ平均組成（％）との積が４．４以上となるように構成されていることを特徴とする。

ｎ側クラッド層の具体的な構成として、前記ｎ側クラッド層の全体の厚さを０．８μｍ以上とし、前記ｎ側クラッド層に含まれる３族元素に対するＡｌ平均組成を５．５％以上とする。

好ましくは、前記ｎ側クラッド層の全体の厚さを１．０μｍ以上とし、前記ｎ側クラッド層に含まれる３族元素に対するＡｌ平均組成を５．０％以上とすることを特徴とする。

さらに好ましくは、前記ｎ側クラッド層の全体の厚さを１．２μｍ以上とし、前記ｎ側クラッド層に含まれる３族元素に対するＡｌ平均組成を４．５％以上とすることを特徴とする。

以上説明したように、本発明ではアンドープ、若しくはｎ型不純物濃度が非常に少ない窒化物半導体基板を有しているために、その上に成長させるｎ側コンタクト層の結晶性も良くなる。さらに窒化物半導体基板の裏面を支持体に接する側としているために熱伝導性が良くなって、寿命が向上する。また、同一面側から電極を取り出しているために、電流が窒化物半導体基板を流れず、電流破壊による窒化物半導体基板のわずかな結晶欠陥が活性層まで転位することが少ない。好ましくは、ｎ側クラッド層を請求項２のような構成とすることにより、クラッド層から漏れて、ＧａＮ基板で導波する光が少なくなるため、発光効率が向上して閾値が低下する。さらにレーザ素子ではシングルモードの光が得られるため、書き込み、読みとり光源として非常にその産業上の利用価値は大きい。また、本明細書ではレーザ素子について説明したが、本発明はレーザ素子だけでなく、ＬＥＤ素子、スーパールミネッセントダイオードのような他の発光素子にも適用可能である。

本発明の発光素子において、窒化物半導体基板は、例えば、次の方法により得られる。それは窒化物半導体と異なる材料よりなる異種基板の上に成長された第１の窒化物半導体層の上に、窒化物半導体が表面に成長しにくい性質を有する保護膜を選択的（例えばストライプ状）に形成し、その保護膜の窓部（保護膜が形成されていない場所）から第２の窒化物半導体層を選択成長させて、その第２の窒化物半導体層が保護膜の上を覆うようになるまで成長させる技術（epitaxicial lateral over glowth:ELOGと呼ばれる。）である。この技術によると、異種基板の上に成長される第１の窒化物半導体層は、異種基板との格子定数のミスマッチから結晶欠陥が多くなるが、保護膜上に成長される第２の窒化物半導体層は、保護膜上部で第２の窒化物半導体層が横方向に成長されたものであるため、結晶欠陥が第１の窒化物半導体層に比較して、非常に少なくなり、本発明の発光素子の窒化物半導体基板として使用できるものとなる。この窒化物半導体基板の表面に現れる結晶欠陥の数は１×１０^８個／cm^２以下となる。

窒化物半導体基板はアンドープ（不純物を意図的にドープしない状態）若しくはｎ型不純物濃度を１×１０^１７／cm^３以下に調整する必要がある。最も好ましくはアンドープとする。なぜならｎ型不純物をドープしてキャリア濃度を調整しようとすると、窒化物半導体基板の結晶性が悪くなって結晶欠陥が増えやすい傾向にあるからである。結晶欠陥の多い窒化物半導体基板の上に素子構造となる窒化物半導体を成長しても、その結晶欠陥が転位して信頼性の良い発光素子を得ることは難しい傾向にある。窒化物半導体としてはX値が０．１以下のＡｌ_ＸＧａ_１−ＸＮ（０≦X≦０．１）、最も好ましくはＩｎ、Ａｌを実質的に含まないＧａＮを成長させることが最も結晶欠陥の少ない基板が得られる。

さらに、その窒化物半導体基板の膜厚も１０μｍ以上に調整する必要がある。１０μｍよりも薄いと、その上にコンタクト層、クラッド層等を積層した際に基板自体が割れやすい傾向にある。また発光デバイスを作製する工程において、途中でウェーハが割れやすくなりデバイス作製が困難となる。さらに、上記のような窒化物半導体基板の作製方法を適用した場合、窒化物半導体基板単独にするためには、後で異種基板、保護膜、第１の窒化物半導体層を研磨、エッチング等の技術により除去する必要がある。その際に異種基板と窒化物半導体基板の熱膨張係数の差により、除去途中で窒化物半導体基板が割れてしまう。それを避けるためにも窒化物半導体基板の厚さは１０μｍ以上、さらに好ましくは５０μｍ以上、最も好ましくは８０μｍ以上にする。但し、厚すぎると放熱効果が悪くなるので５００μｍ以下にすることが望ましい。

次に、窒化物半導体基板上に成長させるｎ側コンタクト層（接していなくても良い）はｎ電極を形成する層であるため、ｎ型不純物を窒化物半導体基板よりも多くする。具体的には５×１０^１７／cm^３以上、好ましくは１×１０^１８／cm^３以上、最も好ましくは５×１０^１８／cm^３以上に調整する。上限についてはコンタクト層の結晶性を考慮して、１×１０^２１／cm^３以下に調整することが望ましい。なお窒化物半導体基板とｎ側コンタクト層との間に、バッファ層として他の窒化物半導体層を介在させることもできる。

本発明の発光素子において、クラッド層とは、屈折率が活性層の井戸層よりも小さい窒化物半導体を含む光閉じ込め層、あるいはバンドギャップエネルギーが大きい活性層の井戸層よりも大きいキャリア閉じ込め層である。また超格子とは例えば単一層の膜厚が１００オングストローム以下で、互いに組成が異なる窒化物半導体層を積層した多層膜構造を指し、好ましくは７０オングストローム以下、さらに好ましくは４０オングストローム以下の膜厚の窒化物半導体層を積層する。ｎ側クラッド層の具体的な構成としては、例えばＡｌ_ＸＧａ_１−ＸＮ（０＜X＜１）層と、そのＡｌ_ＸＧａ_１−ＸＮ層と組成が異なる他の窒化物半導体層とを積層した超格子とし、例えばＡｌ_ＸＧａ_１−ＸＮ／ＧａＮ、Ａｌ_ＸＧａ_１−ＸＮ／Ａｌ_ＹＧａ_１−ＹＮ（０＜Y＜１、Y＜X）、Ａｌ_ＸＧａ_１−ＸＮ／Ｉｎ_ＺＧａ_１−ＺＮ（０＜Z＜１）等の３元混晶と３元混晶、若しくは３元混晶と２元混晶との組み合わせで超格子とすることができる。その中でも最も好ましくはＡｌ_ＸＧａ_１−ＸＮとＧａＮとからなる超格子とすると、同一温度で結晶性の良い窒化物半導体層が積層できるため望ましい。

具体的なｎ側クラッド層の構成としては、ｎ側クラッド層全体の厚さが０．５μｍ以上で、かつそのｎ側クラッド層に含まれる３族元素に対するＡｌ平均組成を百分率で表した際に、ｎ側クラッド層全体の厚さ（μｍ）と、Ａｌ平均組成（％）との積が４．４以上となるように構成する。本発明の発光素子ではｎ側クラッド層よりも屈折率の大きい窒化物半導体、特にＧａＮを基板としている。ＧａＮを基板とすることにより、窒化物半導体素子の放熱を高めることができるが、クラッド層よりも屈折率が大きいという欠点がある。そのため例えばレーザ素子ではｎ側クラッド層から光がしみ出し、ＧａＮ基板で導波することにより、効率を低下させて閾値が上昇する要因となる。そのために、本発明ではｎ側クラッド層の光閉じ込め効果を、ＡｌＧａＮを含む超格子で高めている。しかも超格子を構成するＡｌＧａＮの単一膜厚は７０オングストローム以下と薄いために、Ａｌ混晶比の大きい層を形成することができ、実質的なクラッド層の屈折率を小さくすることができる。ｎ側クラッド層の厚さが０．５μｍよりも薄く、かつそのｎ側クラッド層全体の厚さ（μｍ）とＡｌ平均組成（％）との積が４．４よりも少ないと、ｎ側クラッド層としての光閉じ込めが不十分となり、ｎ側のコンタクト層で導波して、ＦＦＰが乱れ、閾値も上昇する傾向にある。好ましい積の値としては５．０以上、さらに好ましくは５．４以上にする。ベストモードとしては７以上に調整する。

ｎ側のクラッド層を超格子で構成するとＡｌ混晶比を大きくしてもクラッド層にクラックが入りにくくなる。従ってｎ側クラッド層全体の膜厚の上限は特に限定しないが、５μｍ以内の膜厚に調整することが、超格子を構成する窒化物半導体層の積層回数を減らす上で望ましい。但し前にも述べたようにｐ側のクラッド層は、膜厚を厚くするか、あるいはＡｌ平均組成を大きくすると抵抗が高くなる傾向にあるので、膜厚としては２μｍ、好ましくは１．５μｍ以下、Ａｌ平均組成としては５０％以下が望ましい。

具体的には、前記ｎ側クラッド層の全体の厚さを０．８μｍ以上とし、前記ｎ側クラッド層に含まれる３族元素に対するＡｌ平均組成を５．５％以上とする。この場合の積は４．４以上となる。好ましくはｎ側クラッド層の全体の厚さを１．０μｍ以上とし、そのｎ側クラッド層に含まれるＡｌ平均組成を５．０％以上とする。この場合の積は５．０以上である。さらに好ましくは、ｎ側クラッド層の全体の厚さを１．２μｍ以上とし、そのｎ側クラッド層に含まれるＡｌ平均組成を４．５％以上とする。この場合の積は５．４以上である。これはｎ側クラッド層の膜厚の関係と、超格子よりなるｎ側クラッド層のＡｌ平均組成の関係を具体的に示すものである。Ａｌ_ＸＧａ_１−ＸＮはＡｌ混晶比を大きくするに従い、バンドギャップエネルギーが大きくなり、屈折率も小さくなることが知られている。理想的にはＡｌ混晶比Xの大きい、例えば０．５以上のＡｌ_ＸＧａ_１−ＸＮ層を、単一層で例えば数μｍの膜厚で成長させることができれば、工業的にも都合がよいのであるが、Ａｌ_ＸＧａ_１−ＸＮは厚膜で成長させにくい。単一層で特にＡｌ混晶比が０．５以上のＡｌ_ＸＧａ_１−ＸＮを成長させようとすると、例えば０．１μｍ以上で結晶中にクラックが入ってしまう。

ところが本発明のようにＡｌ_ＸＧａ_１−ＸＮを超格子を構成するような薄膜とすると、単一膜厚がＡｌ_ＸＧａ_１−ＸＮの臨界限界膜厚以下となるので、クラックが入りにくい。そのためクラッド層を超格子とするとＡｌ混晶比の高い層でも厚膜で成長できるようになり、本発明のように特定のＡｌ混晶比とクラッド層の膜厚との関係を見出すことができ、それらを組み合わせることにより、光をｎ側のクラッド層から基板側に漏れないようにすることができる。

本発明の素子の超格子におけるＡｌ平均組成は、以下のような算出方法で求めるものとする。例えば２５オングストロームのＡｌ_０．５Ｇａ_０．５Ｎと、２５オングストームのＧａＮとを２００ペア（１．０μｍ）積層した超格子の場合、１ペアが５０オングストローム、Ａｌを含む層の３族元素に対するＡｌ混晶比が０．５であるため、０．５・（２５μｍ／５０μｍ）＝０．２５となり、超格子全体の３族元素におけるＡｌ平均組成は２５％である。一方、膜厚が異なる場合、Ａｌ_０．５Ｇａ_０．５Ｎを４０オングストロームと、ＧａＮを２０オングストロームとで積層した場合、膜厚の加重平均を行い、０．５（４０／６０）＝０．３３３となり、Ａｌ平均組成は３３．３％とする。即ち、Ａｌを含む単一窒化物半導体層の３族元素に対するＡｌ混晶比を、その窒化物半導体層が超格子１ペアの膜厚に占める割合に乗じたものを本発明における超格子のＡｌ平均組成とする。またＡｌを両方含む場合も同様であり、例えばＡｌ_０．１Ｇａ_０．９Ｎ２０オングストローム、Ａｌ_０．２Ｇａ_０．８Ｎ３０オングストロームの場合も、０．１（２０／５０）＋０．２（３０／５０）＝０．１６、即ち１６％をＡｌ平均組成とする。なお以上の例はＡｌＧａＮ／ＧａＮ、ＡｌＧａＮ／ＡｌＧａＮについて説明したが、ＡｌＧａＮ／ＩｎＧａＮについても同じ算出方法を適用するものとする。従って、ｎ側クラッド層を成長させる場合には、以上の算出方法に基づいて成長方法を設計できる。また、ｎ側クラッド層のＡｌ平均組成は、ＳＩＭＳ（二次イオン質量分析装置）、オージェ等の分析装置を用いても検出できる。

また、活性層の発光を閉じ込めるためｎ側クラッド層を上記構成とするならば、ｐ側クラッド層をｎ側クラッド層と同じ構成とすることも可能である。但し、ｐ側クラッド層を上記のような構成とする場合、ｐ側クラッド層の膜厚をｎ側クラッド層よりも薄くすることが望ましい。なぜなら、ｐ側クラッド層の３族元素に対するＡｌ平均組成を大きくするか、若しくは膜厚を厚くすると、ＡｌＧａＮ層の抵抗値が大きくなる傾向にあり、ＡｌＧａＮの抵抗値が大きくなると、閾値が高くなる傾向にあるからである。そのため、そのためｐ側クラッド層をＡｌを含む窒化物半導体層を含む超格子で構成し、膜厚とＡｌ平均組成との積を４．４以上としても、その厚さは２．０μｍよりも薄くすることが望ましい。低抵抗なｐ側クラッド層を作製するため、好ましい膜厚は１．５μｍ以下、さらに好ましくは１．０μｍ以下である。下限については特に限定しないが、キャリア閉じ込めとしてのクラッド層として作用させるためには、５０オングストーム以上の膜厚があることが望ましい。超格子とした場合も、Ａｌ平均組成としては５０％以下が望ましい。なおレーザ素子を作製した場合、ｐ側クラッド層に関してはリッジ形状としてその上に電極を設けるので、その電極が光を吸収してしまうため、クラッド層からの光の漏れがあってもほとんど無視できる。

本発明の発光素子では、窒化物半導体基板に電極を設けず、基板の上に形成したｎ型不純物を含むｎ側コンタクト層に電極を形成している。これは基板をアンドープとして結晶性の良い基板を得る他に、結晶欠陥が活性層に伝搬しないようにする作用もある。例えば、窒化物半導体基板の裏面側にｎ電極を設け、ｐ電極とｎ電極とが対向した形状、例えばＧａＡｓを基板とする赤外レーザのような形状とすることもできるが、本発明ではそのような構造を採用せずに、窒化物半導体という導電性基板があるにも関わらず、同一面側にｐ電極とｎ電極とがある構造としている。このように構成することにより、電流が横方向に流れるため、劣化の激しい青色半導体レーザおいて、基板のわずかな結晶欠陥が活性層に伝搬しにくくなるため、寿命が飛躍的に向上する。

図１は本発明の一実施例に係るレーザ素子の形状を示す模式的な断面図でありリッジストライプに垂直な方向で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。
（下地層）
１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（ＮＨ_３）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。この下地層は保護膜を部分的に表面に形成して、次に窒化物半導体基板の選択成長を行うための下地層として作用する。下地層の膜厚はバッファ層よりも厚い膜厚で成長させて、１０μｍ以下の膜厚に調整することが望ましい。基板はサファイアの他、ＳｉＣ、ＺｎＯ、スピネル、ＧａＡｓ等、窒化物半導体を成長させるために知られている、窒化物半導体と異なる材料よりなる基板を用いることができる。なおこの下地層は結晶欠陥が例えば１０^９個／cm^２以上と多く、窒化物半導体基板とはならない。
（保護膜）
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、ストライプ状のフォトマスクを形成し、ＣＶＤ装置によりストライプ幅１０μｍ、ストライプ間隔（窓部）２μｍのＳｉＯ_２よりなる保護膜を１μｍの膜厚で形成する。保護膜の形状としてはストライプ状、ドット状、碁盤目状等どのような形状でも良いが、窓部よりも保護膜の面積を大きくする方が、次に成長させる結晶欠陥の少ない窒化物半導体基板が得られる。保護膜の材料としては、例えば酸化ケイ素（ＳｉＯ_Ｘ）、窒化ケイ素（Ｓｉ_ＸＮ_Ｙ）、酸化チタン（ＴｉＯ_Ｘ）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ_Ｘ）等の酸化物、窒化物、またこれらの多層膜の他、１２００℃以上の融点を有する金属等を用いることができる。これらの保護膜材料は、窒化物半導体の成長温度６００℃〜１１００℃の温度にも耐え、その表面に窒化物半導体が成長しないか、若しくは成長しにくい性質を有している。
（窒化物半導体基板１）
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よりなる窒化物半導体基板１を１２０μｍの膜厚で成長させる。成長後の窒化物半導体基板１の表面は、保護膜のストライプ中央部と、窓部のストライプ中央部にはストライプ状の保護膜と平行に結晶欠陥が表出していたが、後にレーザ素子のリッジ形成時に、リッジストライプがこの結晶欠陥に係らないようにすることにより、活性層に結晶欠陥が転位せず、素子の信頼性が向上する。窒化物半導体基板１はハライド気相成長法（ＨＶＰＥ）を用いて成長させることができるが、このようにＭＯＶＰＥ法により成長させることもできる。成長時のガスとしては、ＴＭＧの他、トリエチルガリウム（ＴＥＧ）等の有機ガリウム化合物を用い、窒素源はアンモニア、若しくはヒドラジンを用いることが最も望ましい。

窒化物半導体基板成長後、ウェーハを反応容器から取り出し、サファイア基板、下地層及び保護膜を研磨除去し、膜厚８０μｍの窒化物半導体基板１を得る。そして、この窒化物半導体基板を窒素雰囲気中、１０００℃でアニーリングしてさらに結晶欠陥を少なくする。このように、次の窒化物半導体層（例えばｎ側コンタクト層）を成長させる前にウェーハから異種基板を除去することにより、異種基板から派生する応力歪みを無くすることができるために、窒化物半導体基板の第１の主面上に成長させる素子構造となる窒化物半導体層を均一膜厚で成長させ、また結晶性の良い半導体層を積層できる。
（ｎ側コンタクト層２）
次に、アンモニアとＴＭＧ、不純物ガスとしてシランガスを用い、窒化物半導体基板１の上に、１０５０℃でＳｉを３×１０^１８／cm^３ドープしたＧａＮよりなるｎ側コンタクト層２を４μｍの膜厚で成長させる。このｎ側コンタクト層は、後に異種基板〜保護膜を除去して、ｎ電極を設ける際の電極形成層となる。
（クラック防止層３）
次に、ＴＭＧ、ＴＭＩ（トリメチルインジウム）、アンモニアを用い、温度を８００℃にしてＩｎ_０．０６Ｇａ_０．９４Ｎよりなるクラック防止層３を０．１５μｍの膜厚で成長させる。なお、このクラック防止層は省略可能である。
（ｎ側クラッド層４＝超格子層）
続いて、１０５０℃でＴＭＡ、ＴＭＧ、アンモニアを用い、アンドープＡｌ_０．１６Ｇａ_０．８４Ｎよりなる層を２５オングストロームの膜厚で成長させ、続いてＴＭＡを止めて、シランガスを流し、Ｓｉを１×１０^１９／cm^３ドープしたｎ型ＧａＮよりなる層を２５オングストロームの膜厚で成長させる。それらの層を交互積層して超格子層を構成し、総膜厚１．２μｍの超格子よりなるｎ側クラッド層４を成長させる。この超格子よりなるｎ側クラッド層はIII族元素に対するＡｌ平均組成が８．０％であるので、その膜厚との積は９．６となる。なおｎ側クラッド層に、バンドギャップエネルギーが異なる窒化物半導体を積層した超格子を作製した場合、不純物はいずれか一方の層に多くドープして、いわゆる変調ドープを行うと結晶性が良くなる傾向にあるが、両方に同じようにドープしても良い。
（ｎ側光ガイド層５）
続いて、シランガスを止め、１０５０℃でアンドープＧａＮよりなるｎ側光ガイド層５を０．１μｍの膜厚で成長させる。このｎ側光ガイド層は、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。またこのｎ側光ガイド層５にｎ型不純物をドープしても良い。
（活性層６）
次に、ＴＭＧ、ＴＭＩ、アンモニアを用い活性層６を成長させる。活性層は温度を８００℃に保持して、アンドープＩｎ_０．２Ｇａ_０．８Ｎよりなる井戸層を４０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、アンドープＩｎ_０．０１Ｇａ_０．９５Ｎ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。井戸層と障壁層とを順に積層し、最後に障壁層で終わり、総膜厚４４０オングストロームの多重量子井戸構造（ＭＱＷ）の活性層を成長させる。活性層は本実施例のようにアンドープでもよいし、またｎ型不純物及び／又はｐ型不純物をドープしても良い。不純物は井戸層、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。
（ｐ側キャップ層７）
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、ｐ側光ガイド層５よりもバンドギャップエネルギーが大きい、Ｍｇを１×１０^２０／cm^３ドープしたｐ型Ａｌ_０．３Ｇａ_０．７Ｎよりなるｐ側キャップ層７を３００オングストロームの膜厚で成長させる。このｐ型キャップ層は０．１μｍ以下の膜厚で形成することにより素子の出力が向上する傾向にある。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。
（ｐ側光ガイド層８）
続いてＣｐ2Ｍｇ、ＴＭＡを止め、１０５０℃で、バンドギャップエネルギーがｐ側キャップ層７よりも小さい、アンドープＧａＮよりなるｐ側光ガイド層８を０．１μｍの膜厚で成長させる。この層は、活性層の光ガイド層として作用し、ｎ型光ガイド層５と同じくＧａＮ、ＩｎＧａＮで成長させることが望ましい。
（ｐ側クラッド層９）
続いて、１０５０℃でアンドープＡｌ_０．１６Ｇａ_０．８４Ｎよりなる層を２５オングストロームの膜厚で成長させ、続いてＣｐ2Ｍｇ、ＴＭＡを止め、アンドープＧａＮよりなる層を２５オングストロームの膜厚で成長させ、総膜厚０．６μｍの超格子層よりなるｐ側クラッド層９を成長させる。このｐ側クラッド層もＡｌ平均組成が８．０％であるので、膜厚との積は４．８となる。なお、ｐ側クラッド層も少なくとも一方がＡｌを含む窒化物半導体層を含み、互いにバンドギャップエネルギーが異なる窒化物半導体層を積層した超格子で作製した場合、不純物はいずれか一方の層に多くドープして、いわゆる変調ドープを行うと結晶性が良くなる傾向にあるが、両方に同じようにドープしても良い。

ここで、クラッド層で挟まれたコア部分（導波部分）の膜厚について述べる。コア部分とは、ｎ側光ガイド層５、活性層６、ｐ側キャップ層７、及びｐ側光ガイド層８を合わせた領域、即ちｎ側クラッド層と、ｐ側クラッド層との間にある活性層を含む窒化物半導体層を指し、活性層の発光を導波する領域である。窒化物半導体レーザ素子の場合、ＦＦＰが単一ビームとならないのは、先にも述べたように、クラッド層から漏れた発光がｎ側のコンタクト層内で導波してマルチモードになるからである。その他、コア内で共振することによってマルチモードになる場合がある。本発明の好ましい態様では、ｎ側のクラッド層の膜厚を厚くして、Ａｌ平均組成を大きくすることにより、屈折率差を設け、コア内の光をクラッド層で閉じ込めるものである。しかし、コア内でマルチモードができると、ＦＦＰは乱れる。そのため、コア部分と、ｎ側クラッド層との関係において、コア内でマルチモードにならないようにするために、このコア部分の厚さも調整する方が望ましい。コア部分にマルチモードが発生しないようにするための好ましい厚さとしては、２００オングストローム以上、１．０μｍ以下、さらに望ましくは５００オングストローム〜０．８μｍ、最も望ましくは０．１μｍ〜０．５μｍの範囲に調整することが望ましい。２００オングストロームよりも薄いと、コア部分から光が漏れだし、閾値が上昇する傾向にある。また１．０μｍよりも厚いとマルチモードになりやすい傾向にある。
（ｐ側コンタクト層１０）
最後に、１０５０℃で、ｐ側クラッド層９の上に、Ｍｇを１×１０^２０／cm^３ドープしたｐ型ＧａＮよりなるｐ側コンタクト層１０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Ｉｎ_ＸＡｌ_ＹＧａ_{１−Ｘ−Ｙ}Ｎ（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２０と最も好ましいオーミック接触が得られる。

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内において、窒素雰囲気中７００℃でアニーリングを行い、ｐ型不純物をドープした層をさらに低抵抗化させる。

アニーリング後、ウェーハを反応容器から取り出し、ＲＩＥ（反応性イオンエッチング装置）により、ｐ側コンタクト層１０と、ｐ側クラッド層９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。リッジストライプを形成する場合、そのリッジストライプは、窒化物半導体基板の表面に結晶欠陥が現れていない位置に形成する。このような位置にすると、結晶欠陥が活性層まで伸びてこなくなる傾向にあるため、素子を長寿命として信頼性を向上させられる。

次に、リッジ表面にマスクを形成してエッチングを行い、ｎ側コンタクト層２の表面を露出させる。

次に、ｐ側コンタクト層１０のリッジ最表面のほぼ全面にＮｉとＡｕよりなるｐ電極２０を形成し、一方、ＴｉとＡｌよりなるｎ電極２２を先ほど露出させたｎ側コンタクト層２の表面にストライプ状に形成した後、図１に示すようにｐ電極２０と、ｎ電極２２との間に露出した窒化物半導体層の表面にＳｉＯ_２よりなる絶縁膜２３を形成し、この絶縁膜２３を介してｐ電極２０と電気的に接続したｐパッド電極２１を形成する。

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のサファイア基板を研磨して７０μｍとした後、ストライプ状の電極に垂直な方向で、基板側からバー状に劈開し、劈開面（１１−００面）に共振器を作製する。共振器面にＳｉＯ_２とＴｉＯ_２よりなる誘電体多層膜を形成し、最後にｐ電極に平行な方向で、バーを切断してレーザ素子とする。

そして、ストライプ状の電極に垂直な方向で、基板側からバー状に劈開し、劈開面に共振器を作製する。共振器面にＳｉＯ_２とＴｉＯ_２よりなる誘電体多層膜を形成し、最後にｐ電極に平行な方向で、バーを切断して図１に示すようなレーザ素子とする。

このレーザ素子の窒化物半導体基板１の裏面側をヒートシンクに設置し、それぞれの電極をワイヤーボンディングして、室温でレーザ発振を試みたところ、室温において連続発振を示し、レーザ光のＦＦＰは単一で、その形状も楕円形で形の良いものが得られていた。また、レーザ素子の特性に関しても、我々がJpn.J.Appl.Phys.Vol.36(1997）に発表したものに比較して、閾値が１０％以上低下し、寿命は５０％以上向上した。

実施例１において、窒化物半導体基板１を成長させる際に、Ｓｉを９×１０^１６／cm^３ドープしたＧａＮを成長させる他は同様にしてレーザ素子を作製したところ、窒化物半導体基板の結晶性が若干悪くなったために、実施例１のレーザ素子に比較して閾値が若干上昇し、寿命は１０％程短くなった。

実施例１において、窒化物半導体基板１を成長させる際にその膜厚を１０μｍとする他は同様にして素子構造となる窒化物半導体層を積層したウェーハを得て、アニールした後、サファイア基板を研磨せずに、サファイア基板をつけたまま実施例１と同様にして、それぞれｎ電極とｐ電極とを形成する。

最後に、サファイア基板を研磨して下地層、保護膜等を除去しようとすると、ウェーハが割れてしまい、レーザ素子としての歩留まりは実施例１に比較して非常に悪かったが、その中で得られたレーザ素子の特性は実施例１のものとほぼ同等の特性を示した。

実施例１において、ｎ側クラッド層４を成長させる際に、アンドープＡｌ_０．２０Ｇａ_０．８０Ｎ２５オングストロームと、ＳｉドープＧａＮ２５オングストロとを積層し、総膜厚１．０μｍの超格子を成長させる他は同様にしてレーザ素子を作製した。なおｎ側クラッド層はＡｌ平均組成が１０．０％であるので、その膜厚との積は１０．０である。このレーザ素子も実施例１とほぼ同等の特性を有していた。

実施例１において、ｎ側クラッド層４を成長させる際に、アンドープＡｌ_０．２０Ｇａ_０．８０Ｎ２５オングストロームと、Ｓｉドープｎ型ＧａＮ２５オングストロとを積層し、総膜厚０．７μｍの超格子を成長させる他は同様にしてレーザ素子を作製した。ｎ側クラッド層はＡｌ平均組成が１．０％であるので、その膜厚との積は７．０である。このレーザ素子も実施例１とほぼ同等の特性を有していた。

実施例１において、ｎ側クラッド層４を成長させる際に、アンドープＡｌ_０．１２Ｇａ_０．８８Ｎ２５オングストロームと、ＳｉドープＧａＮ２５オングストロとを積層し、総膜厚０．８μｍの超格子を成長させる他は同様にしてレーザ素子を作製した。ｎ側クラッド層はＡｌ平均組成が６．０％であるので、その膜厚との積は４．８である。このレーザ素子はJpn.J.Appl.Phys.Vol.36(1997）に発表したものに比較して、閾値が５％以上低下し、寿命は２０％以上向上した。

実施例１において、ｎ側クラッド層１８を成長させる際に、ｎ型Ａｌ_０．０７Ｇａ_０．９３Ｎ層をＳｉドープとして２５オングストロームと、ＧａＮ層をアンドープとして２５オングストロームとを、総膜厚１．４μｍで成長させる他は同様にして、レーザ素子を作製した。ｎ側クラッド層は、Ａｌ平均組成が３．５％であるので、その膜厚との積は４．９である。このレーザ素子は実施例６のものとほぼ同等の特性を示した。

本発明は例えばＬＥＤ（発光ダイオード）、ＬＤ（レーザダイオード）、ＳＬＤ（スーパールミネッセントダイオード）等に使用される窒化物半導体（Ｉｎ_aＡｌ_bＧａ_1-a-bＮ、０≦a、０≦b、a＋b≦１）発光素子に関する。

本発明の一実施例に係るレーザ素子の構造を示す斜視図。

符号の説明

１・・・窒化物半導体基板
２・・・ｎ側バッファ層
３・・・クラック防止層
４・・・ｎ側クラッド層
５・・・ｎ側光ガイド層
６・・・活性層
７・・・ｐ側キャップ層
８・・・ｐ側光ガイド層
９・・・ｐ側クラッド層
１０・・・ｐ側コンタクト層
２０・・・ｐ電極
２１・・・ｐパッド電極
２２・・・ｎ電極
２３・・・絶縁膜

Claims (5)

1. 第１の主面と第２の主面とを有し、アンドープ若しくはｎ型不純物濃度が１×１０¹⁷／cm³以下で、膜厚１０μｍ以上の窒化物半導体よりなる窒化物半導体基板の第１の主面上に、その窒化物半導体基板よりもｎ型不純物濃度が大きいｎ型窒化物半導体よりなるｎ側コンタクト層と、Ａｌを含む窒化物半導体層を含む超格子構造よりなるｎ側クラッド層を有し、さらにそのｎ側クラッド層の上に、活性層と、ｐ型窒化物半導体よりなるｐ側コンタクト層とを少なくとも有しており、前記ｎ側コンタクト層と、前記ｐ側コンタクト層とにはそれぞれ電極が設けられて、それらの電極が第１の主面側にあることを特徴とする窒化物半導体発光素子。
2. 前記ｎ側クラッド層全体の厚さが０．５μｍ以上で、かつそのｎ側クラッド層に含まれる３族元素に対するＡｌ平均組成を百分率で表した際に、ｎ側クラッド層全体の厚さ（μｍ）と、Ａｌ平均組成（％）との積が４．４以上となるように構成されてい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. 前記ｎ側クラッド層の全体の厚さが０．８μｍ以上であり、前記ｎ側クラッド層に含まれる３族元素に対するＡｌ平均組成が５．５％以上あることを特徴とする請求項２に記載の窒化物半導体発光素子。
4. 前記ｎ側クラッド層の全体の厚さが１．０μｍ以上であり、前記ｎ側クラッド層に含まれる３族元素に対するＡｌ平均組成が５．０％以上あることを特徴とする請求項２に記載の窒化物半導体発光素子。
5. 前記ｎ側クラッド層の全体の厚さが１．２μｍ以上であり、前記ｎ側クラッド層に含まれる３族元素に対するＡｌ平均組成が４．５％以上あることを特徴とする請求項２に記載の窒化物半導体発光素子。
   

Images