JP2005109524A - 半導体発光素子の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 n側クラッド層とp側クラッド層との間に活性層7がはさまれた構造および選択成長により形成されたリッジ構造を有し、p側クラッド層が活性層7側から順にアンドープまたはn型の第1の層9とp型不純物がドープされたp型の第2の層16とからなり、かつ、第2の層16がこの第2の層16よりバンドギャップが大きい第3の層15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において、活性層7から第3の層15までの成長を、実質的に水素を含まず、窒素を主成分とするキャリアガス雰囲気中で行う。
【選択図】 図1
Description
この窒化物系III−V族化合物半導体を用いた半導体レーザとして、選択成長により形成されたリッジ構造を有する半導体レーザが提案されている(非特許文献1および特許文献1)。この半導体レーザの要部を図9に示す。図9に示すように、この半導体レーザを製造するには、c面サファイア基板上に低温成長によるGaNバッファ層を介してp型GaNコンタクト層(いずれも図示せず)、n型AlGaNクラッド層101、n型GaN光導波層102、活性層103、p型GaN光導波層104およびp型AlGaNクラッド層105を順次成長させ、その上にSiO2 膜106を形成し、このSiO2 膜106の所定部分にストライプ状の開口106aを形成した後、このSiO2 膜106を成長マスクとしてその開口106aの部分におけるp型AlGaNクラッド層105上にp型AlGaNクラッド層107およびp型GaNコンタクト層108を順次選択成長させてリッジを形成する。
この発明の上記課題およびその他の課題は、添付図面を参照した本明細書の以下の記述により明らかとなるであろう。
n側クラッド層とp側クラッド層との間に活性層がはさまれた構造および選択成長により形成されたリッジ構造を有する、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側クラッド層が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の層とからなり、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第3の層を有し、
リッジと下地層との成長界面が第1の層または第1の層と第2の層との間に第1の層と接してアンドープまたはn型の他の層が設けられる場合には第1の層もしくはこの他の層に含まれる
ことを特徴とするものである。
ここで、リッジと下地層との成長界面が第1の層または第1の層と第2の層との間に第1の層と接してアンドープまたはn型の他の層が設けられる場合には第1の層もしくはこの他の層に含まれるとは、リッジと下地層との成長界面が第1の層または第1の層もしくはこの他の層の中に完全に含まれる場合のほか、リッジと下地層との成長界面が第1の層の第2の層側の面またはこの他の層の第2の層側の面と一致する場合も意味するものとする。これは、リッジの両側の部分の底面(下地層の表面)と活性層との間の距離をd、リッジに含まれる、活性層に最も近いp型層と活性層との間の距離をLp とすると、Lp ≧dであると言い換えることもできる。
n側クラッド層とp側クラッド層との間に活性層がはさまれた構造および選択成長により形成されたリッジ構造を有する、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側クラッド層が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の層とからなり、
リッジと下地層との成長界面が第1の層または第1の層と第2の層との間に第1の層と接してアンドープまたはn型の他の層が設けられる場合には第1の層もしくはこの他の層に含まれる
ことを特徴とするものである。
この発明の第2の発明においては、その性質に反しない限り、第1の発明に関連して説明したことが成立する。
n側クラッド層とp側クラッド層との間に活性層がはさまれた構造および選択成長により形成されたリッジ構造を有する半導体発光素子において、
p側クラッド層が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の層とからなり、
リッジと下地層との成長界面が第1の層または第1の層と第2の層との間に第1の層と接してアンドープまたはn型の他の層が設けられる場合には第1の層もしくはこの他の層に含まれる
ことを特徴とするものである。
この発明の第3の発明においては、その性質に反しない限り、第1の発明に関連して説明したことが成立する。
n側クラッド層とp側クラッド層との間に活性層がはさまれた構造および選択成長により形成されたリッジ構造を有し、p側クラッド層が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の層とからなり、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第3の層を有する、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、
第1の層を成長させた後、第1の層上に所定の開口部を有する成長マスクを形成する工程と、
成長マスクの開口部における第1の層上にアンドープまたはn型の層、第2の層および第3の層を成長させる工程とを有する
ことを特徴とするものである。
n側クラッド層とp側クラッド層との間に活性層がはさまれた構造および選択成長により形成されたリッジ構造を有し、p側クラッド層が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の層とからなり、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第3の層を有する、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、
第1の層を成長させた後、第1の層上に所定の開口部を有する成長マスクを形成する工程と、
成長マスクの開口部における第1の層上に第2の層および第3の層を成長させる工程とを有する
ことを特徴とするものである。
n側クラッド層とp側クラッド層との間に活性層がはさまれた構造および選択成長により形成されたリッジ構造を有し、p側クラッド層が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の層とからなる、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、
第1の層を成長させた後、第1の層上に所定の開口部を有する成長マスクを形成する工程と、
成長マスクの開口部における第1の層上にアンドープまたはn型の層および第2の層を成長させる工程とを有する
ことを特徴とするものである。
n側クラッド層とp側クラッド層との間に活性層がはさまれた構造および選択成長により形成されたリッジ構造を有し、p側クラッド層が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の層とからなる、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、
第1の層を成長させた後、第1の層上に所定の開口部を有する成長マスクを形成する工程と、
成長マスクの開口部における第1の層上に第2の層を成長させる工程とを有する
ことを特徴とするものである。
n側クラッド層とp側クラッド層との間に活性層がはさまれた構造および選択成長により形成されたリッジ構造を有し、p側クラッド層が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の層とからなる半導体発光素子の製造方法であって、
第1の層を成長させた後、第1の層上に所定の開口部を有する成長マスクを形成する工程と、
成長マスクの開口部における第1の層上にアンドープまたはn型の層および第2の層を成長させる工程とを有する
ことを特徴とするものである。
n側クラッド層とp側クラッド層との間に活性層がはさまれた構造および選択成長により形成されたリッジ構造を有し、p側クラッド層が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の層とからなる半導体発光素子の製造方法であって、
第1の層を成長させた後、第1の層上に所定の開口部を有する成長マスクを形成する工程と、
成長マスクの開口部における第1の層上に第2の層を成長させる工程とを有する
ことを特徴とするものである。
この発明の第4〜第9の発明においては、その性質に反しない限り、第1〜第3の発明に関連して説明したことが成立する。
n側クラッド層とp側クラッド層との間に活性層がはさまれた構造および選択成長により形成されたリッジ構造を有し、p側クラッド層が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の層とからなり、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第3の層を有する、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、
活性層から第3の層までの成長を、実質的に水素を含まず、窒素を主成分とするキャリアガス雰囲気中で行うようにした
ことを特徴とするものである。
n側クラッド層とp側クラッド層との間に活性層がはさまれた構造および選択成長により形成されたリッジ構造を有し、p側クラッド層が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の層とからなる、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、
活性層からp側クラッド層の第1の層までの成長を、実質的に水素を含まず、窒素を主成分とするキャリアガス雰囲気中で行うようにした
ことを特徴とするものである。
n側クラッド層とp側クラッド層との間に活性層がはさまれた構造および選択成長により形成されたリッジ構造を有する、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、
活性層とこの活性層に最も近い、p型不純物がドープされたp型の層との間の距離が50nm以上である
ことを特徴とするものである。
n側クラッド層とp側クラッド層との間に活性層がはさまれた構造および選択成長により形成されたリッジ構造を有し、活性層とこの活性層に最も近い、p型不純物がドープされたp型の層との間の距離が50nm以上であり、活性層に最も近いp型の層がp側クラッド層よりバンドギャップが大きいp型の層である、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、
活性層からp側クラッド層よりバンドギャップが大きいp型の層までの成長を、実質的に水素を含まず、窒素を主成分とするキャリアガス雰囲気中で行うようにした
ことを特徴とするものである。
また、この発明の第13の発明によれば、活性層からp側クラッド層よりバンドギャップが大きいp型の層までの成長を、実質的に水素を含まず、窒素を主成分とするキャリアガス雰囲気中で行うようにしているので、Inを含む層、例えば活性層からInが脱離するのを抑えることができ、活性層の劣化を防止することができる。この後のp型の層は、窒素と水素とを主成分とするキャリアガス雰囲気中で成長させることにより、良好な結晶性で成長させることができる。
また、リッジの部分のp型層は全てリッジの内部に収まっていることにより、半導体発光素子の動作時に注入される電流がリッジの外部に漏れ出るのを効果的に抑えることができ、これによって従来に比べて著しく高い特性温度を得ることができ、極めて良好な温度特性を得ることができる。
また、Inを含む層を含む特定の層の成長を、実質的に水素を含まず、窒素を主成分とするキャリアガス雰囲気中で行うようにしているので、そのInを含む層、例えば活性層からInが脱離するのを効果的に抑えることができ、活性層の劣化を防止することができ、半導体発光素子の信頼性および寿命の向上を図ることができる。
また、活性層とこの活性層に最も近い、p型不純物がドープされたp型の層との間の距離が50nm以上であるので、このp型の層にドープされたp型不純物の活性層への拡散を大幅に減少させることができ、活性層の劣化を防止することができ、半導体発光素子の信頼性および寿命の向上を図ることができる。
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、選択成長により形成されたリッジ構造およびSCH構造を有するものである。図2はこのGaN系半導体レーザのリッジ部近傍の拡大図である。また、図3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。
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およびp側クラッド層としてのアンドープAlGaNクラッド層9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およびアンドープAlGaNクラッド層9はいずれもn- 型である。これらの層には横方向結晶成長の種結晶から上層に伝播した転位10と互いに隣接する種結晶からの横方向成長の会合部11が形成されている。
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。
次に、このレジストパターンをマスクとして絶縁膜20をエッチングすることにより、開口22を形成する。
次に、このレジストパターンをマスクとして絶縁膜20をエッチングすることにより開口21を形成し、この開口21の部分にp側電極19を露出させる。
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。
−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−
t(nm) 動作電圧(V) エージング劣化率
(%)
−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−
0 5.13 5.30
20 5.08 3.40
50 4.99 2.00
100 4.85 1.50
150 4.70 1.40
200 4.56 1.00
250 4.42 0.80
300 4.27 0.90
350 4.13 0.80
400 3.99 0.70
−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−
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。
図6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アンドープAlGaNクラッド層9の代わりに、アンドープAlGaN/GaN超格子クラッド層24が設けられている。ここで、このアンドープAlGaN/GaN超格子クラッド層24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組成比は例えば0.025〜0.10、全体の厚さは例えば100〜500nm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。
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、アンドープInGaN光導波層8およびp型AlGaN/GaN超格子クラッド層16の厚さが第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、アンドープInGaN光導波層8の厚さは例えば30nm、p型AlGaN/GaN超格子クラッド層16の厚さは例えば400nm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、アンドープInGaN光導波層8の厚さは例えば24.5nm、p型AlGaN/GaN超格子クラッド層16の厚さは例えば500nm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。
図7に示すように、この第4の実施形態によるGaN系半導体レーザにおいては、p型AlGaN/GaN超格子クラッド層16中にp型AlGaN電子ブロック層15が設けられている。すなわち、第1の実施形態によるGaN系半導体レーザにおいては、p型AlGaN電子ブロック層15はアンドープInGaN層14とp型AlGaN/GaN超格子クラッド層16との界面に設けられているのに対し、この第4の実施形態によるGaN系半導体レーザにおいては、p型AlGaN電子ブロック層15はp型AlGaN/GaN超格子クラッド層16中にアンドープInGaN層14から離れて設けられている。ここで、アンドープAlGaNクラッド層9とp型AlGaN電子ブロック層15との間に存在するp型AlGaN/GaN超格子クラッド層16の厚さは例えば10〜50nm程度である。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。
この第4の実施形態によれば、第1の実施形態と同様な利点を得ることができる。
上記以外のことは第1の実施形態と同様であるので、説明を省略する。
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n型GaN基板25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およびアンドープAlGaNクラッド層9を順次成長させる。
次に、n型GaN基板25の裏面にn側電極23を形成する。
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。
このGaN系半導体レーザの製造方法の上記以外のことは第1の実施形態と同様である。
Claims (6)
- n側クラッド層とp側クラッド層との間に活性層がはさまれた構造および選択成長により形成されたリッジ構造を有し、上記p側クラッド層が上記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の層とからなり、かつ、上記第2の層がこの第2の層よりバンドギャップが大きい第3の層を有する、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、
上記活性層から上記第3の層までの成長を、実質的に水素を含まず、窒素を主成分とするキャリアガス雰囲気中で行うようにした
ことを特徴とする半導体発光素子の製造方法。 - 上記実質的に水素を含まず、窒素を主成分とするキャリアガス雰囲気はN2 ガス雰囲気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の製造方法。
- n側クラッド層とp側クラッド層との間に活性層がはさまれた構造および選択成長により形成されたリッジ構造を有し、上記p側クラッド層が上記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の層とからなる、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、
上記活性層から上記p側クラッド層の上記第1の層までの成長を、実質的に水素を含まず、窒素を主成分とするキャリアガス雰囲気中で行うようにした
ことを特徴とする半導体発光素子の製造方法。 - 上記実質的に水素を含まず、窒素を主成分とするキャリアガス雰囲気はN2 ガス雰囲気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の製造方法。
- n側クラッド層とp側クラッド層との間に活性層がはさまれた構造および選択成長により形成されたリッジ構造を有し、上記活性層とこの活性層に最も近い、p型不純物がドープされたp型の層との間の距離が50nm以上であり、上記活性層に最も近いp型の層が上記p側クラッド層よりバンドギャップが大きいp型の層である、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、
上記活性層から上記p側クラッド層よりバンドギャップが大きいp型の層までの成長を、実質的に水素を含まず、窒素を主成分とするキャリアガス雰囲気中で行うようにした
ことを特徴とする半導体発光素子の製造方法。 - 上記実質的に水素を含まず、窒素を主成分とするキャリアガス雰囲気はN2 ガス雰囲気であることを特徴とする請求項5記載の半導体発光素子の製造方法。
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