JP2005294306A

JP2005294306A - Nitride semiconductor element

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Publication number: JP2005294306A
Application number: JP2004102920A
Authority: JP
Inventors: Akinori Yoneda; 章法米田; Atsuo Michigami; 敦生道上
Original assignee: Nichia Chemical Industries Ltd
Current assignee: Nichia Chemical Industries Ltd
Priority date: 2004-03-31
Filing date: 2004-03-31
Publication date: 2005-10-20
Anticipated expiration: 2024-03-31
Also published as: JP4955195B2

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a nitride semiconductor element which optimizes an aspect ratio by confining a light stably and improves a far field image and an optical waveguide, and can realize suppression of a threshold value by preventing a light from being leaked, and further high reliability and high lifetime with high performance of preventing a kink. <P>SOLUTION: The nitride semiconductor element includes a core region including an active layer 7 between an n-type nitride semiconductor layer and a p-type nitride semiconductor layer. The nitride semiconductor element further includes a first nitride semiconductor layer 5b and a second nitride semiconductor layer 5a sequentially from the outermost layer of the core region in at least one of the n-type and p-type nitride semiconductor layers, and has a refractive index difference between the outermost layer of the core region and the first nitride semiconductor layer 5b and between the first nitride semiconductor layer 5b and the second nitride semiconductor layer 5a. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、窒化物半導体素子に関し、より詳細には、高出力で安定した連続発振が可能な窒化物半導体素子に関する。 The present invention relates to a nitride semiconductor device, and more particularly to a nitride semiconductor device capable of high-power and stable continuous oscillation.

窒化物半導体基板の上に形成された活性層を含む窒化物半導体素子が、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が発表された（例えば、非特許文献１及び２）。
この窒化物半導体素子は、いわゆる、リッジ導波路構造の屈折率導波型のレーザ素子であり、基本的に、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せたｎ型ＧａＮから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構成されている。 It has been announced that a nitride semiconductor device including an active layer formed on a nitride semiconductor substrate has achieved continuous oscillation of 10,000 hours or more at room temperature for the first time in the world (for example, Non-Patent Documents 1 and 2). .
This nitride semiconductor device is a so-called refractive index waveguide type laser device having a ridge waveguide structure, and is basically selectively grown on a sapphire substrate through a partially formed SiO ₂ film. A plurality of nitride semiconductor layers having a laser element structure are stacked on a nitride semiconductor substrate made of n-type GaN.

ICNS'97 予稿集、October 27-31,1997,P444-446ICNS'97 Proceedings, October 27-31,1997, P444-446 Jpn.J.Appl.Phys.Vol.36(1997）pp.L1568-1571,Part2,No.12A,1 December 1997Jpn.J.Appl.Phys.Vol.36 (1997) pp.L1568-1571, Part 2, No. 12A, 1 December 1997

しかし、このようなリッジ導波路構造のレーザ素子は、エッチングの深さ、ストライプの高さなどにより、実効屈折率が変化するため、素子特性が大きく影響される。
また、通常、レーザ素子を光ディスクシステムやレーザプリンタへ応用する場合、レーザ光を各光学系により補正・調整する。従って、レーザ素子から照射される光のアスペクト比が大きくなれば、その補正光学系が大規模になり、その設計、製造、またその光学系を経ることによる損失が大きな問題となる。 However, since the effective refractive index of a laser element having such a ridge waveguide structure changes depending on the etching depth, stripe height, etc., the element characteristics are greatly affected.
Usually, when a laser element is applied to an optical disk system or a laser printer, the laser beam is corrected and adjusted by each optical system. Therefore, if the aspect ratio of the light emitted from the laser element increases, the correction optical system becomes large, and the loss due to the design, manufacture, and the optical system becomes a serious problem.

このようなことから、上述したレーザ素子を読み取り用又は書き込み用光源等のレーザ光源として応用するためには、レーザ素子のさらなる特性向上、特に光学的な特性の向上が必要となる。つまり、レーザ光のビーム形状（すなわち、Ｆ．Ｆ．Ｐ．（ファー・フィールド・パターン）で）のアスペクト比の最適化、光の漏れ防止など、半導体レーザの光導波路の改善が要求される。 For this reason, in order to apply the above-described laser element as a laser light source such as a reading or writing light source, it is necessary to further improve the characteristics of the laser element, particularly to improve the optical characteristics. That is, improvement of the optical waveguide of the semiconductor laser is required, such as optimization of the aspect ratio of the beam shape of the laser light (that is, FFP (far field pattern)) and prevention of light leakage.

本発明は上記課題に鑑みなされたものであり、安定的に光を閉じ込めることにより、アスペクト比の最適化、遠視野像及び光導波路の改善等を図るとともに、光の漏れを防止して、閾値を抑え、さらにキンクを防止した高性能で高信頼性、かつ高寿命を実現することができる窒化物半導体素子を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above problems, and by stably confining light, the aspect ratio is optimized, the far-field image and the optical waveguide are improved, and light leakage is prevented to reduce the threshold value. An object of the present invention is to provide a nitride semiconductor device capable of realizing high performance, high reliability, and a long life, in which the kink is suppressed.

本発明の窒化物半導体素子は、ｎ型窒化物半導体層とｐ型窒化物半導体層との間に、活性層を含むコア領域を有する窒化物半導体素子であって、前記ｎ型及びｐ型窒化物半導体層の内の少なくとも一方に、前記コア領域の最外層から順に第１の窒化物半導体層と第２の窒化物半導体層とを有しており、前記コア領域の最外層と前記第１の窒化物半導体層との間及び前記第１の窒化物半導体層と前記第２の窒化物半導体層との間に屈折率差を有することを特徴とする。
また、この窒化物半導体素子は、第１の窒化物半導体層は前記コア領域の最外層よりも屈折率が低く、あるいは第２の窒化物半導体層は第１の窒化物半導体層よりも屈折率が低いことが好ましい。 The nitride semiconductor device of the present invention is a nitride semiconductor device having a core region including an active layer between an n-type nitride semiconductor layer and a p-type nitride semiconductor layer, the n-type and p-type nitride semiconductors. At least one of the semiconductor semiconductor layers has a first nitride semiconductor layer and a second nitride semiconductor layer in order from the outermost layer of the core region, and the outermost layer of the core region and the first nitride semiconductor layer And a difference in refractive index between the first nitride semiconductor layer and the second nitride semiconductor layer.
In the nitride semiconductor device, the first nitride semiconductor layer has a lower refractive index than the outermost layer of the core region, or the second nitride semiconductor layer has a refractive index lower than that of the first nitride semiconductor layer. Is preferably low.

さらに、コア領域の最外層と第１の窒化物半導体層との屈折率差（Δｎ_１）は、０．００４〜０．０３、あるいは、第１の窒化物半導体層と第２の窒化物半導体層との屈折率差（Δｎ_２）は、０．００４〜０．０３であることが好ましい。
また、第ｍ（ｍ≧２）のｎ型窒化物半導体層と第１のｐ型窒化物半導体層との屈折率差（Δｎ）は、０．００４〜０．０３、あるいは、第ｍ（ｍ≧２）のｎ型窒化物半導体層と前記コア領域の最外層との屈折率差（Δｎ_ｍ）は、０．００７〜０．０５とすることができる。 Further, the refractive index difference (Δn ₁ ) between the outermost layer of the core region and the first nitride semiconductor layer is 0.004 to 0.03, or the first nitride semiconductor layer and the second nitride semiconductor. The refractive index difference (Δn ₂ ) with the layer is preferably 0.004 to 0.03.
The refractive index difference (Δn) between the m-th (m ≧ 2) n-type nitride semiconductor layer and the first p-type nitride semiconductor layer is 0.004 to 0.03, or mth (m The refractive index difference (Δn _m ) between the n-type nitride semiconductor layer of ≧ 2) and the outermost layer of the core region can be 0.007 to 0.05.

さらに、ｎ型窒化物半導体層は、コア領域の最外層に接した第１のｎ型窒化物半導体層から順に第ｍ（ｍ≧２）のｎ型窒化物半導体層を有しており、ｐ型窒化物半導体層は、前記コア領域の最外層に接した第１のｐ型窒化物半導体層を有しており、第ｍ（ｍ≧２）のｎ型窒化物半導体層の屈折率は、第１のｐ型窒化物半導体層の屈折率より高い構成とすることができる。
また、第１の窒化物半導体層及び／又は前記第２の窒化物半導体層は、Ａｌを含む窒化物半導体からなることが好ましく、特に、第１の窒化物半導体層及び／又は前記第２の窒化物半導体層は、Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０＜ｘ＜１）を含むか、あるいは、Ａｌを含む窒化物半導体層と、該Ａｌを含む窒化物半導体層とは組成の異なる窒化物半導体層との超格子構造からなる、さらには、Ａｌ_ａＧａ_１−ａＮ（０＜ａ≦１）とＡｌ_ｂＧａ_１−ｂＮ（０≦ｂ＜１）との超格子構造からなることが好ましい。 Furthermore, the n-type nitride semiconductor layer has m-th (m ≧ 2) n-type nitride semiconductor layers in order from the first n-type nitride semiconductor layer in contact with the outermost layer of the core region, and p The n-type nitride semiconductor layer has a first p-type nitride semiconductor layer in contact with the outermost layer of the core region, and the refractive index of the m-th (m ≧ 2) n-type nitride semiconductor layer is It can be set as the structure higher than the refractive index of a 1st p-type nitride semiconductor layer.
The first nitride semiconductor layer and / or the second nitride semiconductor layer is preferably made of a nitride semiconductor containing Al, and in particular, the first nitride semiconductor layer and / or the second nitride semiconductor layer. The nitride semiconductor layer contains Al _x Ga _1-x N (0 <x <1), or the nitride semiconductor layer containing Al and the nitride semiconductor layer containing Al have different compositions It has a superlattice structure with a semiconductor layer, and further has a superlattice structure of Al _a Ga _1-a N (0 <a ≦ 1) and Al _b Ga _1-b N (0 ≦ b <1). Is preferred.

本発明によれば、ｎ型及びｐ型窒化物半導体層の内の少なくとも一方が、屈折率の異なる所定の層を含む。従来はＦ．Ｆ．Ｐ．は狭くなるが、Ｎ．Ｆ．Ｐ．は広がるため、閾値の上昇を招いていた。しかし、本発明では、ｎ層又はｐ層を多層化、特にｎ層を多層化することにより、Ｆ．Ｆ．Ｐ．が狭くなり、活性層での利得を減少させないで、Ｎ．Ｆ．Ｐを広げることができる、これによって、閾値電流を維持することができる。さらに、光の出射角度を上向き、下向き等に調整することができ、光出力効率を向上させて集光率の良好な半導体レーザ素子を得ることができる。 According to the present invention, at least one of the n-type and p-type nitride semiconductor layers includes a predetermined layer having a different refractive index. Conventionally, F.R. F. P. Is narrow, but N.I. F. P. Has spread, leading to an increase in threshold. However, according to the present invention, the n-layer or p-layer is multilayered, in particular, the n-layer is multilayered. F. P. N. is reduced and N.I. F. P can be widened, thereby maintaining the threshold current. Furthermore, the light emission angle can be adjusted upward, downward, etc., so that the light output efficiency can be improved and a semiconductor laser element with a good light collection rate can be obtained.

また、第１の窒化物半導体層がコア領域の最外層よりも低い屈折率を有する場合、さらに、第２の窒化物半導体層が第１の窒化物半導体層よりも低い屈折率を有する場合には、安定した光の閉じ込めにより、活性層から照射されるビームを安定化させることができ、レーザ光源として応用が広がる。
さらに、コア領域の最外層と第１の窒化物半導体層との屈折率差（Δｎ_１）及び／又は第１の窒化物半導体層と第２の窒化物半導体層との屈折率差（Δｎ_２）が、０．００４〜０．０３である場合には、活性層で発生する光の滞在領域をより一層適切に調整することができ、安定した光の閉じ込めを行うことが可能となり、ひいてはＦ．Ｆ．Ｐの広がり角の制御が可能となる。 Further, when the first nitride semiconductor layer has a lower refractive index than the outermost layer of the core region, and when the second nitride semiconductor layer has a lower refractive index than the first nitride semiconductor layer Can stabilize the beam irradiated from the active layer by stable light confinement, and its application as a laser light source spreads.
Further, the refractive index difference between the outermost layer and the first nitride semiconductor layer of the core region ([Delta] n ₁₎ and / or the first nitride semiconductor layer and the refractive index difference between the second nitride semiconductor layer ([Delta] n ₂ ) Is 0.004 to 0.03, the stay region of the light generated in the active layer can be adjusted more appropriately, and stable light confinement can be performed. . F. The spread angle of P can be controlled.

さらに、第ｍ（ｍ≧２）のｎ型窒化物半導体層と第１のｐ型窒化物半導体層との屈折率差（Δｎ）が０．００４〜０．０３であるか、第ｍ（ｍ≧２）のｎ型窒化物半導体層と前記コア領域の最外層との屈折率差（Δｎ_ｍ）が０．００８〜０．０５である場合には、活性層で発生する光の滞在領域をより一層適切に調整することができ、安定した光の閉じ込めを行うことが可能となり、ひいてはＦ．Ｆ．Ｐの広がり角の制御が可能となる。
また、ｎ型窒化物半導体層側にｍ層のｎ型窒化物半導体層を有し、かつｐ型窒化物半導体層に第１のｐ型半導体層を含み、第ｍのｎ型窒化物半導体層が、第１のｐ型窒化物半導体層の屈折率よりも高い屈折率を有する場合には、ｐ側での光の閉じ込め効果を強くすることにより、より安定した光の閉じ込めを行うことができる。しかも、ｎ側での閉じ込めをｐ側よりも弱くすることにより、ｎ側でのキンクの発生を防止することが可能となる。これによって、活性層で発生する光の滞在領域を適切に調整して、安定した光の閉じ込めを行うことにより、垂直横モードマルチ、つまり縦方向マルチを防止するとともに、光強度分布の垂直方向への広がり角を低減させ、アスペクト比を最適化又は低減することができる。その結果、光の漏れによる閾値電圧の増大を防止し、さらに、光出力効率を向上させて集光率が良好で、高信頼性を有する半導体素子を得ることができる。 Furthermore, the refractive index difference (Δn) between the m-th (m ≧ 2) n-type nitride semiconductor layer and the first p-type nitride semiconductor layer is 0.004 to 0.03, or the m-th (m When the difference in refractive index (Δn _m ) between the n-type nitride semiconductor layer of ≧ 2) and the outermost layer of the core region is 0.008 to 0.05, the stay region of light generated in the active layer is It is possible to adjust more appropriately, and it becomes possible to perform stable light confinement. F. The spread angle of P can be controlled.
The m-type n-type nitride semiconductor layer includes m-type n-type nitride semiconductor layers on the n-type nitride semiconductor layer side, and the p-type nitride semiconductor layer includes the first p-type semiconductor layer. However, when the refractive index is higher than the refractive index of the first p-type nitride semiconductor layer, the light confinement effect on the p side can be strengthened, so that more stable light confinement can be performed. . In addition, by making the confinement on the n side weaker than that on the p side, it is possible to prevent the occurrence of kinks on the n side. This appropriately adjusts the staying area of the light generated in the active layer and performs stable light confinement, thereby preventing vertical transverse mode multi-direction, that is, vertical multi-direction, and in the vertical direction of the light intensity distribution. And the aspect ratio can be optimized or reduced. As a result, an increase in threshold voltage due to light leakage can be prevented, and further, a light output efficiency can be improved, a light collection rate is good, and a highly reliable semiconductor element can be obtained.

さらに、第１の窒化物半導体層及び／又は前記第２の窒化物半導体層は、Ａｌを含む窒化物半導体からなるか、Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０＜ｘ＜１）を含む場合には、所望の波長を有する半導体レーザ素子を得る場合に有効となり、特に、Ａｌを含む窒化物半導体層と、該Ａｌを含む窒化物半導体層とは組成の異なる窒化物半導体層との超格子構造からなるか、Ａｌ_ａＧａ_１−ａＮ（０＜ａ≦１）とＡｌ_ｂＧａ_１−ｂＮ（０≦ｂ＜１）との超格子構造からなる場合には、その組成及び膜厚にかかわらず、層内部のクラックの発生を防止することができ、より適切な光の閉じ込めを実現することができる。 Furthermore, the first nitride semiconductor layer and / or the second nitride semiconductor layer is made of a nitride semiconductor containing Al or contains Al _x Ga _1-x N (0 <x <1). Is effective in obtaining a semiconductor laser device having a desired wavelength, and in particular, a superlattice structure of a nitride semiconductor layer containing Al and a nitride semiconductor layer having a composition different from that of the nitride semiconductor layer containing Al. Or a superlattice structure of Al _a Ga _1-a N (0 <a ≦ 1) and Al _b Ga _1-b N (0 ≦ b <1). Regardless, the occurrence of cracks inside the layer can be prevented, and more appropriate light confinement can be realized.

本発明の窒化物半導体素子は、主として、ｎ型窒化物半導体層とｐ型窒化物半導体層との間に、活性層を含むコア領域を有する積層構造により構成されている。
ｎ型及びｐ型窒化物半導体層を構成する半導体層は、特に限定されるものではなく、例えば、ＡｌＮ、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＡｌＩｎＧａＮ、ＩｎＮ等のIII−Ｖ族窒化物半導体層が挙げられる。なかでも、Ａｌを含む窒化物半導体層が適当である、具体的にはＩｎ_ｙＡｌ_ｚＧａ_{１−ｙ−ｚ}Ｎ（０≦ｙ、０≦ｚ、ｙ＋ｚ≦１）、特に、Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０＜ｘ＜１）等の窒化ガリウム系化合物半導体層が好ましい。これらの半導体層は、単層でもよいし、積層構造でもよいし、超格子構造でもよい。例えば、Ａｌを含む窒化物半導体層と、Ａｌを含む窒化物半導体層とは組成の異なる窒化物半導体層との超格子構造、具体的には、Ａｌ_ａＧａ_１−ａＮ（０＜ａ≦１）とＡｌ_ｂＧａ_１−ｂＮ（０≦ｂ＜１）との超格子構造が挙げられる。超格子構造を構成する場合には、例えば２種類の組成の層が交互に積層される構造でもよいが、一方の層又は両方の層においてその組成又は膜厚を変化させながら交互に積層される構造でもよい。 The nitride semiconductor device of the present invention is mainly composed of a laminated structure having a core region including an active layer between an n-type nitride semiconductor layer and a p-type nitride semiconductor layer.
The semiconductor layers constituting the n-type and p-type nitride semiconductor layers are not particularly limited, and examples thereof include III-V group nitride semiconductor layers such as AlN, GaN, AlGaN, AlInGaN, and InN. Among them, a nitride semiconductor layer containing Al is suitable, specifically, In _y Al _z Ga _1-yz N (0 ≦ y, 0 ≦ z, y + z ≦ 1), particularly Al _x Ga _{1. A} gallium nitride compound semiconductor layer such as -xN (0 <x <1) is preferable. These semiconductor layers may be a single layer, a stacked structure, or a superlattice structure. For example, a superlattice structure of a nitride semiconductor layer containing Al and a nitride semiconductor layer having a composition different from that of the nitride semiconductor layer containing Al, specifically, Al _a Ga _1-a N (0 <a ≦ 1) and a superlattice structure of Al _b Ga _1-b N (0 ≦ b <1). When forming a superlattice structure, for example, a structure in which layers of two kinds of compositions are alternately stacked may be used, but the layers are alternately stacked while changing the composition or film thickness in one or both layers. It may be a structure.

ｎ型及びｐ型窒化物半導体層は、ＭＯＶＰＥ、ＭＯＣＶＤ（有機金属化学気相成長法）、ＨＶＰＥ（ハライド気相成長法）、ＭＢＥ（分子線気相成長法）等、当該分野で公知の方法のいずれによっても形成することができる。窒化物半導体層は、ｐ型不純物（例えば、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｃｄ、Ｂｅ、Ｃａ、Ｂａ等）又はｎ型不純物（例えば、Ｓｉ、Ｓｎ、Ｇｅ、Ｓｅ、Ｃ、Ｔｉ等）がドーピングされることにより、ｎ型又はｐ型の導電性を有する。ドーピング濃度は、例えば、１×１０^１６〜５×１０^２０ｃｍ^−３程度が挙げられる。 The n-type and p-type nitride semiconductor layers are formed by methods known in the art such as MOVPE, MOCVD (metal organic chemical vapor deposition), HVPE (halide vapor deposition), MBE (molecular beam vapor deposition). It can form by either. The nitride semiconductor layer is doped with p-type impurities (eg, Mg, Zn, Cd, Be, Ca, Ba, etc.) or n-type impurities (eg, Si, Sn, Ge, Se, C, Ti, etc.). Therefore, it has n-type or p-type conductivity. An example of the doping concentration is about 1 × 10 ^{16 to} 5 × 10 ²⁰ cm ⁻³ .

本発明の窒化物半導体素子においては、ｎ型及びｐ型窒化物半導体層の少なくとも一方に、好ましくはｎ型窒化物半導体層に、コア領域の最外層に隣接して、第１の窒化物半導体層及び第２の窒化物半導体層がこの順に配置している。ここで、コア領域とは、光導波路領域、つまり、活性層で発生した光を閉じ込め、光波を減衰させずに導波させることができる領域を意味する。通常、活性層とこれを挟む光ガイド層がコア領域を構成する。 In the nitride semiconductor device of the present invention, the first nitride semiconductor is adjacent to at least one of the n-type and p-type nitride semiconductor layers, preferably the n-type nitride semiconductor layer and the outermost layer of the core region. The layers and the second nitride semiconductor layer are arranged in this order. Here, the core region means an optical waveguide region, that is, a region where light generated in the active layer can be confined and the light wave can be guided without being attenuated. Usually, an active layer and a light guide layer sandwiching the active layer constitute a core region.

ｎ型窒化物半導体層において、コア領域の最外層に隣接して形成される第１のｎ型窒化物半導体層、さらに第１のｎ型窒化物半導体層に隣接して形成される第２のｎ型窒化物半導体層は、それぞれ、光の出射角度を調整するための層、光ガイド層及びクラッド層として機能するものであるが、両層の積層により、これらの機能を調整することができる。これらの層は、それぞれ、コア領域の最外層、第１のｎ型窒化物半導体層と屈折率差を有していることが必要である。コア領域の最外層と第１の窒化物半導体層との屈折率差（Δｎ_１）及び第１の窒化物半導体層と第２の窒化物半導体層との屈折率差（Δｎ_２）は、それぞれ、０．００４〜０．０３程度の範囲内であることが好ましい。また、これらの層は、コア領域の最外層から順に屈折率が低くなるように設定されていることが好ましい。このような屈折率差を有する層が順次配置されることにより、光の閉じ込めを緩和して、Ｆ．Ｆ．Ｐ．での光の広がりを抑制することができる。なお、屈折率差が０．０４〜０．０３の範囲内でない場合には、光の閉じ込めが十分ではなく閾値電流の上昇を招く。 In the n-type nitride semiconductor layer, a first n-type nitride semiconductor layer formed adjacent to the outermost layer of the core region, and a second n-type nitride semiconductor layer formed adjacent to the first n-type nitride semiconductor layer Each of the n-type nitride semiconductor layers functions as a layer for adjusting a light emission angle, a light guide layer, and a cladding layer, and these functions can be adjusted by stacking both layers. . Each of these layers needs to have a refractive index difference from the outermost layer of the core region and the first n-type nitride semiconductor layer. Refractive index difference between the outermost layer and the first nitride semiconductor layer of the core region ([Delta] n ₁₎ and the refractive index difference between the first nitride semiconductor layer and the second nitride semiconductor layer ([Delta] n _2), respectively , Preferably in the range of about 0.004 to 0.03. Moreover, it is preferable that these layers are set so that a refractive index may become low in order from the outermost layer of a core area | region. By sequentially arranging the layers having such a refractive index difference, light confinement is relaxed. F. P. The spread of light at the can be suppressed. If the refractive index difference is not within the range of 0.04 to 0.03, the light is not sufficiently confined and the threshold current increases.

なお、ｎ型窒化物半導体層においては、コア領域の最外層に隣接して形成される窒化物半導体層は２層に限らず、３層以上、例えば、ｍ層（ｍ≧２）形成してもよい。その上限は特に限定されないが、光の閉じ込め効果を考慮すると１０層以下、８層以下、さらに６層以下が適当である。この場合においても、コア領域の最外層から順に屈折率が低くなるように設定されることが好ましい。特に、コア領域の最外層と第ｍのｎ型窒化物半導体層との屈折率差（Δｎ_ｍ）は０．００７〜０．０５の範囲内であることが好ましい。このような範囲に設定することにより、光の閉じ込めを緩和しながら、光の漏れを防止することができる。 In the n-type nitride semiconductor layer, the nitride semiconductor layer formed adjacent to the outermost layer of the core region is not limited to two layers, and three or more layers, for example, m layers (m ≧ 2) are formed. Also good. The upper limit is not particularly limited, but considering the light confinement effect, 10 layers or less, 8 layers or less, and 6 layers or less are suitable. Also in this case, it is preferable that the refractive index be set so as to decrease in order from the outermost layer of the core region. In particular, the refractive index difference (Δn _m ) between the outermost layer of the core region and the m-th n-type nitride semiconductor layer is preferably in the range of 0.007 to 0.05. By setting in such a range, light leakage can be prevented while relaxing the light confinement.

ｎ型窒化物半導体層の屈折率は、通常、その組成によって調整することができ、例えば、Ａｌの混晶比を大きくすることにより、屈折率を小さくすることができる。例えば、Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０＜ｘ＜１）からなる層の場合には、Ａｌの組成比を大きくすることにより、屈折率を小さくすることができる。従って、例えば、第１のｎ型窒化物半導体層と第２のｎ型窒化物半導体層との間で０．００４〜０．０３の屈折率差を得るために、両者においてＡｌの組成比に０．０１〜０．０７程度差異を設けることが適当である。
また、Ａｌ_ａＧａ_１−ａＮ（０＜ａ≦１）とＡｌ_ｂＧａ_１−ｂＮ（０≦ｂ＜１）との超格子構造からなる場合には、Ａｌ_ｂＧａ_１−ｂＮ（０≦ｂ＜１）の膜厚のみを変化させる、つまり、第１のｎ型窒化物半導体層では厚く、第２のｎ型窒化物半導体層では薄くすることにより、ｎ型窒化物半導体層の屈折率を調整することができる。 The refractive index of the n-type nitride semiconductor layer can usually be adjusted by the composition. For example, the refractive index can be reduced by increasing the mixed crystal ratio of Al. For example, in the case of a layer made of Al _x Ga _1-x N (0 <x <1), the refractive index can be reduced by increasing the Al composition ratio. Therefore, for example, in order to obtain a refractive index difference of 0.004 to 0.03 between the first n-type nitride semiconductor layer and the second n-type nitride semiconductor layer, the composition ratio of Al is set in both. It is appropriate to provide a difference of about 0.01 to 0.07.
In the case of a superlattice structure of Al _a Ga _1-a N (0 <a ≦ 1) and Al _b Ga _1-b N (0 ≦ b <1), Al _b Ga _1-b N ( Only the film thickness of 0 ≦ b <1) is changed, that is, the first n-type nitride semiconductor layer is thicker and the second n-type nitride semiconductor layer is thinner, thereby reducing the thickness of the n-type nitride semiconductor layer. The refractive index can be adjusted.

ｎ型窒化物半導体層において、第１のｎ型窒化物半導体層は、例えば、膜厚１０００〜１００００Å程度、第２のｎ型窒化物半導体層は１０００〜１００００Å程度が適当である。また、ｎ型窒化物半導体層が第１層〜第ｍ層まで形成されている場合は、各層は、例えば、１０００〜１００００Å程度の膜厚で、その合計が２０００〜４００００Å程度であることが適当である。
特に、ｎ型窒化物半導体層が、Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０＜ｘ＜１）を含んで形成されている場合には、少なくとも、コア領域の最外層から５００〜５０００Å程度の位置に０．００４〜０．０３程度の屈折率差を有する層、１５００〜２００００Å程度の位置に０．００４〜０．０３程度の屈折率差を有する層が配置することが好ましく、さらに、２５００〜２５０００Å程度の位置に０．００４〜０．０３程度の屈折率を有する層が配置していることがより好ましい。
ｎ型窒化物半導体層は、上述した第１及び第２のｎ型窒化物半導体層、・・・第ｍのｎ型窒化物半導体層のほかに、クラック防止層、ｎ型コンタクト層等が形成されていることが好ましい。これらの層は、第２のｎ型窒化物半導体層又は第ｍのｎ型窒化物半導体層と、後述する基板との間に設けることが適当である。 In the n-type nitride semiconductor layer, the thickness of the first n-type nitride semiconductor layer is, for example, about 1000 to 10,000 mm, and the thickness of the second n-type nitride semiconductor layer is about 1000 to 10,000 mm. Further, when the n-type nitride semiconductor layer is formed from the first layer to the m-th layer, it is appropriate that each layer has a film thickness of, for example, about 1000 to 10000 mm and the total is about 2000 to 40000 mm. It is.
In particular, when the n-type nitride semiconductor layer is formed to include Al _x Ga _1-x N (0 <x <1), at least at a position of about 500 to 5000 mm from the outermost layer of the core region. It is preferable that a layer having a refractive index difference of about 0.004 to 0.03 and a layer having a refractive index difference of about 0.004 to 0.03 are arranged at a position of about 1500 to 20000 mm, and further 2500 to 25000 mm. More preferably, a layer having a refractive index of about 0.004 to 0.03 is arranged at a position of about.
In addition to the first and second n-type nitride semiconductor layers described above, the n-type nitride semiconductor layer is formed with a crack prevention layer, an n-type contact layer, etc. It is preferable that These layers are suitably provided between the second n-type nitride semiconductor layer or the m-th n-type nitride semiconductor layer and a substrate described later.

また、ｐ型窒化物半導体層においては、ｎ型窒化物半導体層に、上述した第１及び第２のｎ型窒化物半導体層が形成されているのであれば、必ずしも、第１及び第２のｐ型窒化物半導体層が形成されていなくてもよいが、少なくとも第１のｐ型窒化物半導体層が形成されていることが好ましい。この第１のｐ型窒化物半導体層は、主としてクラッド層として機能するが、光の出射角度を調整する機能をも有する。 In the p-type nitride semiconductor layer, if the first and second n-type nitride semiconductor layers described above are formed in the n-type nitride semiconductor layer, the first and second n-type nitride semiconductor layers are not necessarily provided. Although the p-type nitride semiconductor layer may not be formed, it is preferable that at least the first p-type nitride semiconductor layer is formed. The first p-type nitride semiconductor layer mainly functions as a cladding layer, but also has a function of adjusting the light emission angle.

第１のｐ型窒化物半導体層が形成されている場合には、この第１のｐ型窒化物半導体層とコア領域の最外層との屈折率差は特に限定されないが、例えば、０．０１〜０．２程度が適当である。なお、第１のｐ型窒化物半導体層は、コア領域の最外層よりも屈折率が小さいことが好ましい。これにより、光の閉じ込めを確実に行うことができる。また、第ｍのｎ型窒化物半導体層と第１のｐ型窒化物半導体層との屈折率差は、例えば、０．００４〜０．０３程度の範囲内であることが好ましい。第１のｐ型窒化物半導体層は、第ｍのｎ型窒化物半導体層よりも屈折率が小さいことが好ましい。さらに、第１のｐ型窒化物半導体層の膜厚は、例えば、１０００〜１００００Å程度が適当である。第１のｐ型窒化物半導体層は、Ａｌを含む窒化物半導体層、特にＡｌ_ＸＧａ_１−ＸＮ（０＜ｘ＜１）を含む超格子構造とすることが好ましく、さらにＧａＮとＡｌＧａＮとを積層した超格子構造とすることが好ましい。また、ｐ側の屈折率をｎ側よりも小さくするために、Ａｌの混晶比を高く設定したとしても、その膜厚を薄膜化することにより内部のクラックの発生を防止することができ、デバイスの安定性を保つ、つまり、リーク電流を低減させることができる。 In the case where the first p-type nitride semiconductor layer is formed, the refractive index difference between the first p-type nitride semiconductor layer and the outermost layer of the core region is not particularly limited. About 0.2 is suitable. The first p-type nitride semiconductor layer preferably has a refractive index smaller than that of the outermost layer in the core region. Thereby, it is possible to reliably confine light. The refractive index difference between the m-th n-type nitride semiconductor layer and the first p-type nitride semiconductor layer is preferably in the range of about 0.004 to 0.03, for example. The first p-type nitride semiconductor layer preferably has a smaller refractive index than the m-th n-type nitride semiconductor layer. Furthermore, the film thickness of the first p-type nitride semiconductor layer is, for example, about 1000 to 10,000 mm. The first p-type nitride semiconductor layer preferably has a nitride semiconductor layer containing Al, particularly a superlattice structure containing Al _X Ga _1-X N (0 <x <1). Further, GaN and AlGaN It is preferable to have a superlattice structure in which is laminated. Moreover, even if the mixed crystal ratio of Al is set high in order to make the refractive index on the p side smaller than that on the n side, the occurrence of internal cracks can be prevented by reducing the film thickness, The stability of the device can be maintained, that is, the leakage current can be reduced.

ｐ型窒化物半導体層は、上述した第１のｐ型窒化物半導体層のほかに、キャップ層、電子閉じ込め層、ｐ型コンタクト層等が形成されていてもよい。これらの層は、コア領域と第１のｐ型窒化物半導体層との間又は第１のｐ型窒化物半導体層に隣接してコア領域とは反対側に設けることが適当である。 In addition to the first p-type nitride semiconductor layer described above, the p-type nitride semiconductor layer may be formed with a cap layer, an electron confinement layer, a p-type contact layer, and the like. These layers are suitably provided between the core region and the first p-type nitride semiconductor layer or adjacent to the first p-type nitride semiconductor layer on the side opposite to the core region.

コア領域は、上述したように、通常、活性層と光ガイド層とから構成される。コア領域の膜厚は、活性層及び光ガイド層を併せて、例えば、１００Å〜１．５μｍ程度であることが適当である。 As described above, the core region is usually composed of an active layer and a light guide layer. The film thickness of the core region is suitably about 100 to 1.5 μm, for example, including the active layer and the light guide layer.

活性層は、Ｉｎを含有する窒化物半導体層により形成されるものが適当であり、特に、Ｉｎ_ｓＧａ_1-ｓＮ（０＜ｓ≦１）で表される窒化物半導体からなるものが好ましい。窒化物半導体層は、ノンドープ、ｎ型不純物ドープ、ｐ型不純物ドープのいずれでもよいが、ノンドープ又はｎ型不純物ドープであることが好ましい。これにより、窒化物半導体素子において高出力化を図ることができる。
活性層は、単層、多層又は量子井戸構造のいずれで形成されていてもよい。量子井戸構造の場合には、Ｉｎを含む窒化物半導体が少なくとも井戸層に用いられる。ここで、量子井戸構造としては、多重量子井戸構造、単一量子井戸構造のどちらでもよい。多重量子井戸構造とすることで、出力の向上、発振閾値の低下などが図ることが可能となる。活性層の量子井戸構造としては、井戸層、障壁層を交互に積層したものを用いることができる。また、井戸層に挟まれた障壁層は、特に１層であるもの（井戸層／障壁層／井戸層）に限られず、２層又はそれ以上の層の障壁層を、「井戸層／障壁層（１）／障壁層（２）／障壁層（３）／・・・／井戸層」と、組成、不純物量等の異なる層として複数設けてもよい。また、活性層は、井戸層及び障壁層のいずれが最外層に配置されてもよい。 The active layer is suitably formed of a nitride semiconductor layer containing In, and is particularly preferably made of a nitride semiconductor represented by In _s Ga _1-s N (0 <s ≦ 1). . The nitride semiconductor layer may be non-doped, n-type impurity doped, or p-type impurity doped, but is preferably non-doped or n-type impurity doped. Thereby, high output can be achieved in the nitride semiconductor device.
The active layer may be formed of any of a single layer, a multilayer, or a quantum well structure. In the case of the quantum well structure, a nitride semiconductor containing In is used for at least the well layer. Here, the quantum well structure may be either a multiple quantum well structure or a single quantum well structure. By using a multiple quantum well structure, it is possible to improve the output and lower the oscillation threshold. As the quantum well structure of the active layer, a structure in which well layers and barrier layers are alternately stacked can be used. Further, the barrier layer sandwiched between the well layers is not limited to one layer (well layer / barrier layer / well layer), and two or more barrier layers may be referred to as “well layer / barrier layer”. A plurality of layers having different compositions, impurity amounts, etc. may be provided as (1) / barrier layer (2) / barrier layer (3) /. In addition, as for the active layer, either the well layer or the barrier layer may be disposed in the outermost layer.

活性層の膜厚は、例えば、１００〜３０００Å程度が適当である。特に、量子井戸構造とする場合には、井戸層の膜厚及び井戸層の数は特に限定されないが、例えば、膜厚としては、１０〜３００Å程度の範囲とすることで、Ｖ_ｆ、閾値電流密度を低減させることができる。数としては、１以上であることが適当である。井戸層の数が４以上である場合には、活性層を構成する各層の膜厚が厚くなると、活性層全体の膜厚が厚くなって、Ｖ_ｆの上昇を招くこととなるため、井戸層の膜厚を１００Å以下の範囲として、活性層の膜厚を低く抑えることが好ましい。特に井戸層数を２とすることにより、閾値電流密度の低下、寿命特性の向上が認められる。障壁層の膜厚及び組成等は特に限定されないが、井戸層との間にバンドギャップエネルギー差が設けられ、井戸層よりもバンドギャップエネルギーが大きくなるように、井戸層よりＩｎ混晶比の低いＩｎを含む窒化物半導体又はＧａＮ、Ａｌを含む窒化物半導体などを用いることが好ましい。障壁層の膜厚としては、例えば、５００Å以下、好ましくは、１０〜３００Å程度の範囲が挙げられる。 An appropriate thickness of the active layer is, for example, about 100 to 3000 mm. In particular, in the case of a quantum well structure, the film thickness of the well layer and the number of well layers are not particularly limited. For example, the film thickness is in the range of about 10 to 300 mm, so that V _f , threshold current Density can be reduced. The number is suitably 1 or more. When the number of well layers is 4 or more, if the thickness of each layer constituting the active layer is increased, the thickness of the entire active layer is increased, leading to an increase in _Vf. It is preferable to keep the thickness of the active layer low by setting the thickness of the active layer within a range of 100 mm or less. In particular, when the number of well layers is 2, a decrease in threshold current density and an improvement in life characteristics are recognized. The thickness and composition of the barrier layer are not particularly limited, but the In mixed crystal ratio is lower than the well layer so that a band gap energy difference is provided between the well layer and the band gap energy is larger than that of the well layer. It is preferable to use a nitride semiconductor containing In or a nitride semiconductor containing GaN or Al. The thickness of the barrier layer is, for example, 500 mm or less, preferably in the range of about 10 to 300 mm.

光ガイド層は、窒化物半導体からなり、導波路形成に十分なエネルギーバンドギャップを有していれば、その組成、膜厚等は特に限定されるものではなく、単層、多層、超格子層のいずれの構造を有していてもよい。例えば、上述したｎ型及びｐ型窒化物半導体層を構成する半導体を用いることができる。具体的には、波長３７０〜４７０ｎｍでは、ＧａＮを用い、それよりも長波長ではＩｎＧａＮ／ＧａＮの多層又は超格子層を用いることが適当である。光ガイド層を構成する窒化物半導体の組成、膜厚、構造等は、ｎ側及びｐ側において同じでもよいし、異なっていてもよい。 The optical guide layer is made of a nitride semiconductor and has an energy band gap sufficient for waveguide formation. The composition, film thickness, etc. are not particularly limited, and the single layer, multilayer, superlattice layer Any of these structures may be used. For example, a semiconductor that constitutes the above-described n-type and p-type nitride semiconductor layers can be used. Specifically, it is appropriate to use GaN at a wavelength of 370 to 470 nm, and use an InGaN / GaN multilayer or superlattice layer at a longer wavelength. The composition, film thickness, structure, and the like of the nitride semiconductor constituting the light guide layer may be the same or different on the n side and the p side.

なお、本発明において、コア領域、ｎ型窒化物半導体層及びｐ型窒化物半導体層の具体的な積層構造は、
第１のｐ型窒化物半導体層として、ＡｌＧａＮ単層、ＡｌＧａＮ／ＧａＮの多層又は超格子層、
ｐ型光ガイド層として、ＡｌＧａＮ単層、ＧａＮ単層、ＡｌＧａＮ／ＧａＮの多層又は超格子層、
活性層として、ＩｎＧａＮ単層、ＩｎＧａＮ／ＩｎＧａＮの多層又は超格子層、ＩｎＧａＮ／ＧａＮの多層又は超格子層、
ｎ型光ガイド層として、ＧａＮ単層、ＩｎＧａＮ単層、ＡｌＧａＮ単層、ＧａＮ／ＡｌＧａＮの多層又は超格子層、ＩｎＧａＮ／ＡｌＧａＮの多層又は超格子層、ＡｌＧａＮ／ＡｌＧａＮの多層又は超格子層、
第１のｎ型窒化物半導体層として、ＡｌＧａＮの単層、ＧａＮ／ＡｌＧａＮの多層又は超格子層、ＩｎＧａＮ／ＡｌＧａＮの多層又は超格子層、ＡｌＧａＮ／ＡｌＧａＮの多層又は超格子層、
第２のｎ型窒化物半導体層として、ＡｌＧａＮの単層、ＧａＮ／ＡｌＧａＮの多層又は超格子層、ＩｎＧａＮ／ＡｌＧａＮの多層又は超格子層、ＡｌＧａＮ／ＡｌＧａＮの多層又は超格子層
等が挙げられ、これらの層を任意に組み合わせることができる。特に、超格子層の場合には、一方の層又は両方の層において、その組成を変化させたり、膜厚を変化させたり、組成及び膜厚を変化させることにより、各層の屈折率及び屈折率差を上述したように設定することができる。 In the present invention, the specific laminated structure of the core region, the n-type nitride semiconductor layer and the p-type nitride semiconductor layer is as follows:
As the first p-type nitride semiconductor layer, AlGaN single layer, AlGaN / GaN multilayer or superlattice layer,
As a p-type light guide layer, AlGaN single layer, GaN single layer, AlGaN / GaN multilayer or superlattice layer,
As an active layer, InGaN single layer, InGaN / InGaN multilayer or superlattice layer, InGaN / GaN multilayer or superlattice layer,
As an n-type light guide layer, GaN single layer, InGaN single layer, AlGaN single layer, GaN / AlGaN multilayer or superlattice layer, InGaN / AlGaN multilayer or superlattice layer, AlGaN / AlGaN multilayer or superlattice layer,
As the first n-type nitride semiconductor layer, AlGaN single layer, GaN / AlGaN multilayer or superlattice layer, InGaN / AlGaN multilayer or superlattice layer, AlGaN / AlGaN multilayer or superlattice layer,
Examples of the second n-type nitride semiconductor layer include an AlGaN single layer, a GaN / AlGaN multilayer or superlattice layer, an InGaN / AlGaN multilayer or superlattice layer, an AlGaN / AlGaN multilayer or superlattice layer, and the like. These layers can be arbitrarily combined. In particular, in the case of a superlattice layer, the refractive index and refractive index of each layer can be changed by changing the composition, changing the film thickness, or changing the composition and film thickness in one or both layers. The difference can be set as described above.

また、この窒化物半導体の積層構造は、通常、基板上に積層される。基板としては、窒化物半導体と異なる異種基板を用いてもよいし、窒化物半導体基板を用いてもよい。異種基板としては、例えば、Ｃ面、Ｒ面及びＡ面のいずれかを主面とするサファイア、スピネル（ＭｇＡ１_２Ｏ_４）のような絶縁性基板、ＳｉＣ（６Ｈ、４Ｈ、３Ｃを含む）、ＺｎＳ、ＺｎＯ、ＧａＡｓ、Ｓｉ及び窒化物半導体と格子整合する酸化物基板等、窒化物半導体を成長させることが可能で、従来から知られており、窒化物半導体と異なる基板材料を用いることができる。なかでも、サファイア、スピネルが挙げられる。また、これらの異種基板は、オフアングルしていてもよく、特に、ステップ状にオフアングルしたものを用いることにより、窒化ガリウムからなる下地層の成長が結晶性よく成長させることができるため好ましい。さらに、異種基板を用いる場合には、異種基板上に素子構造形成前の下地層となる窒化物半導体を成長させた後、異種基板を研磨などの方法により除去して、窒化物半導体の単体基板として素子構造を形成してもよく、また、素子構造形成後に、異種基板を除去してもよい。なお、窒化物半導体基板としては、上述した窒化物半導体からなる基板が挙げられる。 Further, this nitride semiconductor multilayer structure is usually laminated on a substrate. As the substrate, a heterogeneous substrate different from the nitride semiconductor may be used, or a nitride semiconductor substrate may be used. Examples of the heterogeneous substrate include, for example, an insulating substrate such as sapphire, spinel (MgA1 ₂ O ₄ ) having any one of the C-plane, R-plane, and A-plane, SiC (including 6H, 4H, and 3C), It is possible to grow a nitride semiconductor such as ZnS, ZnO, GaAs, Si, and an oxide substrate lattice-matched with a nitride semiconductor, which is conventionally known, and a substrate material different from the nitride semiconductor can be used. . Among them, sapphire and spinel are mentioned. In addition, these different substrates may be off-angled, and it is particularly preferable to use a stepped off-angle substrate because the growth of the underlying layer made of gallium nitride can be grown with good crystallinity. Further, when a heterogeneous substrate is used, a nitride semiconductor as a base layer before forming the element structure is grown on the heterogeneous substrate, and then the heterogeneous substrate is removed by a method such as polishing to obtain a single substrate of the nitride semiconductor The element structure may be formed as follows, or the heterogeneous substrate may be removed after the element structure is formed. The nitride semiconductor substrate includes a substrate made of the nitride semiconductor described above.

異種基板を用いる場合には、バッファ層（低温成長層）、窒化物半導体（好ましくはＧａＮ）からなる下地層、ＥＬＯＧ(Epitaxially Laterally Overgrowth)成長させた窒化物半導体層、異種基板上に成長させた窒化物半導体層に開口部を設け、その開口部側面から横方向へ成長させた窒化物半導体層等を介して、上述した窒化物半導体の積層構造を形成することが好ましい。これにより、その上に形成される窒化物半導体の結晶性が良好となる。 When using a heterogeneous substrate, a buffer layer (low temperature growth layer), a base layer made of a nitride semiconductor (preferably GaN), a nitride semiconductor layer grown by ELOG (Epitaxially Laterally Overgrowth), and grown on a heterogeneous substrate It is preferable to form the above-described nitride semiconductor multilayer structure by providing an opening in the nitride semiconductor layer and through a nitride semiconductor layer grown laterally from the side surface of the opening. Thereby, the crystallinity of the nitride semiconductor formed on it becomes favorable.

ＥＬＯＧ成長させた窒化物半導体層としては、例えば、異種基板上に、窒化物半導体層を成長させ、その表面に窒化物半導体の成長が困難な保護膜によるマスク領域と、窒化物半導体を成長させる非マスク領域とを、ストライプ状、島状、格子状等で設け、その非マスク領域から窒化物半導体を成長させることで、膜厚方向への成長に加えて、横方向へも成長し、マスク領域上に窒化物半導体が成長した層等が挙げられる。 As the nitride semiconductor layer grown by ELOG, for example, a nitride semiconductor layer is grown on a different substrate, and a mask region of a protective film on which the nitride semiconductor is difficult to grow and a nitride semiconductor are grown. By providing a non-mask region in stripes, islands, lattices, etc., and growing a nitride semiconductor from the non-mask region, the mask grows in the lateral direction in addition to the growth in the film thickness direction. Examples include a layer in which a nitride semiconductor is grown on the region.

以下に、本発明の窒化物半導体素子の実施例を図面に基づいて詳細に説明する。
実施例１
この実施例の窒化物半導体素子を図１に示す。この窒化物半導体素子１は、ｎ型窒化物半導体層における第２のｎ型窒化物半導体層５ａとして、Ａｌ_０．０８Ｇａ_０．９２Ｎ（２５Å）／ＧａＮ（２５Å）を２２０回繰り返した総膜厚１．１μｍの超格子構造（平均Ａｌ混晶は４％）、第１のｎ型窒化物半導体層５ｂとして、Ａｌ_０．０５Ｇａ_０．９５Ｎ（２５Å）／ＧａＮ（２５Å）を６０回繰り返した総膜厚３０００Åの超格子構造（平均Ａｌ混晶は２．５％）であり、コア領域におけるｎ型光ガイド層６として、
ＧａＮ層（１７００Å）、活性層７として、Ｉｎ_０．０５Ｇａ_０．９５Ｎからなる障壁層（１４０Å）／Ｉｎ_０．１Ｇａ_０．９Ｎからなる井戸層（７０Å）を２回繰り返し、その上にＩｎ_０．０５Ｇａ_０．９５Ｎからなる障壁層（３００Å）を形成した総膜厚約７２０Åの多重量子井戸構造（ＭＱＷ）、ｐ型ガイド層８として、ＧａＮ（１５００Å）、ｐ型窒化物半導体層における第１のｐ型窒化物半導体層９として、Ａｌ_０．１Ｇａ_０．９Ｎ（２０Å）／ＧａＮ（２０Å）を３００回繰り返した総膜厚４５００Åの超格子構造（平均Ａｌ混晶は４．９％）の構成を有する。 Hereinafter, embodiments of the nitride semiconductor device of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
Example 1
The nitride semiconductor device of this example is shown in FIG. This nitride semiconductor device 1 has a total of repeating Al _0.08 Ga _0.92 N (25Å) / GaN (25Å) 220 times as the second n-type nitride semiconductor layer 5a in the n-type nitride semiconductor layer. As a first n-type nitride semiconductor layer 5b having a superlattice structure with a film thickness of 1.1 μm (average Al mixed crystal is 4%), Al _0.05 Ga _0.95 N (25Å) / GaN (25Å) is 60. The super-lattice structure (average Al mixed crystal is 2.5%) having a total film thickness of 3000 mm repeated twice, and as the n-type light guide layer 6 in the core region,
As the GaN layer (1700Å) and active layer 7, a barrier layer (140Å) made of In _0.05 Ga _0.95 N / well layer (70Å) made of In _0.1 Ga _0.9 N was repeated twice, A multi-quantum well structure (MQW) with a total film thickness of about 720 mm, on which a barrier layer (300 mm) made of In _0.05 Ga _0.95 N is formed, GaN (1500 mm), p-type nitride as the p-type guide layer 8 As the first p-type nitride semiconductor layer 9 in the semiconductor layer, a superlattice structure (average Al mixed layer) having a total film thickness of 4500 た obtained by repeating Al _0.1 Ga _0.9 N (20 Å) / GaN (20 Å) 300 times. The crystal has a composition of 4.9%).

この窒化物半導体素子１は、以下のように形成することができる。
（基板２）
基板として、異種基板にＧａＮ層を厚膜（１００μｍ）で成長させた後、異種基板を除去して、８０μｍのＧａＮからなる窒化物半導体基板を用いる。
このような窒化物半導体基板は、以下のように形成した。
まず、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２００Åの膜厚で成長させ、その後、温度を上げて、アンドープのＧａＮを１．５μｍの膜厚で成長させて、下地層とする。 The nitride semiconductor device 1 can be formed as follows.
(Substrate 2)
As a substrate, a GaN layer is grown as a thick film (100 μm) on a heterogeneous substrate, then the heterogeneous substrate is removed, and a nitride semiconductor substrate made of 80 μm GaN is used.
Such a nitride semiconductor substrate was formed as follows.
First, a heterogeneous substrate made of sapphire having a 2 inch φ, C-plane as a main surface is set in a MOVPE reaction vessel, and the temperature is set to 500 ° C., and trimethylgallium (TMG) and ammonia (NH ₃ ) are used. The buffer layer to be grown is grown to a thickness of 200 mm, and then the temperature is raised, and undoped GaN is grown to a thickness of 1.5 μm to form a base layer.

次に、下地層表面にＳｉＯ_２からなるストライプ状のマスクを複数形成する。このマスクは、マスク幅５μｍ、開口部（窓部）幅１５μｍとする。このマスク開口部からエッチングすることにより異種基板を露出させ、その後、マスクを除去することで下地層に凹凸を形成する。
さらに、凹凸が形成された下地層を成長核としてＧａＮ層を選択成長させる。この選択成長は、横方向の成長により成膜された領域を有する。この横方向成長領域は低転位領域となる。
その後、異種基板、バッファ層、下地層を除去して、窒化物半導体からなる基板２を得る。 Next, a plurality of striped masks made of SiO ₂ are formed on the surface of the underlayer. This mask has a mask width of 5 μm and an opening (window) width of 15 μm. The heterogeneous substrate is exposed by etching from the mask opening, and then the mask is removed to form irregularities in the base layer.
Further, a GaN layer is selectively grown using the underlying layer with the irregularities as a growth nucleus. This selective growth has a region formed by lateral growth. This lateral growth region becomes a low dislocation region.
Thereafter, the heterogeneous substrate, the buffer layer, and the base layer are removed to obtain a substrate 2 made of a nitride semiconductor.

（下地層）
次に、窒化物半導体基板２の上に、温度を１１００℃にして、ＴＭＧ（トリメチルガリウム）、ＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）、アンモニアを用い、Ａｌ_０．０５Ｇａ_０．９５Ｎよりなる下地層（図示せず）及び下地層を４μｍの膜厚で成長させる。この層は、ＧａＮからなる窒化物半導体基板２と、後述するＡｌＧａＮのｎ型コンタクト層３との間で、バッファ層として機能する。横方向成長層又はこれを用いて形成した基板がＧａＮである場合に、それよりも熱膨張係数の小さい窒化物半導体のＡｌ_ａＧａ_１−ａＮ（０＜ａ≦１）からなる下地層を用いることで、転位やピットを低減させることができる。なかでも、窒化物半導体の横方向成長層であるＧａＮの上に設けることが好ましい。また、下地層のＡｌ混晶比ａが、０＜ａ＜０．３であると、結晶性が良好な下地層を形成することができる。 (Underlayer)
Next, on the nitride semiconductor substrate 2, the temperature is set to 1100 ° C., TMG (trimethylgallium), TMA (trimethylaluminum), and ammonia are used to form an underlying layer made of Al _0.05 Ga _0.95 N (see FIG. (Not shown) and the underlayer are grown to a thickness of 4 μm. This layer functions as a buffer layer between the nitride semiconductor substrate 2 made of GaN and the AlGaN n-type contact layer 3 described later. When the laterally grown layer or the substrate formed using this is GaN, an underlying layer made of Al _a Ga _1-a N (0 <a ≦ 1) of a nitride semiconductor having a smaller thermal expansion coefficient than that is formed. By using it, dislocations and pits can be reduced. Especially, it is preferable to provide on GaN which is a lateral growth layer of a nitride semiconductor. Further, when the Al mixed crystal ratio a of the underlayer is 0 <a <0.3, an underlayer with good crystallinity can be formed.

なお、この層は省略することができる。また、この層を後述するｎ側コンタクト層３として形成してもよい。さらに、この層を形成した後、これと同じ組成のｎ側コンタクト層３を形成して、下地層とともにｎ型コンタクト層３にもバッファ効果をもたせてもよい。 This layer can be omitted. Further, this layer may be formed as an n-side contact layer 3 described later. Further, after this layer is formed, the n-side contact layer 3 having the same composition as this may be formed, and the buffer effect may be provided to the n-type contact layer 3 together with the base layer.

（ｎ型コンタクト層３）
得られたバッファ層上にＴＭＧ、ＴＭＡ、アンモニア、不純物ガスとしてシランガスを用い、１１００℃でＳｉドープしたＡｌ_０．０５Ｇａ_０．９５Ｎからなるｎ型コンタクト層３を４μｍの膜厚で成長させる。
なお、基板２の裏面にｎ電極を形成する対向電極構造とする場合には、このｎ型コンタクト層は省略することができる。 (N-type contact layer 3)
An n-type contact layer 3 made of Al _0.05 Ga _0.95 N doped with Si at 1100 ° C. is grown to a thickness of 4 μm on the obtained buffer layer using TMG, TMA, ammonia, and silane gas as an impurity gas. .
In addition, when it is set as the counter electrode structure which forms n electrode in the back surface of the board | substrate 2, this n-type contact layer can be abbreviate | omitted.

（クラック防止層４）
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９３０〜９４０℃にしてＩｎ_０．０６Ｇａ_０．９４Ｎよりなるクラック防止層１０４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してもよい。 (Crack prevention layer 4)
Next, a crack prevention layer 104 made of In _0.06 Ga _0.94 N is grown to a thickness of 0.15 μm using TMG, TMI (trimethylindium), and ammonia at a temperature of 930 to 940 ° C. This crack prevention layer may be omitted.

（第２のｎ型窒化物半導体層５ａ）
次に、温度を１１００℃にして、原料ガスにＴＭＡ、ＴＭＧ及びアンモニアを用い、アンドープのＡｌ_０．０８Ｇａ_０．９２ＮよりなるＡ層を２５Åの膜厚で成長させ、続いて、ＴＭＡを止め、不純物ガスとしてシランガスを用い、Ｓｉを１〜２×１０^１８／ｃｍ^３ープしたＧａＮよりなるＢ層を２５Åの膜厚で成長させる。そして、この操作をそれぞれ２２０回繰り返してＡ層とＢ層の積層し、総膜厚１．１μｍの多層膜（超格子構造）の第２のｎ型窒化物半導体層５ａを成長させる。この第２のｎ型窒化物半導体層１０５ａの平均Ａｌ混晶は４％である。 (Second n-type nitride semiconductor layer 5a)
Next, the temperature is set to 1100 ° C., TMA, TMG and ammonia are used as source gases, and an A layer made of undoped Al _0.08 Ga _0.92 N is grown to a thickness of 25 mm, and then TMA is grown. Then, a silane gas is used as an impurity gas, and a B layer made of GaN with 1 to 2 × 10 ¹⁸ / cm ³ -doped Si is grown to a thickness of 25 mm. This operation is repeated 220 times, and the A layer and the B layer are stacked to grow a second n-type nitride semiconductor layer 5a having a total film thickness of 1.1 μm (superlattice structure). The average Al mixed crystal of the second n-type nitride semiconductor layer 105a is 4%.

（第１のｎ型窒化物半導体層５ｂ）
続いて、温度を１１００℃にして、原料ガスにＴＭＡ、ＴＭＧ及びアンモニアを用い、アンドープのＡｌ_０．０５Ｇａ_０．９５ＮよりなるＡ層を２５Åの膜厚で成長させ、続いて、ＴＭＡを止め、不純物ガスとしてシランガスを用い、Ｓｉを１×１０^１８／ｃｍ^３ドープしたＧａＮからなるＢ層を２５Åの膜厚で成長させる。そして、この操作をそれぞれ６０回繰り返してＡ層とＢ層の積層し、総膜厚３０００Åの多層膜（超格子構造）の第１のｎ型窒化物半導体層５ｂを成長させる。この第１のｎ型窒化物半導体層５ｂの平均Ａｌ混晶は２．５％である。 (First n-type nitride semiconductor layer 5b)
Subsequently, the temperature was set to 1100 ° C., TMA, TMG and ammonia were used as source gases, and an A layer made of undoped Al _0.05 Ga _0.95 N was grown to a thickness of 25 mm, and then TMA was grown. Stop and use a silane gas as the impurity gas and grow a B layer of GaN doped with Si at 1 × 10 ¹⁸ / cm ³ to a thickness of 25 mm. Then, this operation is repeated 60 times, and the A layer and the B layer are laminated to grow a first n-type nitride semiconductor layer 5b of a multilayer film (superlattice structure) having a total film thickness of 3000 mm. The average Al mixed crystal of the first n-type nitride semiconductor layer 5b is 2.5%.

（コア領域：ｎ型光ガイド層６）
次に、同様の温度で、原料ガスにＴＭＧ及びアンモニアを用い、アンドープのＧａＮよりなるｎ型光ガイド層６を１７００Åの膜厚で成長させる。また、ｎ型不純物をドープしてもよい。 (Core region: n-type light guide layer 6)
Next, an n-type light guide layer 6 made of undoped GaN is grown to a thickness of 1700 mm using TMG and ammonia as source gases at the same temperature. Further, an n-type impurity may be doped.

（コア領域：活性層７）
次に、温度を９００℃にして、原料ガスにＴＭＩ（トリメチルインジウム）、ＴＭＧ及びアンモニアを用い、不純物ガスとしてシランガスを用い、Ｓｉを１×１０^１８／ｃｍ^３ドープしたＩｎ_０．０５Ｇａ_０．９５Ｎよりなる障壁層（Ｂ）を１４０Åの膜厚で、シランガスを止め、アンドープのＩｎ_０．１Ｇａ_０．９Ｎよりなる井戸層（Ｗ）を７０Åの膜厚で、この障壁層（Ｂ）、井戸層（Ｗ）を、（Ｂ）／（Ｗ）／（Ｂ）／（Ｗ）の順に積層する。最後に最上部の障壁層として、原料ガスにＴＭＩ（トリメチルインジウム）、ＴＥＧ及びアンモニアを用い、アンドープのＩｎ_０．０５Ｇａ_０．９５Ｎを３００Åの膜厚で成長させる。活性層７は、総膜厚約７２０Åの多重量子井戸構造（ＭＱＷ）となる。 (Core region: active layer 7)
Next, the temperature is set to 900 ° C., TMI (trimethylindium), TMG, and ammonia are used as the source gas, silane gas is used as the impurity gas, and Si is doped with 1 × 10 ¹⁸ / cm ³ In _0.05 Ga _{0. The} barrier layer (B) made of ₉₅ N with a thickness of 140 mm, the silane gas was stopped, and the well layer (W) made of undoped In _0.1 Ga _0.9 N with a thickness of 70 mm was formed with this barrier layer (B ) And the well layer (W) are stacked in the order of (B) / (W) / (B) / (W). Finally, as the uppermost barrier layer, TMI (trimethylindium), TEG, and ammonia are used as source gases, and undoped In _0.05 Ga _0.95 N is grown to a thickness of 300 mm. The active layer 7 has a multiple quantum well structure (MQW) with a total film thickness of about 720 mm.

（ｐ型電子閉じ込め（キャップ）層）
次に、同温又は昇温して、原料ガスにＴＭＡ、ＴＭＧ及びアンモニアを用い、不純物ガスとしてＣｐ_２Ｍｇ（シクロペンタジエニルマグネシウム）を用い、Ｍｇを１×１０^１９／ｃｍ^３ドープしたＡｌ_０．３Ｇａ_０．７Ｎよりなるｐ型電子閉じ込め層（図示せず）を１００Åの膜厚で成長させる。この層は、特に設けられていなくてもよいが、設けることで電子閉じ込めとして機能し、閾値の低下に寄与するものとなる。また、ここでは、ｐ型電子閉じ込め層１０８からｐ型不純物のＭｇが、それに隣接する最上部の障壁層に拡散して、最上部の障壁層にＭｇが５〜１０×１０^１６／ｃｍ^３程度ドープされた状態となる。 (P-type electron confinement (cap) layer)
Next, TMA, TMG, and ammonia are used as source gases, Cp ₂ Mg (cyclopentadienylmagnesium) is used as an impurity gas, and Mg is doped at 1 × 10 ¹⁹ / cm ^3. _A p-type electron confinement layer (not shown) made of _0.3 Ga _0.7 N is grown to a thickness of 100 mm. Although this layer does not need to be provided in particular, the layer functions as electron confinement and contributes to lowering the threshold value. Further, here, the p-type impurity Mg diffuses from the p-type electron confinement layer 108 to the uppermost barrier layer adjacent thereto, and Mg is about 5 to 10 × 10 ¹⁶ / cm ^{3 in} the uppermost barrier layer. It becomes a doped state.

（コア領域：ｐ型光ガイド層８）
次に、温度を１１００℃にして、原料ガスにＴＭＧ及びアンモニアを用い、ＧａＮよりなるｐ型光ガイド層８を１５００Åの膜厚で成長させる。
このｐ型光ガイド層８は、アンドープとして成長させるが、ｐ型電子閉じ込め層、後述するｐ型クラッド層９等の隣接層からのＭｇの拡散により、Ｍｇ濃度が５×１０^１６／ｃｍ^３となってｐ型を示す。また、この層は成長時に意図的にＭｇをドープしてもよい。 (Core region: p-type light guide layer 8)
Next, the temperature is set to 1100 ° C., TMG and ammonia are used as the source gas, and the p-type light guide layer 8 made of GaN is grown to a thickness of 1500 mm.
The p-type light guide layer 8 is grown as undoped. However, due to diffusion of Mg from adjacent layers such as a p-type electron confinement layer and a p-type cladding layer 9 described later, the Mg concentration becomes 5 × 10 ¹⁶ / cm ³ . P-type. This layer may be intentionally doped with Mg during growth.

（第１のｐ型窒化物半導体層９）
続いて、１１００℃でアンドープＡｌ_０．１Ｇａ_０．９Ｎからなる層を２５Åの膜厚で成長させ、続いてＴＭＡを止め、Ｃｐ_２Ｍｇを用いて、ＭｇドープＧａＮよりなる層を２５Åの膜厚で成長させ、それを９０回繰り返して総膜厚４５００Åの超格子層からなる第１のｐ型窒化物半導体層９を成長させる。この第１のｐ型窒化物半導体層９の平均Ａｌ混晶は４．９％である。
第１のｐ型窒化物半導体層９は少なくとも一方が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よい。 (First p-type nitride semiconductor layer 9)
Subsequently, a layer made of undoped Al _0.1 Ga _0.9 N was grown at 1100 ° C. to a thickness of 25 mm, then TMA was stopped, and a layer made of Mg-doped GaN was grown to 25 mm using Cp ₂ Mg. The first p-type nitride semiconductor layer 9 made of a superlattice layer having a total film thickness of 4500 mm is grown by growing the film thickness. The average Al mixed crystal of the first p-type nitride semiconductor layer 9 is 4.9%.
When the first p-type nitride semiconductor layer 9 is formed of a superlattice in which at least one of the nitride semiconductor layers includes Al and nitride semiconductor layers having different bandgap energies are stacked, the impurity is either one of them. When so-called modulation doping is performed by doping a large number of layers, the crystallinity tends to be improved, but both may be similarly doped.

（ｐ型コンタクト層１０）
最後に、１０５０℃で、第１のｐ型窒化物半導体層９の上に、Ｍｇを１×１０^２０／ｃｍ^３ドープしたｐ型ＧａＮからなるｐ型コンタクト層１０を１５０Åの膜厚で成長させる。ｐ型コンタクト層１０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１２０と最も好ましいオーミック接触が得られる。ｐ型コンタクト層１０は電極を形成する層であるので、１×１０^１７／ｃｍ^３以上の高キャリア濃度とすることが望ましい。１×１０^１７／ｃｍ^３よりも低いと電極と好ましいオーミックを得るのが難しくなる傾向にある。さらにｐ型コンタクト層１０の組成をＧａＮとすると、電極材料と好ましいオーミックが得られやすくなる。
反応終了後、反応容器内において、ウエハを窒素雰囲気中、７００〜１０００℃でアニーリングを行い、ｐ型窒化物半導体層をさらに低抵抗化する。なお、このアニーリングは省略してもよい。 (P-type contact layer 10)
Finally, a p-type contact layer 10 made of p-type GaN doped with 1 × 10 ²⁰ / cm ^{3 of} Mg is grown on the first p-type nitride semiconductor layer 9 at 1050 ° C. to a thickness of 150 mm. . The p-type contact layer 10 can be composed of p-type In _X Al _Y Ga _1-XY N (0 ≦ X, 0 ≦ Y, X + Y ≦ 1), preferably Mg-doped GaN. The most preferable ohmic contact with the p-electrode 120 is obtained. Since the p-type contact layer 10 is a layer for forming an electrode, it is desirable to have a high carrier concentration of 1 × 10 ¹⁷ / cm ³ or more. If it is lower than 1 × 10 ¹⁷ / cm ^3, it tends to be difficult to obtain a preferable ohmic with the electrode. Furthermore, when the composition of the p-type contact layer 10 is GaN, it is easy to obtain a preferable ohmic with the electrode material.
After completion of the reaction, the wafer is annealed at 700 to 1000 ° C. in a nitrogen atmosphere in the reaction vessel to further reduce the resistance of the p-type nitride semiconductor layer. This annealing may be omitted.

（リッジの形成）
以上のようにして窒化物半導体の積層構造を形成した後、ウエハを反応容器から取り出し、最上層のｐ型コンタクト層１０の表面にＳｉＯ_２よりなる保護膜を形成して、ＲＩＥ（反応性イオンエッチング）によりＳｉＣｌ_４ガスを用いてエッチングし、図１に示すように、ｎ電極を形成するｎ型コンタクト層３の表面を露出させる。このように窒化物半導体を深くエッチングするには保護膜としてＳｉＯ_２が最適である。
次に、導波路領域として、リッジストライプを形成する。
まず、最上層のｐ型コンタクト層１０のほぼ全面に、ＰＶＤ装置により、Ｓｉ酸化物（主として、ＳｉＯ_２）からなる第１の保護膜（図示せず）を０．５μｍの膜厚で形成し、その後、第１の保護膜の上に所定の形状のマスクを形成し、ＲＩＥ（反応性イオンエッチング）装置により、ＣＦ_４ガスを用い、ストライプ幅１．６μｍの第１の保護膜とする。この第１の保護膜をマスクとして用いて、さらにＲＩＥにより、ｐ型コンタクト層１０及び第１のｐ型窒化物半導体層９、ｐ型光ガイド層８の一部をエッチングし、ｐ型光ガイド層８の膜厚が０．１μｍとなるように、リッジストライプを形成する。 (Ridge formation)
After the nitride semiconductor multilayer structure is formed as described above, the wafer is taken out of the reaction vessel, a protective film made of SiO ₂ is formed on the surface of the uppermost p-type contact layer 10, and RIE (reactive ions) is formed. Etching is performed using SiCl ₄ gas to expose the surface of the n-type contact layer 3 forming the n-electrode as shown in FIG. Thus, SiO ₂ is optimal as a protective film for deep etching of the nitride semiconductor.
Next, a ridge stripe is formed as a waveguide region.
First, a first protective film (not shown) made of Si oxide (mainly SiO ₂ ) is formed to a thickness of 0.5 μm on almost the entire surface of the uppermost p-type contact layer 10 by a PVD apparatus. , then, a mask of a predetermined shape on the first protective film by RIE (reactive ion etching) apparatus, using CF ₄ gas, a first protective film of stripe width 1.6 [mu] m. Using this first protective film as a mask, the p-type contact layer 10, the first p-type nitride semiconductor layer 9, and a part of the p-type light guide layer 8 are further etched by RIE, and the p-type light guide Ridge stripes are formed so that the thickness of the layer 8 is 0.1 μm.

リッジ幅としては、１〜３μｍ程度、好ましくは１．５〜２μｍ程度が挙げられる。このような範囲とすることにより、例えば、光ディスクシステムの光源として、優れたスポット形状、ビーム形状のレーザ光が得られる。また、本発明の窒化物半導体素子は、リッジ構造の屈折率導波型に限らず、利得導波型でもよく、リッジにおいて、リッジ側面を再成長により埋め込んだＢＨ構造又はリッジを再成長により埋め込む構造、電流狭窄層を設けた構造であってもよい。 The ridge width is about 1 to 3 μm, preferably about 1.5 to 2 μm. By setting it as such a range, the laser beam of the excellent spot shape and beam shape is obtained as a light source of an optical disk system, for example. In addition, the nitride semiconductor device of the present invention is not limited to the refractive index waveguide type of the ridge structure, and may be a gain waveguide type. A structure or a structure provided with a current confinement layer may be used.

（保護膜の形成）
次いで、第１の保護膜の上から、Ｚｒ酸化物（主としてＺｒＯ_２）からなる第２の保護膜１１を、第１の保護膜の上と、エッチングにより露出されたｐ型光ガイド層８の上に０．５μｍの膜厚で連続して形成する。
第２の保護膜１１形成後、ウエハを６００℃で熱処理する。このようにＳｉＯ_２以外の材料を第２の保護膜として形成した場合、第２の保護膜成膜後に、３００℃以上、好ましくは４００℃以上、窒化物半導体の分解温度以下（１２００℃）で熱処理することにより、第２の保護膜が第１の保護膜の溶解材料（フッ酸）に対して溶解しにくくなるため、この工程を加えることがさらに望ましい。 (Formation of protective film)
Next, a second protective film 11 made of Zr oxide (mainly ZrO ₂ ) is formed on the first protective film and on the p-type light guide layer 8 exposed by etching. It is continuously formed with a film thickness of 0.5 μm.
After forming the second protective film 11, the wafer is heat-treated at 600 ° C. When a material other than SiO ₂ is formed as the second protective film in this way, after the second protective film is formed, the temperature is 300 ° C. or higher, preferably 400 ° C. or higher, and below the decomposition temperature of the nitride semiconductor (1200 ° C.). Since the second protective film is hardly dissolved in the dissolved material (hydrofluoric acid) of the first protective film by performing the heat treatment, it is more desirable to add this step.

なお、第２の保護膜１１としては、リッジ側面に埋込層として機能する膜であれば、例えば、Ｔｉ、Ｖ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｈｆ及びＴａの少なくとも一種の元素を含む酸化物、ＳｉＮ、ＢＮ、ＳｉＣ、ＡｌＮ等を利用することができる。なかでも、Ｚｒ、Ｈｆの酸化物、ＢＮ、ＳｉＣを用いることが好ましい。また、埋込層として、半絶縁性、ｉ型窒化物半導体、リッジ部とは逆導電型の窒化物半導体、電流狭窄層とするにはＡｌＧａＮなどのＡｌを含む窒化物半導体等を用いてもよい。さらに、エッチングなどによりリッジを設けずに、Ｂ、Ａｌなどのイオンを注入し、非注入領域をストライプ状として、電流が流れる領域とする構造としてもよい。この際に用いられる窒化物半導体としては、Ｉｎ_ｘＡｌ_１−ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、ｘ＋ｙ＝１）が好ましい。 The second protective film 11 may be, for example, an oxide containing at least one element of Ti, V, Zr, Nb, Hf, and Ta, SiN, as long as it is a film that functions as a buried layer on the ridge side surface. BN, SiC, AlN or the like can be used. Among these, it is preferable to use oxides of Zr and Hf, BN, and SiC. Further, as the buried layer, a semi-insulating, i-type nitride semiconductor, a nitride semiconductor having a reverse conductivity type to the ridge portion, a nitride semiconductor containing Al such as AlGaN or the like may be used as the current confinement layer. Good. Further, a structure may be adopted in which ions such as B and Al are implanted without forming a ridge by etching or the like, and the non-implanted region is formed in a stripe shape so that a current flows. The nitride semiconductor used at this time is preferably In _x Al _1-y Ga _1-xy N (0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1, x + y = 1).

次に、ウエハをフッ酸に浸漬し、第１の保護膜をリフトオフ法により除去する。このことにより、ｐ型コンタクト層１０の上に設けられていた第１の保護膜及び第２の保護膜１１の一部が除去されて、ｐ型コンタクト層１０が露出される。
以上のようにして、図１に示すように、リッジストライプの側面及びそれに連続する平面（ｐ型光ガイド層８の露出面）に第２の保護膜１１が形成される。 Next, the wafer is immersed in hydrofluoric acid, and the first protective film is removed by a lift-off method. As a result, a part of the first protective film and the second protective film 11 provided on the p-type contact layer 10 is removed, and the p-type contact layer 10 is exposed.
As described above, as shown in FIG. 1, the second protective film 11 is formed on the side surface of the ridge stripe and the plane continuous therewith (the exposed surface of the p-type light guide layer 8).

（電極の形成）
続いて、露出したｐ型コンタクト層１１の表面にＮｉ／Ａｕからなるｐ電極１２を形成する。ｐ電極１２は１００μｍのストライプ幅として、図１に示すように、第２の保護膜１１の上に渡って形成する。
また、ｎ型コンタクト層３の表面に、Ｔｉ／Ａｌからなるストライプ状のｎ電極１４をリッジストライプと平行な方向で形成する。 (Formation of electrodes)
Subsequently, a p-electrode 12 made of Ni / Au is formed on the exposed surface of the p-type contact layer 11. As shown in FIG. 1, the p electrode 12 is formed over the second protective film 11 with a stripe width of 100 μm.
Further, a striped n-electrode 14 made of Ti / Al is formed on the surface of the n-type contact layer 3 in a direction parallel to the ridge stripe.

（パッド電極の形成）
ｐ電極１２及びｎ電極１４を含む素子の表面にＳｉＯ_２からなる誘電体多層膜１３を形成する。この誘電体多層膜１３上であって、ｐ電極１２及びｎ電極１４の上方に開口を有するマスクを形成し、誘電体多層膜１３をエッチングして、ｐ電極１２及びｎ電極１４を露出させる。これらの上にＮｉ−Ｔｉ−Ａｕ（１０００Å−１０００Å−８０００Å）からなるパット電極１６、１５をそれぞれ設ける。
その後、ストライプ状のｐ電極１２、ｎ電極１４に垂直な方向で、窒化物半導体のＭ面（ＧａＮのＭ面、（１１−００）など）でバー状に分割し、さらにバー状のウエハをチップに分割してレーザ素子を得る。この時、共振器長は、６５０μｍである。 (Pad electrode formation)
A dielectric multilayer film 13 made of SiO ₂ is formed on the surface of the element including the p electrode 12 and the n electrode 14. A mask having an opening is formed on the dielectric multilayer film 13 above the p electrode 12 and the n electrode 14, and the dielectric multilayer film 13 is etched to expose the p electrode 12 and the n electrode 14. On these, pad electrodes 16 and 15 made of Ni-Ti-Au (1000? -1000? -8000?) Are provided.
After that, in the direction perpendicular to the striped p-electrode 12 and n-electrode 14, the nitride semiconductor M-plane (GaN M-plane, (11-00), etc.) is divided into bars, and the bar-shaped wafer is further divided. The laser element is obtained by dividing into chips. At this time, the resonator length is 650 μm.

また、エッチング端面の共振面には誘電体多層膜からなる反射膜が設けられるが、劈開面の共振器面にも、劈開後に反射膜及び／又は保護膜を設けてもよい。反射膜及び／又は保護膜としては、ＳｉＯ_２、ＴｉＯ_２、ＺｒＯ_２、ＺｎＯ、Ａｌ_２Ｏ_３、ＭｇＯ又はポリイミドの単層膜又は積層膜が挙げられる。膜厚は、例えば、λ／４ｎ（λは波長、ｎは材料の屈折率）、保護膜として機能させるためにλ／２ｎが挙げられる。
素子加工工程で、エッチング端面を形成せずに、すなわち、ｎ電極形成面（ｎ側コンタクト層３）だけを露出させ、一対の劈開面を共振器面とするレーザ素子としてもよい。バー状のウエハをチップに分割する際にも、窒化物半導体（単体基板）の劈開面を用いることができ、バー状に劈開したときの劈開面に垂直な窒化物半導体（ＧａＮ）を六方晶系で近似したＭ面、Ａ面（｛１０１０｝）で劈開して、チップを取り出してもよく、また、バー状に劈開する際に、窒化物半導体のＡ面を用いてもよい。 In addition, a reflection film made of a dielectric multilayer film is provided on the resonance surface of the etching end face, but a reflection film and / or a protection film may also be provided on the resonator surface of the cleavage surface after the cleavage. Examples of the reflective film and / or protective film include a single layer film or a laminated film of SiO ₂ , TiO ₂ , ZrO ₂ , ZnO, Al ₂ O ₃ , MgO, or polyimide. The film thickness is, for example, λ / 4n (λ is the wavelength, n is the refractive index of the material), and λ / 2n in order to function as a protective film.
In the element processing step, a laser element may be used in which the etching end face is not formed, that is, only the n-electrode formation surface (n-side contact layer 3) is exposed and the pair of cleaved surfaces are the resonator surfaces. When dividing a bar-shaped wafer into chips, a cleavage plane of a nitride semiconductor (single substrate) can be used, and a nitride semiconductor (GaN) perpendicular to the cleavage plane when cleaved into a bar shape is hexagonal. The chip may be taken out by cleaving at the M plane and A plane ({1010}) approximated by the system, or the A plane of the nitride semiconductor may be used when cleaving into a bar shape.

このようにして得られた窒化物半導体素子１は、室温においてしきい値２．８ｋＡ／ｃｍ²、５〜３０ｍＷの出力において発振波長４０５ｎｍの連続発振であった。また、得られた素子の寿命は、６０℃、５ｍＷの連続発振において、２０００〜３０００時間であった。
さらに、この窒化物半導体素子１の広がり角及びアスペクト比を、それぞれ測定した。その結果を図２及び図３に示す。 The nitride semiconductor device 1 thus obtained had a threshold value of 2.8 kA / cm ² at room temperature and continuous oscillation with an oscillation wavelength of 405 nm at an output of 5 to 30 mW. The lifetime of the obtained device was 2000 to 3000 hours at 60 ° C. and 5 mW continuous oscillation.
Further, the spread angle and aspect ratio of the nitride semiconductor device 1 were measured. The results are shown in FIGS.

なお、比較例として、上述した窒化物半導体素子１において、第２のｎ型窒化物半導体層５ａ及び第１のｎ型窒化物半導体層５ｂを設ける代わりに、ｎ型クラッド層として、Ａｌ_０．０８Ｇａ_０．９２Ｎ（２５Å）／ＧａＮ（２５Å）を繰り返し、総膜厚１．４μｍの超格子構造（平均Ａｌ混晶は４％）を１層のみ形成し、上記と同様に、広がり角及びアスペクト比を測定した。 As a comparative example, in the nitride semiconductor device 1 described above, instead of providing the second n-type nitride semiconductor layer 5a and the first n-type nitride semiconductor layer 5b, Al _{0. 08} Ga _0.92 N (25 Å) / GaN (25 繰り返し) was repeated to form a superlattice structure (average Al mixed crystal of 4%) with a total film thickness of 1.4 μm, and the spread angle was the same as above. And the aspect ratio was measured.

実施例２
この実施例は、図１における窒化物半導体素子の第２のｎ型窒化物半導体層５ａを、超格子構造の２層構造とする以外、実施例１の窒化物半導体素子と同様である。 Example 2
This example is the same as the nitride semiconductor device of Example 1, except that the second n-type nitride semiconductor layer 5a of the nitride semiconductor device in FIG. 1 has a two-layer structure of a superlattice structure.

実施例１と同様にクラック防止層までを形成し、その上に、温度を１０５０℃にして、原料ガスにＴＭＡ、ＴＭＧ及びアンモニアを用い、アンドープのＡｌ_０．１２Ｇａ_０．８８ＮよりなるＡ層を２５Åの膜厚で成長させ、続いて、ＴＭＡを止め、不純物ガスとしてシランガスを用い、Ｓｉを５×１０^１８／ｃｍ^３ドープしたＧａＮよりなるＢ層を２５Åの膜厚で成長させる。そして、この操作をそれぞれ１６０回繰り返してＡ層とＢ層の積層し、総膜厚８０００Åの多層膜（超格子構造）よりなる第２のｎ型窒化物半導体層の下層を形成する。この第２のｎ型窒化物半導体層１０５ａの下層の平均Ａｌ混晶は６％である。 A crack prevention layer is formed in the same manner as in Example 1, and the temperature is set to 1050 ° C., TMA, TMG, and ammonia are used as source gases, and A is made of undoped Al _0.12 Ga _0.88 N. The layer is grown to a thickness of 25 mm, and then the TMA is stopped, silane gas is used as an impurity gas, and a B layer made of GaN doped with Si at 5 × 10 ¹⁸ / cm ³ is grown to a thickness of 25 mm. Then, this operation is repeated 160 times, and the A layer and the B layer are laminated to form a lower layer of the second n-type nitride semiconductor layer made of a multilayer film (superlattice structure) having a total film thickness of 8000 mm. The average Al mixed crystal in the lower layer of the second n-type nitride semiconductor layer 105a is 6%.

続いて、温度を１０５０℃にして、原料ガスにＴＭＡ、ＴＭＧ及びアンモニアを用い、アンドープのＡｌ_０．０８Ｇａ_０．９２ＮよりなるＡ層を２５Åの膜厚で成長させ、続いて、ＴＭＡを止め、不純物ガスとしてシランガスを用い、Ｓｉを５×１０^１８／ｃｍ^３ドープしたＧａＮよりなるＢ層を２５Åの膜厚で成長させる。そして、この操作をそれぞれ６０回繰り返してＡ層とＢ層の積層し、総膜厚３０００Åの多層膜（超格子構造）よりなる第２のｎ型窒化物半導体層の上層を成長させる。この第２のｎ型窒化物半導体層の上層の平均Ａｌ混晶は４％である。 Subsequently, the temperature was set to 1050 ° C., TMA, TMG, and ammonia were used as source gases, and an A layer made of undoped Al _0.08 Ga _0.92 N was grown to a thickness of 25 mm, followed by TMA Then, a silane gas is used as an impurity gas, and a B layer made of GaN doped with Si at 5 × 10 ¹⁸ / cm ³ is grown to a thickness of 25 mm. Then, this operation is repeated 60 times to stack the A layer and the B layer, and the upper layer of the second n-type nitride semiconductor layer made of a multilayer film (superlattice structure) having a total film thickness of 3000 mm is grown. The average Al mixed crystal in the upper layer of the second n-type nitride semiconductor layer is 4%.

その後、実施例１と同様に、第１のｎ型窒化物半導体層以降を形成し、窒化物半導体素子を得る。
得られた窒化物半導体素子の広がり角及びアスペクト比を、それぞれ測定した。その結果を図２及び図３に併せて示す。 Thereafter, similarly to Example 1, the first n-type nitride semiconductor layer and subsequent layers are formed to obtain a nitride semiconductor element.
The spread angle and the aspect ratio of the obtained nitride semiconductor device were measured. The results are also shown in FIGS.

図１及び２の結果から、実施例１及び２のように、コア領域の外側に、屈折率が異なる窒化物半導体層を２層又は３層以上設けることにより、比較例に比べて、光の閉じ込め効果が緩和されていることに起因して、Ｆ．Ｆ．Ｐ．における光の広がり角度を抑えることができ、これによって、アスペクト比を低減させることができることが確認された。 From the results of FIGS. 1 and 2, by providing two or three or more nitride semiconductor layers having different refractive indexes outside the core region as in Examples 1 and 2, the light intensity is higher than that of the comparative example. Due to the mitigation of the confinement effect, F.I. F. P. It was confirmed that the light spreading angle in the light source can be suppressed, and that the aspect ratio can be reduced.

本発明は、ＬＥＤ（発光ダイオード）、ＳＬＤ（スーパールミネッセントダイオード）、ＬＤ（レーザダイオード）等の発光素子に幅広く利用することができ、特に、光ディスクシステムやレーザプリンタへ好適に応用するすることが可能となる。 The present invention can be widely used for light emitting elements such as LEDs (light emitting diodes), SLD (super luminescent diodes), LDs (laser diodes) and the like, and particularly suitably applied to optical disk systems and laser printers. Is possible.

本発明の窒化物半導体素子の実施例を示す概略断面図である。It is a schematic sectional drawing which shows the Example of the nitride semiconductor element of this invention. 本発明の窒化物半導体素子の出射光の広がり角を示すグラフである。It is a graph which shows the divergence angle of the emitted light of the nitride semiconductor element of this invention. 本発明の窒化物半導体素子の出射光のアスペクト比を示すグラフである。It is a graph which shows the aspect-ratio of the emitted light of the nitride semiconductor element of this invention.

Explanation of symbols

１窒化物半導体素子
２基板
３ｎ型コンタクト層
４クラック防止層
５ａ第２のｎ型窒化物半導体層
５ｂ第１のｎ型窒化物半導体層
６ｎ型光ガイド層
７活性層
８ｐ型光ガイド層
９第１のｐ型窒化物半導体層
１０ｐ型コンタクト層
１１第２の保護膜
１２ｐ電極
１３誘電体多層膜
１４ｎ電極
１５、１６パット電極 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Nitride semiconductor element 2 Board | substrate 3 N-type contact layer 4 Crack prevention layer 5a 2nd n-type nitride semiconductor layer 5b 1st n-type nitride semiconductor layer 6 n-type light guide layer 7 Active layer 8 p-type light guide Layer 9 First p-type nitride semiconductor layer 10 p-type contact layer 11 second protective film 12 p-electrode 13 dielectric multilayer 14 n-electrodes 15 and 16 pad electrodes

Claims

A nitride semiconductor device having a core region including an active layer between an n-type nitride semiconductor layer and a p-type nitride semiconductor layer,
At least one of the n-type and p-type nitride semiconductor layers has a first nitride semiconductor layer and a second nitride semiconductor layer in order from the outermost layer of the core region,
Refractive index difference is provided between the outermost layer of the core region and the first nitride semiconductor layer and between the first nitride semiconductor layer and the second nitride semiconductor layer. Nitride semiconductor device.

The nitride semiconductor device according to claim 1, wherein the first nitride semiconductor layer has a refractive index lower than that of the outermost layer of the core region.

The nitride semiconductor device according to claim 1, wherein the second nitride semiconductor layer has a refractive index lower than that of the first nitride semiconductor layer.

4. The nitride semiconductor device according to claim 1, wherein a refractive index difference (Δn ₁ ) between the outermost layer of the core region and the first nitride semiconductor layer is 0.004 to 0.03. 5. .

5. The nitride according to claim 1, wherein a difference in refractive index (Δn ₂ ) between the first nitride semiconductor layer and the second nitride semiconductor layer is 0.004 to 0.03. Semiconductor element.

The nitridation according to claim 6, wherein a difference in refractive index (Δn) between the m-th (m ≧ 2) n-type nitride semiconductor layer and the first p-type nitride semiconductor layer is 0.004 to 0.03. Semiconductor device.

The nitridation according to claim 6 or 7, wherein a refractive index difference (Δn _m ) between the m-th (m ≧ 2) n-type nitride semiconductor layer and the outermost layer of the core region is 0.007 to 0.05. Semiconductor device.

The n-type nitride semiconductor layer has m-th (m ≧ 2) n-type nitride semiconductor layers in order from the first n-type nitride semiconductor layer in contact with the outermost layer of the core region,
The p-type nitride semiconductor layer has a first p-type nitride semiconductor layer in contact with the outermost layer of the core region,
The nitride semiconductor device according to claim 1, wherein a refractive index of the m-th (m ≧ 2) n-type nitride semiconductor layer is higher than a refractive index of the first p-type nitride semiconductor layer. .

9. The nitride semiconductor device according to claim 1, wherein the first nitride semiconductor layer and / or the second nitride semiconductor layer is made of a nitride semiconductor containing Al.

The first nitride semiconductor layer and / or said second nitride semiconductor _layer, nitride according to any one of claims 1 to 9 comprising _{Al x Ga 1-x N (} 0 <x <1) Semiconductor device.

The first nitride semiconductor layer and / or the second nitride semiconductor layer is a superlattice of a nitride semiconductor layer containing Al and a nitride semiconductor layer having a composition different from that of the nitride semiconductor layer containing Al. The nitride semiconductor device according to claim 1, comprising a structure.

The first nitride semiconductor layer and / or the second nitride semiconductor layer includes Al _a Ga _1-a N (0 <a ≦ 1) and Al _b Ga _1-b N (0 ≦ b <1). The nitride semiconductor device according to claim 1, comprising the superlattice structure.