JP2011071561A - 窒化物半導体レーザを作製する方法、エピタキシャルウエハを作製する方法及び窒化物半導体レーザ - Google Patents
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Abstract
【課題】InGaN井戸層のインジウム組成の均一性を向上可能な窒化物半導体レーザを作製する方法を提供する。
【解決手段】工程S110では、TMG、TMIn及びNH3を成長炉に供給して井戸層の膜厚DW0より薄い膜厚DW1(DW1<DW0)のInGaN薄膜の堆積を温度T1で行う。この薄膜は1nm厚である。工程S111では、TMIn及びNH3を成長炉に供給しながら温度T1からT2(T1<T2)に温度を変更する。工程S112では、TMIn及びNH3を成長炉に供給しながら温度を温度T2に保つ。工程S113では、TMIn及びNH3を成長炉に供給しながら温度T2からT1に温度を変更する。堆積されたInGaN薄膜が工程S111〜S113によって改質されて、改質されたInGaN薄膜の組成の均一性が向上されている。井戸層は改質された3層の1nmのInGaN薄膜からなる。
【選択図】図3
【解決手段】工程S110では、TMG、TMIn及びNH3を成長炉に供給して井戸層の膜厚DW0より薄い膜厚DW1(DW1<DW0)のInGaN薄膜の堆積を温度T1で行う。この薄膜は1nm厚である。工程S111では、TMIn及びNH3を成長炉に供給しながら温度T1からT2(T1<T2)に温度を変更する。工程S112では、TMIn及びNH3を成長炉に供給しながら温度を温度T2に保つ。工程S113では、TMIn及びNH3を成長炉に供給しながら温度T2からT1に温度を変更する。堆積されたInGaN薄膜が工程S111〜S113によって改質されて、改質されたInGaN薄膜の組成の均一性が向上されている。井戸層は改質された3層の1nmのInGaN薄膜からなる。
【選択図】図3
Description
本発明は、窒化物半導体レーザを作製する方法、エピタキシャルウエハを作製する方法及び窒化物半導体レーザに関する。
特許文献1には、平坦で連続したGaN膜を形成する方法が記載されている。GaN膜の成長の期間の最初の部分では、ガリウム(Ga)が化学量論的に過剰な成膜条件下で膜の成長が行われる。成長期間の引き続く部分では、窒素(N)が化学量論的に過剰な成膜条件下で膜の成長が行われる。いずれの期間でも、Ga及びNが成長期間にわたって基板に同時に到着する。
特許文献2には、良質なGaAsN単結晶を形成する方法が記載されている。ミシビリティギャップ組成のGaAsN混晶の成長において、Ga供給、窒化、Ga供給、砒化のサイクルを繰り返してGaAsN混晶を成長する。
特許文献3には、熱平衡状態において非混和領域の組成を有するGaInNAs系化合物半導体混晶を成長する方法が記載されている。GaInNAs系化合物半導体混晶を成長する工程中に、GaInNAs化合物半導体混晶の結晶成長を中断し、GaAs化合物半導体薄膜を結晶成長する。GaAs化合物半導体は、GaInNAs化合物半導体混晶の構成元素からなり、熱平衡状態において混和領域の組成を有する。
特許文献4には、高品位の原子層を短時間で成長できる窒化物薄膜を形成する方法が記載されている。この方法では、1×10−3〜1Paのアンモニア雰囲気中で有機金属ガスを含む原料ガスを基板に吹き付けて、この基板上に金属元素層を形成する。この後に原料ガスの吹付けを停止し、基板上に金属元素層の窒化物である窒化物薄膜を形成する。
特許文献5には、窒化物系化合物半導体層を有機金属化学気相成長法を用いて製造する方法が記載されている。この方法では、III族源の有機金属を含むIII族原料ガスを間欠的に基板上に供給すると共に、窒素を含むガスを基板上に供給する。
III族窒化物半導体レーザにおいて長波長の発光を得るためには、大きなインジウム組成のInGaN井戸層を用いる。インジウム組成の増加に伴って、InGaN井戸層の結晶品質が低下する。InGaN井戸層に非発光領域が増加して、発光効率が低下する。また、インジウム組成の増加に伴って、発光波長のブルーシフトが増加する。大きなブルーシフトを示すIII族窒化物半導体レーザでは、レーザ発振までに印加される電流の増加に伴って発光波長が変化するので、LEDモードにおいてブルーシフトを示す発光は、レーザ発振のための誘導放出に寄与しない。さらに、InGaN井戸層のインジウム組成の増加に伴って、フォトルミネッセンススペクトルにおける半値全幅が大きくなる。半値全幅の増大により、光学的利得を示す波長範囲が大きくなる。レーザ発振に寄与しない波長でもLEDモードの発光が生じるので、レーザ発振の閾値電流が増大する。
発明者の知見によれば、これらはInGaN井戸層の空間的なゆらぎの増加に関連している。
本発明は、このような事情を鑑みて為されたものであり、InGaN井戸層のインジウム組成の均一性を向上可能な窒化物半導体レーザを作製する方法を提供することを目的とし、また、窒化物半導体レーザ用のエピタキシャルウエハを作製する方法を提供することを目的とし、さらに、InGaN井戸層のインジウム組成の均一性が向上された窒化物半導体レーザを提供することを目的とする。
本発明の一側面は、窒化物半導体レーザを作製する方法である。この方法は、第1の膜厚を有しており活性層のための第1のInGaN膜を窒化ガリウム系半導体領域上に形成する工程を備える。前記第1のInGaN膜を形成する前記工程は、(a)第1のガリウム原料、第1のインジウム原料及び第1の窒素原料を成長炉に供給して、前記InGaN膜の形成ために、第1の温度で前記第1の膜厚より薄いInGaNの堆積を行う工程と、(b)第2のインジウム原料及び第2の窒素原料を前記成長炉に供給しながら、前記第1の温度より高い第2の温度で前記InGaNの熱処理を行う工程と、(c)前記熱処理の後に、前記InGaNの堆積を少なくとも一回行って前記第1のInGaN膜を形成する工程とを含む。
この方法によれば、第1のInGaN膜を形成するために、第1のInGaN膜の膜厚より薄いInGaNの堆積を行った後に、インジウム原料及び窒素原料を含む雰囲気中で、成長温度より高い第2の温度でInGaNの熱処理を行う。このため、InGaN堆積物における組成均一性が向上される。これ故に、良好な組成の均一性を有するInGaN膜を成長できる。インジウム原料及び窒素原料が成長後の熱処理中に供給されるので、InGaNからのInNの分解を抑制できる。
本発明に係る方法では、前記第1のインジウム原料は有機金属であることが好ましい。この方法は、有機金属気相成長法による窒化物成長に適している。また、前記第2のインジウム原料は有機金属であることが好ましい。この方法は、有機金属気相成長法による窒化物成長に適している。
本発明に係る方法では、前記第1の窒素原料は、アンモニア及びアミン類窒素原料の少なくともいずれかを含むことが好ましい。この方法は、有機金属気相成長法による窒化物成長に適している。また、前記第2の窒素原料は、アンモニア及びアミン類窒素原料の少なくともいずれかを含むことが好ましい。この方法は、有機金属気相成長法による窒化物成長に適している。
この方法では、前記アミン類窒素原料は、モノメチルアミン、ジメチルアミン、トリメチルアミン、モノエチルアミン、ジエチルアミン、及びトリエチルアミンの少なくともいずれかを含むことができる。この方法によれば、アミン類窒素原料は、低温におけるInGaN成長に適している。
本発明に係る方法では、前記第1のInGaN膜は、前記活性層の井戸層及び障壁層のいずれか一方であることができる。この方法によれば、良好な組成均一性を有するInGaN井戸層及びInGaN障壁層の形成が提供される。
本発明に係る方法では、前記第1のInGaN膜は前記活性層の井戸層であり、前記InGaNの堆積を少なくとも一回行って前記第1のInGaN膜を形成する前記工程では、前記第1の膜厚のInGaNの堆積が完了するまで、前記InGaNの堆積及び前記InGaNの熱処理が繰り返されることができる。この方法によれば、複数回のInGaN薄膜の成長と該成長後の熱処理とにより、InGaN膜の組成均一性が向上される。また、本発明に係る方法では、井戸層及び障壁層がInGaNからなることができる。また、井戸層がInGaNからなり、障壁層がGaNからなることができる。
本発明に係る方法では、前記第1のInGaN膜は前記活性層の井戸層であり、前記第1のInGaN膜のインジウム組成は0.25以上であり、前記第1のInGaN膜のインジウム組成は0.35以下であることが好ましい。この方法によれば、高In組成のInGaN井戸層を形成できる。したがって、本方法によれば、長波長の発光素子を提供できる。
本発明に係る方法では、前記第1のInGaN膜は前記活性層の障壁層であり、前記第1のInGaN膜のインジウム組成は0.02以上であり、前記第1のInGaN膜のインジウム組成は0.08以下であることができる。この方法によれば、高In組成のInGaN井戸層に好適なInGaN障壁層を形成することができる。したがって、本方法によれば、長波長の発光素子を提供できる。
本発明に係る方法は、第2の膜厚を有しており前記活性層のための第2のInGaN膜を形成する工程を更に備えることができる。前記第1及び第2のInGaN膜の一方は、前記第1及び第2のInGaN膜の他方上に形成されている。前記第2のInGaN膜を形成する前記工程は、(a)第3のガリウム原料、第3のインジウム原料及び第3の窒素原料を成長炉に供給して、前記InGaN膜の形成ために、第3の温度で前記第2の膜厚より薄いInGaNの堆積を行う工程と、(b)前記InGaNを堆積した後に、第4のインジウム原料及び第4の窒素原料を前記成長炉に供給しながら、前記第4の温度で熱処理を行う工程と、(c)少なくとも一回のInGaN堆積を前記第2の膜厚の堆積が完了するまで行って、前記第2のInGaN膜を形成する工程とを含むことができる。前記第1及び第2のInGaN膜の一方は前記活性層の井戸層のために形成され、前記第1及び第2のInGaN膜の他方は前記活性層の障壁層のために形成される。
この方法によれば、第1及び第2のInGaN膜の一方が活性層の井戸層のために形成され、他方が障壁層のために形成されるので、優れた組成均一性の井戸層及び障壁層の活性層が提供される。なお、前記第3の窒素原料は、アンモニア及びアミン類窒素原料の少なくともいずれかを含むことが好ましい。この方法は、有機金属気相成長法による窒化物成長に適している。前記第3のインジウム原料は有機金属であることが好ましい。この方法は、有機金属気相成長法による窒化物成長に適している。前記第4の窒素原料は、アンモニア及びアミン類窒素原料の少なくともいずれかを含むことが好ましい。この方法は、有機金属気相成長法による窒化物成長に適している。前記第4のインジウム原料は有機金属であることが好ましい。この方法は、有機金属気相成長法による窒化物成長に適している。
本発明に係る方法は、六方晶系材料からなるウエハを準備する工程を更に備えることができる。前記ウエハの主面は、前記六方晶系材料のc面から15度以上30度以下の角度で傾斜していることができる。この方法によれば、半極性六方晶系ウエハを用いて半導体レーザを作製できる。
本発明に係る方法では、前記第1のInGaN膜は前記活性層の井戸層のために形成され、前記第1の温度は、摂氏630度以上であり、摂氏780度以下であることができる。この温度範囲によれば、高In組成を有する半極性InGaN層が提供される。
本発明に係る方法は、六方晶系材料からなるウエハを準備する工程を更に備えることができる。前記ウエハの主面は、前記六方晶系材料の極性面であることができる。この方法によれば、極性六方晶系ウエハ上に半導体レーザを作製できる。
本発明に係る方法では、記第1のInGaN膜は、前記活性層の井戸層のために形成され、前記第1の温度は、摂氏680度以上であり、摂氏830度以下であることができる。この温度範囲によれば、高In組成を有する極性InGaN層が提供される。
本発明に係る方法は、六方晶系材料からなるウエハを準備する工程を更に備えることができる。前記ウエハの主面は、前記六方晶系材料の非極性面であることができる。この方法によれば、非半極性六方晶系ウエハを用いて半導体レーザを作製できる。
本発明に係る方法では、前記第1のInGaN膜は前記活性層の井戸層のために形成され、前記第1の温度は、摂氏650度以上であり、摂氏800度以下であることができる。この温度範囲によれば、高In組成を有する非極性InGaN層が提供される。
本発明に係る方法では、前記活性層は量子井戸構造を有しており、前記活性層のフォトルミネッセンスの半値全幅は40nm以下であることができる。この方法によれば、InGaN膜の組成均一性が向上されるので、半値全幅がレーザ発振に好適な程度に小さくできる。
本発明に係る方法では、前記III族窒化物半導体レーザの発振波長は490nm以上であることができる。この方法によれば、III族窒化物半導体レーザは長波長のレーザ発振に好適な構造を有する。
本発明の別の側面は、窒化物半導体レーザ用のエピタキシャルウエハを作製する方法である。この方法は、(a)ウエハ上に第1導電型窒化ガリウム系半導体領域を形成する工程と、(b)前記第1導電型窒化ガリウム系半導体領域を形成した後に、所定の膜厚を有しており活性層のためのInGaN膜をウエハ上に形成する工程と、(c)前記活性層を形成した後に、第2導電型窒化ガリウム系半導体領域を形成する工程とを備える。前記InGaN膜を形成する前記工程は、(b1)第1のガリウム原料、第1のインジウム原料及び第1の窒素原料を成長炉に供給して、前記InGaN膜の形成ために、第1の温度で前記第1の膜厚より薄いInGaNの堆積を行う工程と、(b2)第2のインジウム原料及び第2の窒素原料を前記成長炉に供給しながら、前記第1の温度よい高い第2の温度で前記InGaNの熱処理を行う工程と、(b3)前記熱処理の後に、少なくとも一回のInGaN堆積を行って前記InGaN膜を形成する工程とを含むことができる。
この方法によれば、第1のInGaN膜を形成するために、第1のInGaN膜の膜厚より薄いInGaNの堆積を行った後に、インジウム原料及び窒素原料を含む雰囲気中で、成長温度より高い第2の温度でInGaNの熱処理を行う。このため、InGaN堆積物において組成均一性が向上される。これ故に、組成の良好な均一性を有するInGaN膜を成長できる。インジウム原料及び窒素原料が成長後の熱処理中に供給されるので、InGaNからのInNの分解を抑制できる。
本発明に係る方法では、前記InGaN膜は前記活性層の井戸層であり、前記少なくとも一回のInGaN堆積を行って前記InGaN膜を形成する前記工程では、前記第1の膜厚のInGaNの堆積が完了するまで、前記InGaNの堆積及び前記InGaNの熱処理が繰り返される。この方法によれば、複数回のInGaN薄膜の成長と該成長後の熱処理とにより、InGaN膜の組成均一性が向上される。
本発明の更なる別の側面に係るIII族窒化物半導体レーザは、(a)第1導電型III族窒化物半導体層と、(b)第2導電型III族窒化物半導体層と、(c)複数のInXGa1−XN井戸層と複数の障壁層とを有する活性層とを備えることができる。前記活性層は、前記第1導電型III族窒化物半導体層と前記第2導電型III族窒化物半導体層との間に設けられ、前記InXGa1−XN井戸層のインジウム組成Xは0.24以上であり、前記InXGa1−XN井戸層の各々のインジウム組成分布における最大値及び最小値は、前記インジウム組成分布の平均値の−15%〜+15%の範囲にある。
このIII族窒化物半導体レーザによれば、InXGa1−XN井戸層のインジウム組成分布における最大値及び最小値が該井戸層におけるインジウム組成分布の平均値の−15%〜+15%の範囲にあるので、InXGa1−XN井戸層の組成均一性が向上される。故に、良好な組成均一性のInGaN膜によって、半値全幅がレーザ発振に好適な程度に縮小される。
本発明に係るIII族窒化物半導体レーザは、前記井戸層は、複数のInXGa1−XN薄膜の積層を含み、各InXGa1−XN薄膜のインジウム組成は互いに実質的に同じであることが好ましい。このIII族窒化物半導体レーザによれば、InXGa1−XN薄膜の厚みが薄いので、個々のInXGa1−XN薄膜のインジウム組成の均一性を向上可能である。この結果、インジウム組成分布における最大値及び最小値が平均値の−15%〜+15%の範囲内にまで低減可能である。
本発明の上記の目的および他の目的、特徴、並びに利点は、添付図面を参照して進められる本発明の好適な実施の形態の以下の詳細な記述から、より容易に明らかになる。
以上説明したように、本発明の一側面によれば、InGaN井戸層のインジウム組成の均一性を向上可能な窒化物半導体レーザを作製する方法が提供される。また、本発明の別の側面によれば、窒化物半導体レーザ用のエピタキシャルウエハを作製する方法が提供される。さらに、本発明に係る更なる別の側面によれば、InGaN井戸層のインジウム組成の均一性が向上された窒化物半導体レーザが提供される。
本発明の知見は、例示として示された添付図面を参照して以下の詳細な記述を考慮することによって容易に理解できる。引き続いて、添付図面を参照しながら、本発明の窒化物半導体レーザを作製する方法、窒化物半導体レーザ用のエピタキシャルウエハを作製する方法、及び窒化物半導体レーザに係る実施の形態を説明する。可能な場合には、同一の部分には同一の符号を付する。
図1及び図2は、本実施の形態に係る窒化物半導体レーザを作製する方法及びエピタキシャルウエハを作製する方法の主要な工程を示す図面である。図1の工程フロー100aを参照すると、工程S101では、六方晶系材料からなるウエハを準備する。六方晶系材料として、例えばGaN、InGaN、AlGaN、AlN、SiC、サファイア等を用いることができる。引き続く工程において、ウエハの主面上にIII窒化物半導体膜のエピタキシャル成長が行われる。
ウエハの主面は、上記の六方晶系材料のc面から傾斜している半極性面のウエハであることができる。傾斜角が、例えば15度以上であるとき、内部電界が小さいという利点がある。傾斜角が、例えば30度以下の角度であるとき、大口径のウエハを利用可能であるという利点がある。この半極性六方晶系ウエハを用いて、小さいブルーシフトを示す半導体レーザを作製できる。
また、ウエハの主面は、六方晶系材料の極性面であることができる。六方晶系材料の極性面として、GaNのc面を用いることができる。極性六方晶系ウエハ上に半導体レーザを作製できる。
さらに、ウエハの主面は、六方晶系材料の非極性面であることができる。六方晶系材料の非極性面として、GaNのa面及びm面を用いることができる。非半極性六方晶系ウエハを用いて半導体レーザを作製できる。
引き続く例示的な説明では、GaNウエハ上に半導体レーザを作製する。引き続く製造工程におけるエピタキシャル膜は、例えば有機金属気相成長法により作製される。原料にはトリメチルガリウム(TMG)、トリメチルアルミニウム(TMA)、トリメチルインジウム(TMIn)、アンモニア(NH3)を用い、またドーパントしてシラン(SiH4)、ビスシクロペンタジエニルマグネシウム(CP2Mg)を用いる。GaNウエハを成長炉にセットした後に、工程S102では、GaNウエハのサーマルクリーニングを行う。このために、成長炉に水素及びアンモニアを供給する。熱処理温度は、例えば摂氏1050度である。
工程S103では、ウエハ主面上に、n型窒化ガリウム系半導体領域を成長する。このn型窒化ガリウム系半導体領域の成長では、工程S104において、例えばn型窒化ガリウム系半導体クラッド層を成長する。クラッド層は、例えばn型Al0.04Ga0.96Nからなることができ、その成長温度は、例えば摂氏1050度であることができる。n型AlGaNにはシリコンが添加されている。n型AlGaNの膜厚は、例えば2300nmであることができる。
次いで、必要な場合には、工程S105においてクラッド層上にn型窒化ガリウム半導体層を成長する。n型窒化ガリウム系半導体層のバンドギャップはクラッド層のバンドギャップより小さく、この後に成長される光ガイド層のバンドギャップより大きい。また、n型窒化ガリウム系半導体層の屈折率はクラッド層の屈折率より大きく、この後に成長される光ガイド層の屈折率より小さい。このn型窒化ガリウム系半導体層は、例えばn型GaNからなることができる。成長温度は、例えば摂氏1050度であることができる。n型GaNの膜厚は、例えば50nmであることができる。本実施の形態におけるAlGaN及びGaNの成長では、[V]/[III](流量モル比)として900〜6000が用いられる。AlGaNの成長における炉内圧力は、例えば40〜80kPaであり、GaN及びInGaNの成長における炉内圧力は、例えば100kPaである。
工程S106では、クラッド層上にn側の光ガイド層を成長する。この光ガイド層は、例えばアンドープIn0.06Ga0.94Nからなることができる。成長温度は、例えば摂氏820度であることができる。このInGaNの膜厚は、例えば65nmであることができる。この光ガイド層の成長温度の範囲は、例えば摂氏750度以上であり、また摂氏900度以下であることができる。
工程S107において活性層を形成する。III族窒化物半導体レーザを作製する方法では、例えば490nm以上の発振波長を得るように活性層が形成される。また、活性層は、例えば540nm以下の発振波長を得るように形成される。長波長のレーザ発振に好適な構造が以下の成長方法により提供される。活性層の形成では、工程S108における障壁層の成長と工程S109における井戸層の成長とが行われる。有機金属気相成長法による窒化物成長に適しているので、活性層の成長では、インジウム原料は有機金属を含み、窒素原料はアンモニア及びアミン類窒素原料の少なくともいずれかを含むことが好ましい。アミン類窒素原料は、モノメチルアミン、ジメチルアミン、トリメチルアミン、モノエチルアミン、ジエチルアミン、及びトリエチルアミンの少なくともいずれかを含むことができる。アミン類窒素原料は、低温におけるInGaN成長に適している。
まず、第1層目の障壁層の組成が光ガイド層の組成と同じときは、膜厚を調整して、光ガイド層の成膜条件を用いて障壁層の成長を行うことができる。このとき、光ガイド層上に井戸層を成長することができる。他の場合には、工程S109においてInGaN障壁層を成長する。このとき、障壁層上に井戸層を成長することができる。InGaN障壁層は、例えばIn0.06Ga0.94Nであることができ、アンドープであることができる。
工程S108の井戸層成長では、図3に示されるように、活性層のためのInGaN膜11を窒化ガリウム系半導体領域13上に形成する。InGaN膜11は膜厚DW0を有する。このInGaN膜11は、例えば以下のように成長される。工程S110では、時刻t0〜t1の期間にInGaN薄膜を成長する。この成長では、ガリウム原料(例えばTMG)、インジウム原料(例えばTMIn)及び窒素原料(例えばNH3)を成長炉に供給して、第1の温度T1で膜厚DW0より薄いInGaNの堆積を行う。このInGaNの膜厚DW1(DW1<DW0)は、例えば1nm程度である。ガリウム原料の供給を停止して成長を終了する。
工程S111では、図3に示されるように、時刻t1〜t2の期間に、成長炉温度の温度T1から温度T2(T1<T2)に変更する。この温度変更中に、インジウム原料(例えばTMIn)及び窒素原料(例えばNH3)が成長炉に供給される。この温度変更中には、InNといった成膜が生じない。TMInといったインジウム原料及びNH3といった窒素原料の供給により、InGaN薄膜の表面からInNの分離を熱処理の全期間にわたって避けることができる。温度T1が摂氏600度以上であれば、InNの堆積は生じない。100〜100000の範囲の[V族流量]/[III族流量]を用いることによって、結晶からのInNの分離を避けることができる。昇温時間は、例えば2分である。[V族流量]/[III族流量]として、例えば10000を用いる。成膜温度T1と熱処理温度T2との差は、例えば50度以上であることが好ましい。また、この差は、例えば250度以下であることが好ましい。
工程S112では、時刻t2〜t3の期間に成長炉を温度T2に保つ。この温度保持中に、インジウム原料(例えばTMIn)及び窒素原料(例えばNH3)が成長炉に供給される。このときも、InNといった成膜が生じない。TMInといったインジウム原料及びNH3といった窒素原料の供給により、InGaN薄膜の表面からInNの分離を避けることができる。保持時間は、例えば1分である。[V族流量]/[III族流量]として例えば10000を用いる。
工程S113では、時刻t3〜t4の期間に、成長炉温度の温度T2から温度T1(T2<T1)に変更する。この温度変更中に、インジウム原料(例えばTMIn)及び窒素原料(例えばNH3)が成長炉に供給される。変更時間は、例えば2分である。[V族流量]/[III族流量]として、例えば10000を用いる。
工程S110における成長の後の工程S111、S112、S113によって、堆積されたInGaN薄膜が改質されて、改質されたInGaN薄膜15aでは、その組成の均一性が向上されている。
工程S114では、所望の厚さのInGaNが成長されるまで、上記の薄膜の成長と熱処置とを繰り返す。図3に示されるように、時刻t4〜t5に工程S110を行い、時刻t5〜t6の期間に工程S111を行い、時刻t6〜t7の期間に工程S112を行う。この成長で、膜厚DW2の別のInGaN薄膜がInGaN薄膜15a上に成長される。本実施例では、繰り返しにより合計3nmのInGaN膜11が成長される。
この方法によれば、InGaN膜11を形成するために、InGaN膜11の膜厚より薄いInGaN15aの形成、InGaN15bの堆積を行った後に、ガリウム原料を供給することなく、インジウム原料及び窒素原料を含む雰囲気中で、成長温度T1より高い温度T2でInGaNの熱処理を行う。このため、InGaN堆積物において組成の均一性が向上される。これ故に、良好な組成均一性を有するInGaN膜11を成長できる。インジウム原料及び窒素原料が成長後の熱処理中に供給されるので、InGaNからのInNの分解を抑制できる。
工程S109における障壁層成長では、図4に示されるように、活性層のためのInGaN膜17を井戸層上に形成する。障壁層のためのInGaN膜17は膜厚DB1を有する。このInGaN膜17は、例えば以下のように成長される。工程S115では、時刻s0〜s1の期間にInGaN薄膜を成長する。この成長では、ガリウム原料(例えばTMG)、インジウム原料(例えばTMIn)及び窒素原料(例えばNH3)を成長炉に供給して、第1の温度T3で膜厚DB0より薄い膜厚DB1(DB1<DB0)のInGaNの堆積を行う。このInGaNの膜厚DB1は、例えば1nm程度である。ガリウム原料の供給を停止して成長を終了する。
工程S116では、図4に示されるように、時刻s1〜s2の期間に、成長炉温度の温度T3から温度T4(T3<T4)に変更する。この温度変更中に、インジウム原料(例えばTMIn)及び窒素原料(例えばNH3)が成長炉に供給される。この温度変更中には、InNといった成膜が生じない。TMInといったインジウム原料及びNH3といった窒素原料の供給により、InGaN薄膜の表面からInNの分離を避けることができる。このための条件は、例えば井戸層のための用いた条件と同じ条件を用いることができる。昇温時間は、例えば2分である。[V族流量]/[III族流量]として、例えば10000を用いる。
工程S117では、時刻s2〜s3の期間に、成長炉を温度T4に保つ。この温度保持中に、インジウム原料(例えばTMIn)及び窒素原料(例えばNH3)が成長炉に供給される。このときも、InNといった成膜が生じない。TMInといったインジウム原料及びNH3といった窒素原料の供給により、InGaN薄膜の表面からInNの分離を避けることができる。保持時間は、例えば1分である。[V族流量]/[III族流量]として例えば10000を用いる。
工程S118では、時刻s3〜s4の期間に、成長炉温度の温度T4から温度T3(T3<T4)に変更する。この温度変更中に、インジウム原料(例えばTMIn)及び窒素原料(例えばNH3)が成長炉に供給される。変更時間は、例えば2分である。[V族流量]/[III族流量]として、例えば10000を用いる。成膜温度T3と熱処理温度T4との差は、例えば50度以上であることが好ましい。また、この差は、例えば150度以下であることが好ましい。
工程S115における成長の後の工程S116、S117、S118によって、堆積されたInGaN薄膜が改質されて、改質されたInGaN薄膜19aでは、その組成の均一性が向上される。
工程S119では、所望の厚さのInGaNが成長されるまで、上記の薄膜の成長と熱処置とを繰り返す。図4に示されるように、時刻s4〜s5に工程S115を行い、時刻s5〜s6の期間に工程S116を行い、時刻s6〜s7の期間に工程S117を行う。一回の成長で、InGaN薄膜19bがInGaN薄膜19a上に成長される。本実施例では、繰り返しにより合計15nmのInGaN膜17が成長される。一回の成長で、膜厚DB2のInGaN薄膜が成長される。或いは、障壁層のインジウム組成が井戸層のインジウム組成より小さいので、14回の繰り返しに替えて、所望の膜厚が得られるように、残りのInGaN膜を行うことができる。本実施例では、一回の追加成長により合計15nmのInGaN井戸層が成長される。障壁層は、InGaNに替えてGaNからなることができる。このときは、一回の成長で所望の膜厚のGaN膜を成長できる。
この方法によれば、InGaN膜17を形成するために、InGaN膜17の膜厚より薄いInGaN19a、19bの各々を行った後に、インジウム原料及び窒素原料を含む雰囲気中で、成長温度T3より高い温度T4でInGaN19a、19bの熱処理を行う。このため、InGaN堆積物において組成の均一性が向上される。これ故に、良好な組成均一性を有するInGaN膜17を成長できる。また、成膜温度よりも高い温度にInGaNがさらされるけれども、インジウム原料及び窒素原料が成長後の熱処理中に供給されるので、InGaNからのInNの分解を抑制できる。
この後の工程では、所望の構造の量子井戸構造が形成されるまで、工程S108及びS109を繰り返して活性層を形成できる。このように成長された量子井戸構造の活性層は、半値全幅40nm以下のフォトルミネッセンスを示す。InGaN膜の組成均一性が向上されているので、半値全幅がレーザ発振に好適な程度に縮小される。半値全幅が縮小されたということは、レーザ発振に先立って、半導体レーザが発生するLEDモードの光のスペクトルも狭くなる。これ故に、印加される電流が、レーザ発振を引き起こすために効率的に消費される。
InGaN膜11、15a、15bのインジウム組成は0.25以上であり、InGaN膜11、15a、15bのインジウム組成は0.35以下であることが好ましい。長波長の発光素子を提供できる高In組成のInGaN井戸層を形成することができる。InGaN膜17、19a、19bのインジウム組成は0.02以上であり、InGaN膜17、19a、19bのインジウム組成は0.08以下であることができる。長波長の発光素子を提供できる高In組成のInGaN井戸層に好適なInGaN障壁層を形成することができる。
活性層のInGaN成長の温度は、例えば以下のような範囲であることが好ましい。
半極性面の窒化ガリウム系半導体上への活性層の成長では、以下の条件が好ましい。井戸層のためのInGaN膜11では、成膜温度T1は摂氏630度以上であることができ、これによって良好な発光特性を得ることができる。成膜温度T1は摂氏780度以下であることができ、これによって必要なIn組成を得ることができる。この温度範囲によれば、高In組成を有する半極性InGaN層が提供される。また、障壁層のためのInGaN膜11では、成膜温度T3は摂氏750度以上であることができ、これによって良質な結晶が得られる。成膜温度T3は摂氏900度以下であることができ、これによって井戸層の結晶品質の劣化が避けられる。この温度範囲によれば、高In組成を有する半極性InGaN層が提供される。
極性面の窒化ガリウム系半導体上への活性層の成長では、以下の条件が好ましい。井戸層のためのInGaN膜11では、成膜温度T1は摂氏680度以上であることができ、これによって良好な発光特性を得ることができる。成膜温度T1は摂氏830度以下であることができ、これによって必要なIn組成を得ることができる。この温度範囲によれば、高In組成を有する半極性InGaN層が提供される。また、障壁層のためのInGaN膜11では、成膜温度T3は摂氏800度以上であることができ、これによって良質な結晶が得られる。成膜温度T3は摂氏900度以下であることができ、これによって井戸層の結晶品質の劣化が避けられる。この温度範囲によれば、高In組成を有する半極性InGaN層が提供される。
非極性面の窒化ガリウム系半導体上への活性層の成長では、以下の条件が好ましい。井戸層のためのInGaN膜11では、成膜温度T1は摂氏650度以上であることができ、これによって良好な発光特性を得ることができる。成膜温度T1は摂氏800度以下であることができ、これによって必要なIn組成を得ることができる。また、障壁層のためのInGaN膜11では、成膜温度T3は摂氏780度以上であることができ、これによって良質な結晶が得られる。成膜温度T3は摂氏900度以下であることができ、これによって井戸層の結晶品質の劣化が避けられる。この温度範囲によれば、高In組成を有する非極性InGaN層が提供される。
図2の工程フロー100bを参照すると、工程S120では、活性層上にp側の光ガイド層を成長する。この光ガイド層は、例えばアンドープIn0.06Ga0.94Nからなることができる。成長温度は、例えば摂氏820度であることができる。p型InGaNの膜厚は、例えば50nmであることができる。この光ガイド層の成長温度の範囲は、例えば摂氏750度以上であることができ、また摂氏900度以下でることができる。必要な場合には、工程S120において、InGaN層上にアンドープGaN層を成長することができる。成長温度は、例えば摂氏820度であることができる。
工程S121では、p側の光ガイド層上に、p型窒化ガリウム系半導体領域を成長する。このp型窒化ガリウム系半導体領域の成長における工程S122において、例えばp型窒化ガリウム系半導体電子ブロック層を成長する。電子ブロック層は、例えばp型Al0.18Ga0.82Nからなることができ、その成長温度は、例えば摂氏1050度であることができる。p型AlGaNにはマグネシウムが添加されている。p型AlGaNの膜厚は、例えば20nmであることができる。
工程S123において、例えば電子ブロック層上にp型窒化ガリウム系半導体クラッド層を成長する。クラッド層は、例えばp型Al0.06Ga0.94Nからなることができ、その成長温度は、例えば摂氏1050度であることができる。p型AlGaNにはマグネシウムが添加されている。p型AlGaNの膜厚は、例えば400nmであることができる。
工程S124において、例えばクラッド層上にp型窒化ガリウム系半導体コンタクト層を成長する。コンタクト層は、例えばp型GaNからなることができ、その成長温度は、例えば摂氏1050度であることができる。p型GaNにはマグネシウムが添加されている。p型GaNの膜厚は、例えば50nmであることができる。
これらの工程によって、ウエハ上に成長された複数の窒化ガリウム系半導体エピタキシャル膜を含むエピタキシャルウエハEが形成される。エピタキシャルウエハEは、第1導電型窒化ガリウム系半導体ウエハ31、第1導電型窒化ガリウム系半導体領域33、光ガイド層37、優れたIn組成均一性を有する井戸層を含む活性層41、光ガイド層51、53、第2導電型窒化ガリウム系半導体領域55を含む。第1導電型窒化ガリウム系半導体領域33は、例えばn型クラッド層35a及びn型GaN層35bを含む。第2導電型窒化ガリウム系半導体領域55は、例えばp型電子ブロック層57a、p型クラッド層57b及びp型コンタクト層57cを含む。
活性層41は、交互に配置された井戸層43a及び障壁層43bを含む多重量子井戸構造を有することができる。井戸層43aは、InGaN積層45からなり、InGaN積層45は、実質的に同一のIn組成の複数のInGaN薄膜45a、45b、45cからなる。個々のInGaN薄膜45a、45b、45cの厚さは、例えば0.3nm〜3.0nmの範囲にあることが好ましい。これによって、In組成の均一性が改善されるように、個々の薄膜45a、45b、45cを成長できる。InGaN井戸層のインジウム組成分布における最大値及び最小値は、インジウム組成分布の平均値の−15%〜+15%の範囲に入る。また、障壁層43bは、InGaN積層47からなり、InGaN積層47は、実質的に同一のIn組成の複数のInGaN薄膜49a、49bからなる。この量子井戸構造の活性層は、半値全幅40nm以下のフォトルミネッセンスを示す。InGaN膜の組成均一性が向上されているので、半値全幅がレーザ発振に好適な程度に縮小される。このエピタキシャルウエハEは、490nm以上の発振波長といった長波長のレーザ発振を提供する活性層を含むIII族窒化物半導体レーザに用いられる。
再び図2を参照しながら、エピタキシャルウエハEを用いてIII族窒化物半導体レーザを作製する方法を説明する。工程S125では電極を形成する。電極の形成に先立って、レーザストライプのためのリッジ構造をエピタキシャルウエハEに形成する。リッジ幅は例えば1.5μmであり、リッジの深さは例えば500nmである。次いで、リッジ構造上にコンタクト窓を有する絶縁膜を形成する。絶縁膜は、例えばシリコン酸化物(例えばSiO2)等からなることができる。コンタクト層及び絶縁膜上に第1の電極(例えば、アノード)を形成する。エピタキシャルウエハEの裏面を研削して、基板生産物を形成する。裏面研削の後に、レーザバーの裏面上に第2の電極(例えば、カソード)を形成する。次いで合金化アニールの処理を行う。基板生産物の劈開によりレーザバーを形成する。共振器長は、例えば600μmである。この後に、端面反射膜の形成を行う。さらに、チップ分離を行った後に、電気的な特性を評価するために、レーザチップをパッケージに収納した。
図6は、作製されたIII族窒化物半導体レーザの構造の一例を示す図面である。III族窒化物半導体レーザLDは、第1導電型窒化ガリウム系半導体支持基体61、第1導電型窒化ガリウム系半導体領域63、光ガイド層67、優れたIn組成均一性を有する井戸層を含む活性層71、光ガイド層81、83、第2導電型窒化ガリウム系半導体領域85を含む。第1導電型窒化ガリウム系半導体領域63、光ガイド層67、優れたIn組成均一性を有する井戸層を含む活性層71、光ガイド層81、83、第2導電型窒化ガリウム系半導体領域85は、支持基体61の主面61a上に搭載されている。第1導電型窒化ガリウム系半導体領域63は、例えばn型クラッド層65a及びn型GaN層65bを含む。第2導電型窒化ガリウム系半導体領域85は、例えばp型電子ブロック層87a、p型クラッド層87b及びp型コンタクト層87cを含む。第1の電極89aが、絶縁膜91のコンタクト窓を介してコンタクト層87cに接続されている。第2の電極89bが、支持基体61の裏面61bに接続されている。
活性層71の井戸層73aは、実質的に同一のIn組成の複数のInGaN薄膜75a、75b、75cからなる。個々の薄膜75a、75b、75cのIn組成の均一性は改善されている。InGaN井戸層のインジウム組成は例えば0.24以上である。InGaN井戸層のインジウム組成分布における最大値及び最小値は、インジウム組成分布の平均値の−15%〜+15%の範囲に入る。障壁層73bのInGaN積層77は、実質的に同一のIn組成の複数のInGaN薄膜79、79bからなる。この量子井戸構造の活性層は、半値全幅40nm以下のフォトルミネッセンススペクトルを示す。InGaN膜の組成均一性が向上されているので、半値全幅がレーザ発振に好適な程度に縮小される。半値全幅が縮小されたということは、490nm以上の発振波長といった長波長のレーザ発振に先立って、半導体レーザが発生するLEDモードの光のスペクトルも狭くなる。これ故に、印加される電流が、効率的にレーザ発振を引き起こすことができる。
(実施例1)
活性層の形成を除いて、c面GaNウエハを用いて上記の実施の形態と同様にIII族窒化物半導体レーザを作製した。成長炉の温度は、サセプタの抵抗加熱ヒータを用いて変更された。図7は、実施例1のIII族窒化物半導体レーザの活性層を形成する際の主要な工程を示す図面である。有機金属気相成長法を用いて、工程S207では、図7に示される製造方法に従って活性層を作製した。摂氏700度で厚さ3nmのIn0.30Ga0.70N井戸層を作製した後に、工程S209でIn0.06Ga0.94N障壁層を成長した。まず、工程S210で、摂氏700度において厚さ1nmのIn0.06Ga0.94N薄膜を成長した。この薄膜成長の後に、工程S211では、TMIn及びNH3を成長炉に供給しながら、摂氏850度の温度に成長炉の温度を2分間かけて変更した。工程S212では、摂氏850度の温度に成長炉の温度を1分間保持した。保持の後に、工程S213では、TMG、TMIn及びNH3を成長炉に供給して摂氏850度において厚さ14nmのIn0.06Ga0.94N薄膜を成長した。この結果、15nmのIn0.06Ga0.94N障壁層が成長された。この昇温及び保持において、[NH3]/[TMIn]=10000を用いた。In0.06Ga0.94N障壁層を成長した後に、工程S214では、NH3を成長炉に供給しながら、摂氏700度の温度に成長炉の温度を2分間かけて変更した。工程S208では、摂氏700度で厚さ3nmのIn0.30Ga0.70N井戸層を作製した。工程S215では、これらの工程を繰り返して、3層の井戸層及び4層の障壁層を交互に成長した。
活性層の形成を除いて、c面GaNウエハを用いて上記の実施の形態と同様にIII族窒化物半導体レーザを作製した。成長炉の温度は、サセプタの抵抗加熱ヒータを用いて変更された。図7は、実施例1のIII族窒化物半導体レーザの活性層を形成する際の主要な工程を示す図面である。有機金属気相成長法を用いて、工程S207では、図7に示される製造方法に従って活性層を作製した。摂氏700度で厚さ3nmのIn0.30Ga0.70N井戸層を作製した後に、工程S209でIn0.06Ga0.94N障壁層を成長した。まず、工程S210で、摂氏700度において厚さ1nmのIn0.06Ga0.94N薄膜を成長した。この薄膜成長の後に、工程S211では、TMIn及びNH3を成長炉に供給しながら、摂氏850度の温度に成長炉の温度を2分間かけて変更した。工程S212では、摂氏850度の温度に成長炉の温度を1分間保持した。保持の後に、工程S213では、TMG、TMIn及びNH3を成長炉に供給して摂氏850度において厚さ14nmのIn0.06Ga0.94N薄膜を成長した。この結果、15nmのIn0.06Ga0.94N障壁層が成長された。この昇温及び保持において、[NH3]/[TMIn]=10000を用いた。In0.06Ga0.94N障壁層を成長した後に、工程S214では、NH3を成長炉に供給しながら、摂氏700度の温度に成長炉の温度を2分間かけて変更した。工程S208では、摂氏700度で厚さ3nmのIn0.30Ga0.70N井戸層を作製した。工程S215では、これらの工程を繰り返して、3層の井戸層及び4層の障壁層を交互に成長した。
エピタキシャルウエハにおいて、波長405nmの励起レーザ光を用いてフォトルミネッセンス(PL)スペクトルを測定した。ピークPL波長は、570nmであり、半値全幅は38nmであった。実施の形態と同様にして、リッジ構造の半導体レーザを作製した。この半導体レーザの閾値電流密度Ithは18kA/cm2であった。半導体レーザの発振波長は510nmであった。通電条件として、周期5マイクロ秒、及びデューティ0.5%が用いられた。
(実施例2)
活性層の形成を除いて、c面GaNウエハを用いて上記の実施の形態と同様にIII族窒化物半導体レーザを作製した。成長炉の温度の変更は、サセプタの加熱用赤外線ランプを用いて行われた。抵抗加熱ヒータでは、摂氏700度から摂氏850度への温度上昇及び逆の温度降下に、3〜5分程度の時間を要するけれども、赤外線ランプを用いると温度の上昇及び降下の各々を10秒から30秒で行うことができた。図8は、実施例2のIII族窒化物半導体レーザの活性層を形成する際の主要な工程を示す図面である。活性層の成長を工程S308で行った。まず、工程S310で、摂氏700度において厚さ1nmのIn0.30Ga0.70N薄膜を成長した。この薄膜成長の後に、工程S311では、TMIn及びNH3を成長炉に供給しながら、摂氏850度の温度に成長炉の温度を約10秒間かけて変更した。工程S312では、摂氏850度の温度に成長炉の温度を約10秒間一定に保った。保持の後に、工程S313では、TMIn及びNH3を成長炉に供給しながら、摂氏700度の温度に成長炉の温度を約15秒間かけて変更した。この昇温及び保持において、[NH3]/[TMIn]=10000を用いた。工程S314では、上記の薄膜成長、昇温、熱処理及び降温の2回の繰り返しを行って2層のIn0.30Ga0.70N薄膜を成長した。In0.30Ga0.70N薄膜各々の厚さは1nmであった。この結果、3nmのIn0.30Ga0.70N井戸層が成長された。工程S309では、TMG、TMIn及びNH3を成長炉に供給して摂氏850度においてIn0.06Ga0.94N障壁層を成長した。工程S315では、これらの工程を繰り返して、3層の井戸層及び4層の障壁層を交互に成長した。
活性層の形成を除いて、c面GaNウエハを用いて上記の実施の形態と同様にIII族窒化物半導体レーザを作製した。成長炉の温度の変更は、サセプタの加熱用赤外線ランプを用いて行われた。抵抗加熱ヒータでは、摂氏700度から摂氏850度への温度上昇及び逆の温度降下に、3〜5分程度の時間を要するけれども、赤外線ランプを用いると温度の上昇及び降下の各々を10秒から30秒で行うことができた。図8は、実施例2のIII族窒化物半導体レーザの活性層を形成する際の主要な工程を示す図面である。活性層の成長を工程S308で行った。まず、工程S310で、摂氏700度において厚さ1nmのIn0.30Ga0.70N薄膜を成長した。この薄膜成長の後に、工程S311では、TMIn及びNH3を成長炉に供給しながら、摂氏850度の温度に成長炉の温度を約10秒間かけて変更した。工程S312では、摂氏850度の温度に成長炉の温度を約10秒間一定に保った。保持の後に、工程S313では、TMIn及びNH3を成長炉に供給しながら、摂氏700度の温度に成長炉の温度を約15秒間かけて変更した。この昇温及び保持において、[NH3]/[TMIn]=10000を用いた。工程S314では、上記の薄膜成長、昇温、熱処理及び降温の2回の繰り返しを行って2層のIn0.30Ga0.70N薄膜を成長した。In0.30Ga0.70N薄膜各々の厚さは1nmであった。この結果、3nmのIn0.30Ga0.70N井戸層が成長された。工程S309では、TMG、TMIn及びNH3を成長炉に供給して摂氏850度においてIn0.06Ga0.94N障壁層を成長した。工程S315では、これらの工程を繰り返して、3層の井戸層及び4層の障壁層を交互に成長した。
エピタキシャルウエハにおいて、波長405nmの励起レーザ光を用いてPLスペクトルを測定した。ピークPL波長は、570nmであり、半値全幅は35nmであった。実施の形態と同様にして、リッジ構造の半導体レーザを作製した。この半導体レーザの閾値電流密度Ithは15kA/cm2であった。半導体レーザの発振波長は510nmであった。
(実施例3)
活性層の形成を除いて、a軸の方向にc面から21度の角度で傾斜した半極性面GaNウエハを用いて上記の実施の形態と同様にIII族窒化物半導体レーザを作製した。成長炉の温度は、サセプタの加熱用赤外線ランプを用いて変更された。図9は、実施例3のIII族窒化物半導体レーザの活性層を形成する際の主要な工程を示す図面である。工程S407で活性層が形成された。まず、工程S410で、摂氏670度において厚さ1nmのIn0.30Ga0.70N薄膜を成長した。この薄膜成長の後に、工程S411では、TMIn及びNH3を成長炉に供給しながら、摂氏850度の温度に成長炉の温度を約10秒間かけて変更した。工程412では、摂氏850度の温度に成長炉の温度を約10秒間一定に保った。保持の後に、工程S413では、TMIn及びNH3を成長炉に供給しながら、摂氏670度の温度に成長炉の温度を約15秒間かけて変更した。この昇温及び保持において、[NH3]/[TMIn]=10000を用いた。工程S414では、上記の薄膜成長、昇温、熱処理及び降温の2回の繰り返しを行って2層のIn0.30Ga0.70N薄膜を成長した。In0.30Ga0.70N薄膜各々の厚さは1nmであった。この結果、3nmのIn0.30Ga0.70N井戸層が成長された。工程S409では、TMG、TMIn及びNH3を成長炉に供給して摂氏820度においてIn0.06Ga0.94N障壁層を成長した。工程S415では、これらの工程を繰り返して、3層の井戸層及び4層の障壁層を交互に成長した。
活性層の形成を除いて、a軸の方向にc面から21度の角度で傾斜した半極性面GaNウエハを用いて上記の実施の形態と同様にIII族窒化物半導体レーザを作製した。成長炉の温度は、サセプタの加熱用赤外線ランプを用いて変更された。図9は、実施例3のIII族窒化物半導体レーザの活性層を形成する際の主要な工程を示す図面である。工程S407で活性層が形成された。まず、工程S410で、摂氏670度において厚さ1nmのIn0.30Ga0.70N薄膜を成長した。この薄膜成長の後に、工程S411では、TMIn及びNH3を成長炉に供給しながら、摂氏850度の温度に成長炉の温度を約10秒間かけて変更した。工程412では、摂氏850度の温度に成長炉の温度を約10秒間一定に保った。保持の後に、工程S413では、TMIn及びNH3を成長炉に供給しながら、摂氏670度の温度に成長炉の温度を約15秒間かけて変更した。この昇温及び保持において、[NH3]/[TMIn]=10000を用いた。工程S414では、上記の薄膜成長、昇温、熱処理及び降温の2回の繰り返しを行って2層のIn0.30Ga0.70N薄膜を成長した。In0.30Ga0.70N薄膜各々の厚さは1nmであった。この結果、3nmのIn0.30Ga0.70N井戸層が成長された。工程S409では、TMG、TMIn及びNH3を成長炉に供給して摂氏820度においてIn0.06Ga0.94N障壁層を成長した。工程S415では、これらの工程を繰り返して、3層の井戸層及び4層の障壁層を交互に成長した。
エピタキシャルウエハにおいて、波長405nmの励起レーザ光を用いてPLスペクトルを測定した。ピークPL波長は、570nmであり、半値全幅は35nmであった。m面劈開を用いて、実施の形態と同様にしてリッジ構造の半導体レーザを作製した。この半導体レーザの閾値電流密度Ithは15kA/cm2であった。半導体レーザの発振波長は510nmであった。
(実施例4)
活性層の形成を除いて、a軸の方向にc面から21度の角度で傾斜した半極性面GaNウエハを用いて上記の実施の形態と同様にIII族窒化物半導体レーザを作製した。成長炉の温度は、サセプタの加熱用赤外線ランプを用いて変更された。図10は、実施例4のIII族窒化物半導体レーザの活性層を形成する際の主要な工程を示す図面である。工程S507で活性層を形成した。実施例4は、実施例1〜3と以下の点で異なる。それは、InGaN井戸層が厚さ1.8nmを有し、インジウム組成は0.32を有する。まず、工程S510で、摂氏660度において厚さ1nmのIn0.32Ga0.68N薄膜を成長した。この薄膜成長の後に、工程S511では、TMIn及びNH3を成長炉に供給しながら、摂氏850度の温度に成長炉の温度を約10秒間かけて変更した。工程512では、摂氏850度の温度に成長炉の温度を約10秒間一定に保った。保持の後に、工程S513では、TMIn及びNH3を成長炉に供給しながら、摂氏660度の温度に成長炉の温度を約15秒間かけて変更した。この昇温及び保持において、[NH3]/[TMIn]=10000を用いた。工程S514では、上記の薄膜成長、昇温、熱処理及び降温の1回を行って2層のIn0.30Ga0.70N薄膜を成長した。この結果、1.8nmのIn0.32Ga0.68N井戸層が成長された。工程S509では、TMG、TMIn及びNH3を成長炉に供給して摂氏820度においてIn0.06Ga0.94N障壁層を成長した。工程S415では、これらの工程を繰り返して、3層の井戸層及び4層の障壁層を交互に成長した。
活性層の形成を除いて、a軸の方向にc面から21度の角度で傾斜した半極性面GaNウエハを用いて上記の実施の形態と同様にIII族窒化物半導体レーザを作製した。成長炉の温度は、サセプタの加熱用赤外線ランプを用いて変更された。図10は、実施例4のIII族窒化物半導体レーザの活性層を形成する際の主要な工程を示す図面である。工程S507で活性層を形成した。実施例4は、実施例1〜3と以下の点で異なる。それは、InGaN井戸層が厚さ1.8nmを有し、インジウム組成は0.32を有する。まず、工程S510で、摂氏660度において厚さ1nmのIn0.32Ga0.68N薄膜を成長した。この薄膜成長の後に、工程S511では、TMIn及びNH3を成長炉に供給しながら、摂氏850度の温度に成長炉の温度を約10秒間かけて変更した。工程512では、摂氏850度の温度に成長炉の温度を約10秒間一定に保った。保持の後に、工程S513では、TMIn及びNH3を成長炉に供給しながら、摂氏660度の温度に成長炉の温度を約15秒間かけて変更した。この昇温及び保持において、[NH3]/[TMIn]=10000を用いた。工程S514では、上記の薄膜成長、昇温、熱処理及び降温の1回を行って2層のIn0.30Ga0.70N薄膜を成長した。この結果、1.8nmのIn0.32Ga0.68N井戸層が成長された。工程S509では、TMG、TMIn及びNH3を成長炉に供給して摂氏820度においてIn0.06Ga0.94N障壁層を成長した。工程S415では、これらの工程を繰り返して、3層の井戸層及び4層の障壁層を交互に成長した。
エピタキシャルウエハにおいて、波長405nmの励起レーザ光を用いてPLスペクトルを測定した。ピークPL波長は、570nmであり、半値全幅は35nmであった。m面劈開を用いて、実施の形態と同様にしてリッジ構造の半導体レーザを作製した。この半導体レーザの閾値電流密度Ithは10kA/cm2であった。半導体レーザの発振波長は510nmであった。基板の主面がc面から大きく傾斜しており、また井戸層の厚さが薄いので、レーザ光の主偏光方向をa軸方向とすることができる。
(実施例5)
活性層の形成を除いて、a軸の方向にc面から21度の角度で傾斜した半極性面GaNウエハを用いて上記の実施の形態と同様にIII族窒化物半導体レーザを作製した。成長炉の温度は、サセプタの加熱用赤外線ランプを用いて変更された。図11は、実施例5のIII族窒化物半導体レーザの活性層を形成する際の主要な工程を示す図面である。工程S607で活性層が成長された。窒素原料にアミン系ガスを用いたことにおいて、実施例5は実施例1〜4と異なる。アンモニアに比べて、アミン系ガスの分解効率は低温において高い。アミン系ガスとしてモノメチルアミンを用いた。モノメチルアミンガスは、井戸層の成長にアンモニアと共に使用され、モノメチルアミン/アンモニアの供給比率は、モル比で10%であった。解離平行定数を考慮すると、摂氏500度でアンモニアの100万倍の活性窒素(NH2)を供給すると期待される。
活性層の形成を除いて、a軸の方向にc面から21度の角度で傾斜した半極性面GaNウエハを用いて上記の実施の形態と同様にIII族窒化物半導体レーザを作製した。成長炉の温度は、サセプタの加熱用赤外線ランプを用いて変更された。図11は、実施例5のIII族窒化物半導体レーザの活性層を形成する際の主要な工程を示す図面である。工程S607で活性層が成長された。窒素原料にアミン系ガスを用いたことにおいて、実施例5は実施例1〜4と異なる。アンモニアに比べて、アミン系ガスの分解効率は低温において高い。アミン系ガスとしてモノメチルアミンを用いた。モノメチルアミンガスは、井戸層の成長にアンモニアと共に使用され、モノメチルアミン/アンモニアの供給比率は、モル比で10%であった。解離平行定数を考慮すると、摂氏500度でアンモニアの100万倍の活性窒素(NH2)を供給すると期待される。
まず、工程S610では、TMG、TMIn、NH3及びモノメチルアミンを成長炉に供給して、摂氏660度において厚さ1nmのIn0.32Ga0.68N薄膜を成長した。この薄膜成長の後に、工程S611では、TMIn、NH3及びモノメチルアミンを成長炉に供給しながら、摂氏850度の温度に成長炉の温度を約10秒間かけて変更した。工程612では、摂氏850度の温度に成長炉の温度を約10秒間一定に保った。保持の後に、工程S613では、TMIn、NH3及びモノメチルアミンを成長炉に供給しながら、摂氏660度の温度に成長炉の温度を約15秒間かけて変更した。この昇温及び保持において、[全窒素原料]/[TMIn]=10000を用いた。工程S614では、上記の薄膜成長、昇温、熱処理及び降温の1回を行って2層のIn0.30Ga0.70N薄膜を成長した。この結果、1.8nmのIn0.32Ga0.68N井戸層が成長された。工程S609では、TMG、TMIn及びNH3を成長炉に供給して摂氏820度においてIn0.06Ga0.94N障壁層を成長した。工程S415では、これらの工程を繰り返して、3層の井戸層及び4層の障壁層を交互に成長した。
エピタキシャルウエハにおいて、波長405nmの励起レーザ光を用いてPLスペクトルを測定した。ピークPL波長は530nmであり、半値全幅は32nmであった。m面劈開を用いて、実施の形態と同様にしてリッジ構造の半導体レーザを作製した。この半導体レーザの閾値電流密度Ithは7kA/cm2であった。
一方、実施例1〜5と別に、活性層の井戸層が単一の成膜で作製されたIII族窒化物半導体レーザ構造を作製した。活性層の成膜を除いて、c面GaNウエハを用いて上記の実施の形態と同様にIII族窒化物半導体レーザを作製した。
エピタキシャルウエハにおいて、波長405nmの励起レーザ光を用いてPLスペクトルを測定した。ピークPL波長は、570nmであり、半値全幅は50nmであった。この半導体レーザ構造は、電流密度20kA/cm2まで印加したけれども、レーザ発振を行わなかった。
以上説明した実施例では、InGaN薄膜として1nm程度の厚みを利用したけれども、本実施の形態は、このような特定の値に限定されるものではない。所望の井戸厚よりも薄いInGaN薄膜の複数回の成長と改質を利用することによって、高い均一性のIn組成を高いIn組成のInGaNに提供できる。
(実施例6)
上記の実施例のように作製されたInGaN井戸層のインジウム組成の分布を調べた。透過型電子顕微鏡(TEM−EDX)を用いて組成分析を行った。20nm間隔で100個の測定値を収集した。EDX測定は、事前にX線回折法で平均組成を求めたInGaN単層膜を用いて作成した構成データを用いて、点分析で行われた。この結果、InGaN井戸層のインジウム組成分布は、その最大値及び最小値を用いて(最大値−最小値)/(最大値+最小値)により計算したとき、インジウム組成分布の平均値の−15%〜+15%の範囲に入る。また、InGaN半導体のインジウム組成は、X線回折測定法により決定された。
上記の実施例のように作製されたInGaN井戸層のインジウム組成の分布を調べた。透過型電子顕微鏡(TEM−EDX)を用いて組成分析を行った。20nm間隔で100個の測定値を収集した。EDX測定は、事前にX線回折法で平均組成を求めたInGaN単層膜を用いて作成した構成データを用いて、点分析で行われた。この結果、InGaN井戸層のインジウム組成分布は、その最大値及び最小値を用いて(最大値−最小値)/(最大値+最小値)により計算したとき、インジウム組成分布の平均値の−15%〜+15%の範囲に入る。また、InGaN半導体のインジウム組成は、X線回折測定法により決定された。
発明者は、上記の実施例とは異なる様々な実験を行った。これらの実験から、複数のInGaN薄膜の積層からなるInGaN井戸層を含む活性層において、このPLスペクトルの半値全幅が40nm以下になるとき、レーザ発振が可能であると判断した。また、レーザ発振可能な活性層の井戸層では、InGaN井戸層のインジウム組成分布における最大値及び最小値は、インジウム組成分布の平均値の−15%〜+15%の範囲内にあった。
好適な実施の形態において本発明の原理を図示し説明してきたが、本発明は、そのような原理から逸脱することなく配置および詳細において変更され得ることは、当業者によって認識される。本発明は、本実施の形態に開示された特定の構成に限定されるものではない。したがって、特許請求の範囲およびその精神の範囲から来る全ての修正および変更に権利を請求する。
InGaN層のIn組成のゆらぎ(空間的な不均一)は、その成長温度が高いほど小さくなる。一方、インジウムは、成長温度が低くなるにつれてInGaNに取り込まれやすくなり、高いIn組成のInGaNを形成することが容易になる。以上説明したように、インジウムの取り込み量を増加できる低温においてInGaNを堆積すると共に、インジウム及び窒素を含む雰囲気中で高温の熱処置を行って、In組成のゆらぎを低減する。このゆらぎ低減は、薄いInGaNにおいて行うことが好適である。これ故に、InGaN薄膜の成長と熱処理によるIn組成の均一性の改良とを繰り返して、所望の厚さのInGaN層を形成する。複数のInGaN薄膜の積層からなる井戸層及び障壁層では、In組成のゆらぎが低減されており、これよって活性層のPLスペクトルの半値全幅が改善される。例えば、活性層の同一井戸層におけるIn組成のゆらぎが15%程度まで低減される。一方、単一の成長で作製されたInGaN井戸層のIn組成のゆらぎは15%を越える20%程度まで増加する。
特に、490nm以上の発振波長のIII族窒化物半導体レーザでは、大きなインジウム組成(0.24以上の組成)の井戸層が必要である。本実施の形態では、In組成のゆらぎが、井戸層の構成するInGaN薄膜毎に低減されているので、井戸層の全体にわたってもIn組成のゆらぎが小さい。この結果、活性層は、40nm以下のPLスペクトルの半値全幅を有するように設けられる。
窒化ガリウム系半導体レーザの発振には、小さい半値全幅のPLスペクトルの井戸層が求められている。発明者らの知見によれば、長波長の発振波長を得るためには、大きなインジウム組成の井戸層が必要である。このような井戸層の成長は低温で行う必要があり、この結果、In組成のゆらぎが増大する。故に、短波長の窒化ガリウム系半導体レーザのように小さいPLスペクトル半値全幅の活性層を成長することは容易ではない。40nm以下のPLスペクトルの半値全幅を有する活性層では、20kA/cm2までの印加電流の範囲でレーザ発振が観測された。
11、15a、15b…InGaN膜、17、19a、19b…InGaN膜、E…エピタキシャルウエハ、31…第1導電型窒化ガリウム系半導体ウエハ、33…第1導電型窒化ガリウム系半導体領域、37…光ガイド層、41…活性層、43a…井戸層、43b…障壁層、51、53…光ガイド層、55…第2導電型窒化ガリウム系半導体領域、35a…n型クラッド層、35b…n型GaN層、57a…p型電子ブロック層、57b…p型クラッド層、57c…p型コンタクト層、45…InGaN積層、45a、45b、45c…InGaN薄膜、47…InGaN積層、49a、49b…InGaN薄膜、LD…III族窒化物半導体レーザ、61…第1導電型窒化ガリウム系半導体支持基体、63…第1導電型窒化ガリウム系半導体領域、67…光ガイド層、71…活性層、81、83…光ガイド層、85…第2導電型窒化ガリウム系半導体領域、65a…n型クラッド層、65b…n型GaN層、73a…井戸層、73b…障壁層、75a、75b、75c…InGaN薄膜、77…InGaN積層、79、79b…InGaN薄膜、87a…p型電子ブロック層、87b…p型クラッド層、87c…p型コンタクト層、89a…第1の電極、89b…第2の電極
Claims (20)
- 窒化物半導体レーザを作製する方法であって、
第1の膜厚を有しており活性層のための第1のInGaN膜を窒化ガリウム系半導体領域上に形成する工程を備え、
前記第1のInGaN膜を形成する前記工程は、
第1のガリウム原料、第1のインジウム原料及び第1の窒素原料を成長炉に供給して、前記InGaN膜の形成ために、第1の温度で前記第1の膜厚より薄いInGaNの堆積を行う工程と、
第2のインジウム原料及び第2の窒素原料を前記成長炉に供給しながら、前記第1の温度より高い第2の温度で前記InGaNの熱処理を行う工程と、
前記熱処理の後に、少なくとも一回のInGaN堆積を行って前記第1のInGaN膜を形成する工程と
を含む、ことを特徴とする方法。 - 前記インジウム原料は有機金属である、ことを特徴とする請求項1に記載された方法。
- 前記第2の窒素原料はアンモニア及びアミン類窒素原料の少なくともいずれかを含む、ことを特徴とする請求項1または請求項2に記載された方法。
- 前記第1のInGaN膜は、前記活性層の井戸層及び障壁層のいずれか一方である、ことを特徴とする請求項1〜請求項3のいずれか一項に記載された方法。
- 前記第1のInGaN膜は前記活性層の井戸層であり、
前記少なくとも一回のInGaN堆積を行って前記第1のInGaN膜を形成する前記工程では、前記第1の膜厚のInGaNの堆積が完了するまで、前記InGaNの堆積及び前記InGaNの熱処理が繰り返される、ことを特徴とする請求項1〜請求項4のいずれか一項に記載された方法。 - 前記第1のInGaN膜は前記活性層の井戸層であり、
前記第1のInGaN膜のインジウム組成は0.25以上であり、
前記第1のInGaN膜のインジウム組成は0.35以下である、ことを特徴とする請求項1〜請求項5のいずれか一項に記載された方法。 - 前記第1のInGaN膜は前記活性層の障壁層であり、
前記第1のInGaN膜のインジウム組成は0.02以上であり、
前記第1のInGaN膜のインジウム組成は0.08以下である、ことを特徴とする請求項1〜請求項4のいずれか一項に記載された方法。 - 第2の膜厚を有しており前記活性層のための第2のInGaN膜を形成する工程を更に備え、
前記第1及び第2のInGaN膜の一方は、前記第1及び第2のInGaN膜の他方上に形成され、
前記第2のInGaN膜を形成する前記工程は、
第3のガリウム原料、第3のインジウム原料及び第3の窒素原料を成長炉に供給して、前記InGaN膜の形成ために、第3の温度で前記第2の膜厚より薄いInGaNの堆積を行う工程と、
前記InGaNを堆積した後に、第4のインジウム原料及び第4の窒素原料を前記成長炉に供給しながら、前記第3の温度より大きな第4の温度で熱処理を行う工程と、
前記少なくとも一回のInGaN堆積及び前記熱処理を前記第2の膜厚の堆積が完了するまで行って、前記第2のInGaN膜を形成する工程と
を含み、
前記第1及び第2のInGaN膜の一方は前記活性層の井戸層のために形成され、
前記第1及び第2のInGaN膜の他方は前記活性層の障壁層のために形成される、ことを特徴とする請求項1〜請求項7のいずれか一項に記載された方法。 - 六方晶系材料からなるウエハを準備する工程を更に備え、
前記ウエハの主面は、前記六方晶系材料のc面から15度以上30度以下の角度で傾斜している、ことを特徴とする請求項1〜請求項8のいずれか一項に記載された方法。 - 前記第1のInGaN膜は、前記活性層の井戸層のために形成され、
前記第1の温度は、摂氏630度以上であり、摂氏780度以下である、ことを特徴とする請求項9に記載された方法。 - 六方晶系材料からなるウエハを準備する工程を更に備え、
前記ウエハの主面は前記六方晶系材料の極性面である、ことを特徴とする請求項1〜請求項8のいずれか一項に記載された方法。 - 前記第1のInGaN膜は、前記活性層の井戸層のために形成され、
前記第1の温度は、摂氏680度以上であり、摂氏830度以下である、ことを特徴とする請求項11に記載された方法。 - 六方晶系材料からなるウエハを準備する工程を更に備え、
前記ウエハの主面は前記六方晶系材料の非極性面である、ことを特徴とする請求項1〜請求項8のいずれか一項に記載された方法。 - 前記第1のInGaN膜は、前記活性層の井戸層のために形成され、
前記第1の温度は、摂氏650度以上であり、摂氏800度以下である、ことを特徴とする請求項13に記載された方法。 - 前記活性層は量子井戸構造を有しており、
前記活性層のフォトルミネッセンスの半値全幅は40nm以下である、請求項1〜請求項14のいずれか一項に記載された方法。 - 前記III族窒化物半導体レーザの発振波長は490nm以上である、ことを特徴とする請求項1〜請求項15のいずれか一項に記載された方法。
- 窒化物半導体レーザ用のエピタキシャルウエハを作製する方法であって、
ウエハ上に第1導電型窒化ガリウム系半導体領域を形成する工程と、
前記第1導電型窒化ガリウム系半導体領域を形成した後に、所定の膜厚を有しており活性層のためのInGaN膜をウエハ上に形成する工程と、
前記活性層を形成した後に、第2導電型窒化ガリウム系半導体領域を形成する工程と
を備え、
前記InGaN膜を形成する前記工程は、
第1のガリウム原料、第1のインジウム原料及び第1の窒素原料を成長炉に供給して、前記InGaN膜の形成ために、第1の温度で前記第1の膜厚より薄いInGaNの堆積を行う工程と、
第2のインジウム原料及び第2の窒素原料を前記成長炉に供給しながら、前記第1の温度より高い第2の温度で前記InGaNの熱処理を行う工程と、
前記熱処理の後に、少なくとも一回のInGaN堆積を行って前記InGaN膜を形成する工程と
を含む、ことを特徴とする方法。 - 前記InGaN膜は前記活性層の井戸層であり、
前記少なくとも一回のInGaN堆積を行って前記InGaN膜を形成する前記工程では、前記第1の膜厚のInGaNの堆積が完了するまで、前記InGaNの堆積及び前記InGaNの熱処理が繰り返される、ことを特徴とする請求項17に記載された方法。 - 第1導電型III族窒化物半導体層と、
第2導電型III族窒化物半導体層と、
複数のInXGa1−XN井戸層と複数の障壁層とを有する活性層と
を備え、
前記活性層は、前記第1導電型III族窒化物半導体層と前記第2導電型III族窒化物半導体層との間に設けられ、
前記InXGa1−XN井戸層のインジウム組成Xは0.24以上であり、
前記InXGa1−XN井戸層のインジウム組成分布における最大値及び最小値は、前記インジウム組成分布の平均値の−15%〜+15%の範囲にある、ことを特徴とするIII族窒化物半導体レーザ。 - 前記井戸層は、複数のInXGa1−XN薄膜の積層を含み、
各InXGa1−XN薄膜のインジウム組成は互いに実質的に同じである、ことを特徴とする請求項19に記載されたIII族窒化物半導体レーザ。
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