JP3282174B2 - 窒化物半導体発光素子 - Google Patents
窒化物半導体発光素子Info
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- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
- Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明はＬＥＤ（発光ダイオ
ード）、ＬＤ（レーザダイオード）等の発光素子、ある
いは太陽電池、光センサー等の受光素子に使用される窒
化物半導体（ＩｎＸＡｌＹＧａ１−Ｘ−ＹＮ、０≦X、
０≦Y、X＋Y≦１）よりなる素子に関する。
ード）、ＬＤ（レーザダイオード）等の発光素子、ある
いは太陽電池、光センサー等の受光素子に使用される窒
化物半導体（ＩｎＸＡｌＹＧａ１−Ｘ−ＹＮ、０≦X、
０≦Y、X＋Y≦１）よりなる素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】窒化物半導体は高輝度青色ＬＥＤ、純緑
色ＬＥＤの材料として、フルカラーＬＥＤディスプレ
イ、交通信号等で最近実用化されたばかりである。ま
た、本出願人は、最近この材料を用いてパルス電流にお
いて、室温での４１０ｎｍのレーザ発振を発表した（例
えば、Jpn.J.Appl.Phys. Vol35 (1996) pp.L74-76）。
色ＬＥＤの材料として、フルカラーＬＥＤディスプレ
イ、交通信号等で最近実用化されたばかりである。ま
た、本出願人は、最近この材料を用いてパルス電流にお
いて、室温での４１０ｎｍのレーザ発振を発表した（例
えば、Jpn.J.Appl.Phys. Vol35 (1996) pp.L74-76）。
【０００３】図１に発表したレーザ素子の構造を示す。
このレーザ素子はサファイア基板の上にＧａＮバッファ
層、ｎ−ＧａＮ、ｎ−Ｉｎ０．１Ｇａ０．９Ｎ、ｎ−Ａ
ｌ０ ．１５Ｇａ０．８５Ｎ、ｎ−ＧａＮ、ＩｎＧａＮよ
りなる多重量子井戸構造（ＭＱＷ）の活性層、ｐ−Ａｌ
０．２Ｇａ０．８Ｎ、ｐ−ＧａＮ、ｐ−Ａｌ０．１５Ｇ
ａ０．８５Ｎ、ｐ−ＧａＮが順に積層されてなる電極ス
トライプ型のレーザ素子であり、最上層のｐ型ＧａＮに
はストライプ状のｐ電極、エッチングにより露出された
バッファ層の上のｎ−ＧａＮには同じくストライプ状の
ｎ電極が形成されている。このレーザ素子はパルス電流
（パルス幅２μｓ、パルス周期２ｍｓ）において、閾値
電流６１０ｍＡ、閾値電流密度８．７ｋＡ／cm２、閾値
電圧２１Ｖと、閾値での電流、電圧がか なり高い。室
温連続発振させるためには、この閾値電流が下がるよう
な、さらに発光効率の高い素子を実現する必要がある。
このレーザ素子はサファイア基板の上にＧａＮバッファ
層、ｎ−ＧａＮ、ｎ−Ｉｎ０．１Ｇａ０．９Ｎ、ｎ−Ａ
ｌ０ ．１５Ｇａ０．８５Ｎ、ｎ−ＧａＮ、ＩｎＧａＮよ
りなる多重量子井戸構造（ＭＱＷ）の活性層、ｐ−Ａｌ
０．２Ｇａ０．８Ｎ、ｐ−ＧａＮ、ｐ−Ａｌ０．１５Ｇ
ａ０．８５Ｎ、ｐ−ＧａＮが順に積層されてなる電極ス
トライプ型のレーザ素子であり、最上層のｐ型ＧａＮに
はストライプ状のｐ電極、エッチングにより露出された
バッファ層の上のｎ−ＧａＮには同じくストライプ状の
ｎ電極が形成されている。このレーザ素子はパルス電流
（パルス幅２μｓ、パルス周期２ｍｓ）において、閾値
電流６１０ｍＡ、閾値電流密度８．７ｋＡ／cm２、閾値
電圧２１Ｖと、閾値での電流、電圧がか なり高い。室
温連続発振させるためには、この閾値電流が下がるよう
な、さらに発光効率の高い素子を実現する必要がある。
【０００４】ところで、窒化物半導体よりなるＬＥＤ素
子については、例えば我々が先に提案した特開平６−２
６８２５９号公報のようなダブルへテロ構造が知られ、
実用化されているが、その他、例えば特開平７−３１２
４４５号公報に示されるようなダブルへテロ構造の発光
素子も示されている。この公報ではその実施例に基板の
上に高キャリア濃度のｎ＋層を成長させ、その上に低キ
ャリア濃度のｎ−層を成長させ、その上に活性層を成長
させることが開示されている。つまり、基板側からｎ
＋、ｎ−、活性層の順にすることが示されている。この
ようにダブルへテロ構造の半導体発光素子では、キャリ
ア濃度がｎ＋、ｎ−、活性層、ｐ−、ｐ＋、若しくはｐ
＋、ｐ−、活性層、ｎ−、ｎ＋の順となるように、半導
体層を積層すると、活性層へのキャリアの注入効率が向
上し発光効率が向上することが知られている。キャリア
濃度はドナー、アクセプターとなるドーパントのドープ
量を変えることにより調整できることも知られている。
子については、例えば我々が先に提案した特開平６−２
６８２５９号公報のようなダブルへテロ構造が知られ、
実用化されているが、その他、例えば特開平７−３１２
４４５号公報に示されるようなダブルへテロ構造の発光
素子も示されている。この公報ではその実施例に基板の
上に高キャリア濃度のｎ＋層を成長させ、その上に低キ
ャリア濃度のｎ−層を成長させ、その上に活性層を成長
させることが開示されている。つまり、基板側からｎ
＋、ｎ−、活性層の順にすることが示されている。この
ようにダブルへテロ構造の半導体発光素子では、キャリ
ア濃度がｎ＋、ｎ−、活性層、ｐ−、ｐ＋、若しくはｐ
＋、ｐ−、活性層、ｎ−、ｎ＋の順となるように、半導
体層を積層すると、活性層へのキャリアの注入効率が向
上し発光効率が向上することが知られている。キャリア
濃度はドナー、アクセプターとなるドーパントのドープ
量を変えることにより調整できることも知られている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】このように窒化物半導
体ではＬＥＤが実用化域に入っており、益々の光度向
上、長寿命が望まれ、ＬＤでは早期室温での連続発振が
望まれている。そのためには素子自体の構造を改良し
て、窒化物半導体よりなるデバイス自体を向上させる必
要がある。そのためには最も過酷な条件で使用されるレ
ーザ素子の閾値を低下させて、レーザ素子を連続発振さ
せることが、最もわかりやすい。従って本発明の目的と
するところは、主として窒化物半導体よりなるレーザ素
子の閾値を低下させて室温で長時間連続発振させること
により、信頼性が高く、効率に優れた窒化物半導体素子
を実現することにある。これを実現することにより、同
時にＬＥＤの発光効率を向上させ、太陽電池、光センサ
ー等の受光素子の効率も向上させることができる。その
ために本発明では、新規な窒化物半導体素子を提供す
る。
体ではＬＥＤが実用化域に入っており、益々の光度向
上、長寿命が望まれ、ＬＤでは早期室温での連続発振が
望まれている。そのためには素子自体の構造を改良し
て、窒化物半導体よりなるデバイス自体を向上させる必
要がある。そのためには最も過酷な条件で使用されるレ
ーザ素子の閾値を低下させて、レーザ素子を連続発振さ
せることが、最もわかりやすい。従って本発明の目的と
するところは、主として窒化物半導体よりなるレーザ素
子の閾値を低下させて室温で長時間連続発振させること
により、信頼性が高く、効率に優れた窒化物半導体素子
を実現することにある。これを実現することにより、同
時にＬＥＤの発光効率を向上させ、太陽電池、光センサ
ー等の受光素子の効率も向上させることができる。その
ために本発明では、新規な窒化物半導体素子を提供す
る。
【０００６】
【課題を解決するための手段】即ち、本発明者等は、従
来自らが提案した窒化物半導体素子の窒化物半導体層と
活性層との間に、窒化物半導体層との格子定数不整差が
±１０．７％以上且つ膜厚が５０Å以下の薄膜層（本発
明においては必ずしも層になっていなくてもよい）を設
けることで閾値を低下させることが可能となることを見
いだし、下記構成により本発明の目的を達成することが
できる。 （１） 窒化物半導体素子において、基板上に設けられ
た窒化物半導体層に接して、該窒化物半導体層との格子
定数不整差が±１０．７％以上且つ膜厚が５０Å以下の
薄膜層を形成してなり、更に該薄膜層に接して、少なく
ともインジウムを含有する窒化物半導体よりなる活性層
を形成してなることを特徴とする窒化物半導体素子。 （２） 前記薄膜層はＭｇＳ、ＭｇＳｅ、ＺｎＳ、Ｚｎ
Ｓｅ、ＣｄＳ、ＧａＰ、ＣｄＳｅ、ＩｎＰ、ＧａＡｓの
いずれかであることを特徴とする（１）に記載の窒化物
半導体素子。 （３） 前記薄膜層は少なくとも１種以上のＭｇ、Ｚ
ｎ、Ｃｄ、Ｇａ、Ｉｎからなる金属原子を含有している
窒化物半導体層であることを特徴とする（１）に記載の
窒化物半導体素子。
来自らが提案した窒化物半導体素子の窒化物半導体層と
活性層との間に、窒化物半導体層との格子定数不整差が
±１０．７％以上且つ膜厚が５０Å以下の薄膜層（本発
明においては必ずしも層になっていなくてもよい）を設
けることで閾値を低下させることが可能となることを見
いだし、下記構成により本発明の目的を達成することが
できる。 （１） 窒化物半導体素子において、基板上に設けられ
た窒化物半導体層に接して、該窒化物半導体層との格子
定数不整差が±１０．７％以上且つ膜厚が５０Å以下の
薄膜層を形成してなり、更に該薄膜層に接して、少なく
ともインジウムを含有する窒化物半導体よりなる活性層
を形成してなることを特徴とする窒化物半導体素子。 （２） 前記薄膜層はＭｇＳ、ＭｇＳｅ、ＺｎＳ、Ｚｎ
Ｓｅ、ＣｄＳ、ＧａＰ、ＣｄＳｅ、ＩｎＰ、ＧａＡｓの
いずれかであることを特徴とする（１）に記載の窒化物
半導体素子。 （３） 前記薄膜層は少なくとも１種以上のＭｇ、Ｚ
ｎ、Ｃｄ、Ｇａ、Ｉｎからなる金属原子を含有している
窒化物半導体層であることを特徴とする（１）に記載の
窒化物半導体素子。
【０００７】
【発明の実施の形態】つまり、本発明は、格子定数不整
差±１０．７％以上の薄膜層を設け更に前記薄膜層に接
して活性層を形成することにより、活性層が量子井戸構
造、量子ディスク構造、量子ワイヤー又は量子ドット構
造となり、出力が大幅に向上するものである。このよう
に、活性層が量子井戸構造、量子ディスク構造、量子ワ
イヤー又は量子ドット構造となることの詳細は不明であ
るが、恐らく窒化物層の格子定数に対し薄膜層の格子定
数が±１０．７％以上ずれているために、窒化物層に接
して形成された薄膜層が格子不整合による格子歪みによ
り膜厚が不均一となり、この不均一膜となった薄膜層に
接して活性層を形成させると、活性層が不均一成長する
ことによると考えられる。
差±１０．７％以上の薄膜層を設け更に前記薄膜層に接
して活性層を形成することにより、活性層が量子井戸構
造、量子ディスク構造、量子ワイヤー又は量子ドット構
造となり、出力が大幅に向上するものである。このよう
に、活性層が量子井戸構造、量子ディスク構造、量子ワ
イヤー又は量子ドット構造となることの詳細は不明であ
るが、恐らく窒化物層の格子定数に対し薄膜層の格子定
数が±１０．７％以上ずれているために、窒化物層に接
して形成された薄膜層が格子不整合による格子歪みによ
り膜厚が不均一となり、この不均一膜となった薄膜層に
接して活性層を形成させると、活性層が不均一成長する
ことによると考えられる。
【０００８】本発明において、格子定数不整差±１０．
７％以上の薄膜層が形成される窒化物半導体層とは、基
板から活性層の間に設けられた層であり、ｎ型の窒化物
半導体層が好ましく、また場合によってはｐ型層でもか
まわない。このような窒化物半導体層としては特に限定
されないが、ＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ、Ｉｎ
Ｎ、ＡｌＮ等の３元混晶もしくは２元混晶の半導体が結
晶性がよく好ましい。これらの格子定数は、４．３０Å
〜４．９８Åの範囲にある。
７％以上の薄膜層が形成される窒化物半導体層とは、基
板から活性層の間に設けられた層であり、ｎ型の窒化物
半導体層が好ましく、また場合によってはｐ型層でもか
まわない。このような窒化物半導体層としては特に限定
されないが、ＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ、Ｉｎ
Ｎ、ＡｌＮ等の３元混晶もしくは２元混晶の半導体が結
晶性がよく好ましい。これらの格子定数は、４．３０Å
〜４．９８Åの範囲にある。
【０００９】本発明において、薄膜層は、薄膜層が接し
て形成される窒化物半導体層との格子定数不整差が±１
０．７％以上且つ膜厚が５０Å以下の層である。本発明
において、窒化物半導体層に対する薄膜層の格子定数不
整差が±１０．７％以上であると、薄膜層に大きな格子
歪みがかかり、この歪みエネルギーにより薄膜層が平坦
な二次元成長をせず、三次元状の島状成長となり、その
上に成長する活性層も島状あるいはドット状に成長し、
活性層を良好に量子井戸構造又は量子ドット構造に形成
できやすくなる。格子定数不整差の上限は、特に限定さ
れない。
て形成される窒化物半導体層との格子定数不整差が±１
０．７％以上且つ膜厚が５０Å以下の層である。本発明
において、窒化物半導体層に対する薄膜層の格子定数不
整差が±１０．７％以上であると、薄膜層に大きな格子
歪みがかかり、この歪みエネルギーにより薄膜層が平坦
な二次元成長をせず、三次元状の島状成長となり、その
上に成長する活性層も島状あるいはドット状に成長し、
活性層を良好に量子井戸構造又は量子ドット構造に形成
できやすくなる。格子定数不整差の上限は、特に限定さ
れない。
【００１０】本発明の薄膜層の膜厚は、５０Å以下であ
り、好ましい膜厚は４０Å以下、さらに好ましくは３０
Å以下、最も好ましくは２０Å以下である。膜厚の下限
は特に限定されず、薄膜層を形成している成分中の１原
子の大きさ以上の厚さを有する膜厚の層であればよい。
薄膜層の膜厚が５０Åより厚いと、二次元成長し、三次
元成長せず島状成長にならない。また活性層の結晶性が
悪くなって素子の出力が低下する傾向にある。なお、本
発明の薄膜層は非常に膜厚が薄いため、格子歪みエネル
ギーにより、自然形成的に島状成長になりやすい。ま
た、本発明において薄膜層は非常に膜厚が薄いため、活
性層の形成時の反応条件によっては薄膜層の活性層との
混入等が生じる可能性があり、活性層形成後、分析して
も薄膜層を明らかに確認することが困難な場合が生じる
かもしれないが、薄膜層が存在していた領域には、例え
ばＳＩＭＳで分析すると薄膜層の濃度分布がみられ程度
であっても本発明では薄膜層と見なす。このように薄膜
層が完全な状態で窒化物半導体素子中に存在しない場合
であっても、本発明の窒化物半導体素子の性能の向上
は、窒化物半導体素子中の完全な薄膜層の存在の有無に
左右されるものではなく、薄膜層に接して活性層を形成
させ活性層の形状を量子井戸構造、量子ディスク構造、
量子ワイヤー又は量子ドット構造に成長させることによ
って、顕著な効果を得ることができる。
り、好ましい膜厚は４０Å以下、さらに好ましくは３０
Å以下、最も好ましくは２０Å以下である。膜厚の下限
は特に限定されず、薄膜層を形成している成分中の１原
子の大きさ以上の厚さを有する膜厚の層であればよい。
薄膜層の膜厚が５０Åより厚いと、二次元成長し、三次
元成長せず島状成長にならない。また活性層の結晶性が
悪くなって素子の出力が低下する傾向にある。なお、本
発明の薄膜層は非常に膜厚が薄いため、格子歪みエネル
ギーにより、自然形成的に島状成長になりやすい。ま
た、本発明において薄膜層は非常に膜厚が薄いため、活
性層の形成時の反応条件によっては薄膜層の活性層との
混入等が生じる可能性があり、活性層形成後、分析して
も薄膜層を明らかに確認することが困難な場合が生じる
かもしれないが、薄膜層が存在していた領域には、例え
ばＳＩＭＳで分析すると薄膜層の濃度分布がみられ程度
であっても本発明では薄膜層と見なす。このように薄膜
層が完全な状態で窒化物半導体素子中に存在しない場合
であっても、本発明の窒化物半導体素子の性能の向上
は、窒化物半導体素子中の完全な薄膜層の存在の有無に
左右されるものではなく、薄膜層に接して活性層を形成
させ活性層の形状を量子井戸構造、量子ディスク構造、
量子ワイヤー又は量子ドット構造に成長させることによ
って、顕著な効果を得ることができる。
【００１１】また、薄膜層を構成する結晶成分は、薄膜
層の接する窒化物半導体層を構成する結晶がどのような
原子又は化合物からなるかによって、薄膜層の窒化物半
導体層に対する格子定数不整差が±１０．７％以上とな
るように薄膜層の成分を選択するものであり、薄膜層中
に少なくとも１種以上の金属原子を含有している層であ
る。しかし、本発明はこれに限定されない。本発明にお
いて薄膜層を窒化物半導体で構成する場合、その窒化物
半導体に含有される金属原子としては特に限定されない
が、周期表の２族及び３族原子の少なくとも１種が好ま
しく、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｃｄ、Ｇａ、Ｉｎが特に好ましい。
また薄膜層中の原子の濃度は、１×１０１９／ｃｍ３
以上であり、好ましくは１×１０２０／ｃｍ３ 以上で
あり、更に好ましくは１×１０２１／ｃｍ３ 以上であ
る。薄膜層中の原子の濃度が１×１０１９／ｃｍ３ 以
上であると、活性層が良好な量子井戸構造、量子ディス
ク構造、量子ワイヤー又は量子ドット構造を有すること
ができる。また、薄膜層を金属原子のみからなる層（以
下メタル層という場合がある。）としてもよい。本発明
の格子定数不整差±１０．７％以上の薄膜層を形成して
いる結晶としては、例えば以下のものがあげられる。
層の接する窒化物半導体層を構成する結晶がどのような
原子又は化合物からなるかによって、薄膜層の窒化物半
導体層に対する格子定数不整差が±１０．７％以上とな
るように薄膜層の成分を選択するものであり、薄膜層中
に少なくとも１種以上の金属原子を含有している層であ
る。しかし、本発明はこれに限定されない。本発明にお
いて薄膜層を窒化物半導体で構成する場合、その窒化物
半導体に含有される金属原子としては特に限定されない
が、周期表の２族及び３族原子の少なくとも１種が好ま
しく、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｃｄ、Ｇａ、Ｉｎが特に好ましい。
また薄膜層中の原子の濃度は、１×１０１９／ｃｍ３
以上であり、好ましくは１×１０２０／ｃｍ３ 以上で
あり、更に好ましくは１×１０２１／ｃｍ３ 以上であ
る。薄膜層中の原子の濃度が１×１０１９／ｃｍ３ 以
上であると、活性層が良好な量子井戸構造、量子ディス
ク構造、量子ワイヤー又は量子ドット構造を有すること
ができる。また、薄膜層を金属原子のみからなる層（以
下メタル層という場合がある。）としてもよい。本発明
の格子定数不整差±１０．７％以上の薄膜層を形成して
いる結晶としては、例えば以下のものがあげられる。
【００１２】 結晶 格子定数（Å） 原料 −−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−− ＭｇＳ ５．６２ Ｍｇ（ＣｐＥｔ）２ ＊ Ｈ２Ｓ ＭｇＳｅ ５．８９ Ｍｇ（ＣｐＥｔ）２ ＳｅＨ４ ＺｎＳ ５．４３ ＺｎＥｔ２ Ｈ２Ｓ ＺｎＳｅ ５．６７ ＺｎＥｔ２ ＳｅＨ４ ＣｄＳ ５．８２ Ｃｄ（Ｅｔ）２ Ｈ２Ｓ ＧａＰ ５．４７ ＴＭＧ＊ ＰＨ４ ＣｄＳｅ ６．０５ Ｃｄ（Ｅｔ）２ ＳｅＨ４ ＩｎＰ ５．８２ ＴＭＩ＊ ＰＨ４ ＧａＡｓ ５．６５ ＴＭＧ ＡｓＨ３ −−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−− 上記＊は下記化合物を示す。 Ｍｇ（ＣｐＥｔ）２：ビスエチルシクロペンタジエニル
マグネシウム ＴＭＧ：トリメチルガリウム ＴＭＩ：トリメチルインジウム
マグネシウム ＴＭＧ：トリメチルガリウム ＴＭＩ：トリメチルインジウム
【００１３】また、前記基板から活性層の間に設けられ
る窒化物半導体層となる半導体は、格子定数不整差が±
１０．７％以上となるような組み合わせであれば窒化物
半導体層のみならず本発明の薄膜層にもなりうる。
る窒化物半導体層となる半導体は、格子定数不整差が±
１０．７％以上となるような組み合わせであれば窒化物
半導体層のみならず本発明の薄膜層にもなりうる。
【００１４】本発明の活性層は、少なくともインジウム
を含有する窒化物の半導体からなる層であればよく、好
ましくは、ＩｎＸＧａ１−ＸＮ（０＜Ｘ≦１）等から形
成される層である。このような本発明の活性層は、窒化
物半導体層と活性層との間に接して窒化物半導体層との
格子定数不整差が±１０．７％以上の薄膜層を設けるこ
とにより、量子井戸構造、量子ディスク構造、量子ワイ
ヤー又は量子ドット構造を形成するものである。なお量
子井戸構造とは膜厚の薄い井戸層よりなる単一量子井
戸、若しくは井戸層と膜厚の薄い障壁層とが積層されて
なる多重量子井戸構造の活性層を指し、活性層はこの量
子井戸構造の量子効果により発光する。また量子ドット
構造とは、活性層が島状に成長した図３の様なものをさ
す。また活性層の膜厚の薄い井戸層及び／又は障壁層の
一部が相分離してインジウムの多いインジウムリッチ領
域と、インジウムの少ないインジウムプアー領域とを形
成しており、インジウムリッチ領域とインジウムプアー
領域とが平面上で規則的に並んだような状態になって量
子箱を形成している状態のものもここでは含む。本発明
では格子不整が大きくなるに伴い歪みエネルギーも大き
くなり、このエネルギーによりＩｎＧａＮの層分離も起
きやすいと考えられる。あるいは井戸層の厚さが面内で
不均一であり、面内方向においてキャリアが閉じこめら
れるようになっているものも、ここでは含んで量子ドッ
ト若しくは量子箱という。
を含有する窒化物の半導体からなる層であればよく、好
ましくは、ＩｎＸＧａ１−ＸＮ（０＜Ｘ≦１）等から形
成される層である。このような本発明の活性層は、窒化
物半導体層と活性層との間に接して窒化物半導体層との
格子定数不整差が±１０．７％以上の薄膜層を設けるこ
とにより、量子井戸構造、量子ディスク構造、量子ワイ
ヤー又は量子ドット構造を形成するものである。なお量
子井戸構造とは膜厚の薄い井戸層よりなる単一量子井
戸、若しくは井戸層と膜厚の薄い障壁層とが積層されて
なる多重量子井戸構造の活性層を指し、活性層はこの量
子井戸構造の量子効果により発光する。また量子ドット
構造とは、活性層が島状に成長した図３の様なものをさ
す。また活性層の膜厚の薄い井戸層及び／又は障壁層の
一部が相分離してインジウムの多いインジウムリッチ領
域と、インジウムの少ないインジウムプアー領域とを形
成しており、インジウムリッチ領域とインジウムプアー
領域とが平面上で規則的に並んだような状態になって量
子箱を形成している状態のものもここでは含む。本発明
では格子不整が大きくなるに伴い歪みエネルギーも大き
くなり、このエネルギーによりＩｎＧａＮの層分離も起
きやすいと考えられる。あるいは井戸層の厚さが面内で
不均一であり、面内方向においてキャリアが閉じこめら
れるようになっているものも、ここでは含んで量子ドッ
ト若しくは量子箱という。
【００１５】以下に図を参照して更に本発明を詳細に説
明する。図２及び図３は、一実施態様であるｎ型窒化物
半導体層、格子定数不整差が±１０．７％以上ある薄膜
層、活性層、及びｐ型層が順次積層されてなる窒化物半
導体素子の活性層付近の構造を模式的に示す断面図であ
る。図２は、薄膜層を薄く成長させると歪みエネルギー
により、薄膜層が島状成長になる場合の模式図であり、
また図３は歪みエネルギーにより、薄膜層が不均一な膜
厚になる場合の模式図である。
明する。図２及び図３は、一実施態様であるｎ型窒化物
半導体層、格子定数不整差が±１０．７％以上ある薄膜
層、活性層、及びｐ型層が順次積層されてなる窒化物半
導体素子の活性層付近の構造を模式的に示す断面図であ
る。図２は、薄膜層を薄く成長させると歪みエネルギー
により、薄膜層が島状成長になる場合の模式図であり、
また図３は歪みエネルギーにより、薄膜層が不均一な膜
厚になる場合の模式図である。
【００１６】本発明は、薄膜層の膜厚を非常に薄く成長
させることにより、微視的にみると膜中に金属原子が存
在する箇所と存在しない箇所が生じ、膜中の原子の存在
の有無により膜厚の不均一を生じさせることができる。
このような薄膜層の膜厚不均一、即ち、薄膜層の膜厚の
厚いところと、薄いところとでは、結晶の性質が異なっ
てくるために、その薄膜層の上に活性層を成長させる
と、活性層が選択成長されたような形となる。活性層が
選択成長されることにより、活性層自体が量子箱や量子
ドット等となり、出力が大幅に向上する。つまり、井戸
層に注入されたキャリアは井戸層の厚さが面内で不均一
であり、面内方向でもクラッド層のバンドギャップ差に
より、キャリアが閉じこめられたような形となり量子
箱、量子ディスク若しくは量子ドット構造と同様の構造
となる。しかも、活性層はＩｎを含む窒化物半導体より
なり、例えば活性層がＩｎＧａＮ層であり、このＩｎＧ
ａＮ層を量子構造となるような薄い膜厚で成長させる
と、歪みエネルギーによりＩｎ含有率が全体的に不均一
となり、Ｉｎの多いインジウムリッチ領域と、Ｉｎの少
ないインジウムプアー領域とを形成する傾向にある。こ
のような、面内方向で膜厚不均一な状態でインジウムを
含む窒化物半導体を成長させると、Ｉｎの組成分離も起
きやすくなり、Ｉｎ組成分離による量子ドットと、井戸
層の面内方向の厚さ不均一によるドット形成の両方が作
用した量子ドット、量子ディスク又は量子箱ができやす
くなる。このため本発明の素子の活性層はＩｎ組成分離
による量子ドットと、井戸層の面内不均一による量子ド
ットとの２種類の量子ドットの効果により非常に出力の
高い素子が実現できる。
させることにより、微視的にみると膜中に金属原子が存
在する箇所と存在しない箇所が生じ、膜中の原子の存在
の有無により膜厚の不均一を生じさせることができる。
このような薄膜層の膜厚不均一、即ち、薄膜層の膜厚の
厚いところと、薄いところとでは、結晶の性質が異なっ
てくるために、その薄膜層の上に活性層を成長させる
と、活性層が選択成長されたような形となる。活性層が
選択成長されることにより、活性層自体が量子箱や量子
ドット等となり、出力が大幅に向上する。つまり、井戸
層に注入されたキャリアは井戸層の厚さが面内で不均一
であり、面内方向でもクラッド層のバンドギャップ差に
より、キャリアが閉じこめられたような形となり量子
箱、量子ディスク若しくは量子ドット構造と同様の構造
となる。しかも、活性層はＩｎを含む窒化物半導体より
なり、例えば活性層がＩｎＧａＮ層であり、このＩｎＧ
ａＮ層を量子構造となるような薄い膜厚で成長させる
と、歪みエネルギーによりＩｎ含有率が全体的に不均一
となり、Ｉｎの多いインジウムリッチ領域と、Ｉｎの少
ないインジウムプアー領域とを形成する傾向にある。こ
のような、面内方向で膜厚不均一な状態でインジウムを
含む窒化物半導体を成長させると、Ｉｎの組成分離も起
きやすくなり、Ｉｎ組成分離による量子ドットと、井戸
層の面内方向の厚さ不均一によるドット形成の両方が作
用した量子ドット、量子ディスク又は量子箱ができやす
くなる。このため本発明の素子の活性層はＩｎ組成分離
による量子ドットと、井戸層の面内不均一による量子ド
ットとの２種類の量子ドットの効果により非常に出力の
高い素子が実現できる。
【００１７】インジウムリッチ領域に電子と正孔とが局
在しエキシトンに基づく発光又はエキシトンが２個集ま
ったバイエキシトンに基づく発光をするので、発光効率
が高くなる。即ちインジウムリッチ領域は量子ドット又
は量子箱を構成する。この薄膜層を形成することにより
ＩｎＧａＮ活性層がこのような量子ドット若しくは量子
箱を構成しやすくなるために、出力が大幅に向上すると
推察される。従って、活性層を単一量子井戸構造（ＳＱ
Ｗ:Single quantum well）、多重量子井戸構造（ＭＱ
Ｗ:Multi quantum well）のような量子井戸構造で構成
する場合、少なくともＩｎを含む窒化物半導体よりなる
井戸層を有することが必要であり、単一井戸層の好まし
い膜厚は７０オングストローム以下、さらに好ましくは
５０オングストローム以下の膜厚に調整する。ＭＱＷの
場合、障壁層は井戸層よりもバンドギャップエネルギー
が大きい窒化物半導体層で構成し、膜厚は１５０オング
ストローム以下、さらに好ましくは１００オングストロ
ーム以下に調整する。
在しエキシトンに基づく発光又はエキシトンが２個集ま
ったバイエキシトンに基づく発光をするので、発光効率
が高くなる。即ちインジウムリッチ領域は量子ドット又
は量子箱を構成する。この薄膜層を形成することにより
ＩｎＧａＮ活性層がこのような量子ドット若しくは量子
箱を構成しやすくなるために、出力が大幅に向上すると
推察される。従って、活性層を単一量子井戸構造（ＳＱ
Ｗ:Single quantum well）、多重量子井戸構造（ＭＱ
Ｗ:Multi quantum well）のような量子井戸構造で構成
する場合、少なくともＩｎを含む窒化物半導体よりなる
井戸層を有することが必要であり、単一井戸層の好まし
い膜厚は７０オングストローム以下、さらに好ましくは
５０オングストローム以下の膜厚に調整する。ＭＱＷの
場合、障壁層は井戸層よりもバンドギャップエネルギー
が大きい窒化物半導体層で構成し、膜厚は１５０オング
ストローム以下、さらに好ましくは１００オングストロ
ーム以下に調整する。
【００１８】上記の如く、ｎ型窒化物半導体層の上に格
子不整合の大きい状態で薄膜層を成長させると、均一な
膜厚で成長させることが難しい。しかも、薄膜層が５０
オングストローム以下、好ましくは３０オングストロー
ム以下、最も好ましくは１０オングストローム以下とい
う膜厚で成長させられると、薄膜層は無数の穴があいた
ような状態となる。ＩｎＧａＮよりなる活性層がこのよ
うな薄膜層の上に成長させられると、ＩｎＧａＮよりな
る活性層の結晶成長状態が下地にある薄膜層よりもより
選択的となり、その結果、量子ドットの形成が起こる。
さらにまたＩｎＧａＮを例として成長させると、このド
ット形成に加えてＩｎ組成分離も起こり、両効果による
量子ドットが形成される。ＩｎＧａＮ活性層が組成不均
一となりインジウム領域と、インジウムプアー領域とが
構成されることにより、量子箱、量子ドットが形成され
て高出力な素子が得られる。このような量子ドット、量
子箱のサイズは好ましくは１０オングストローム〜１０
０オングストローム、さらに好ましくは２０〜６０オン
グストロームである。
子不整合の大きい状態で薄膜層を成長させると、均一な
膜厚で成長させることが難しい。しかも、薄膜層が５０
オングストローム以下、好ましくは３０オングストロー
ム以下、最も好ましくは１０オングストローム以下とい
う膜厚で成長させられると、薄膜層は無数の穴があいた
ような状態となる。ＩｎＧａＮよりなる活性層がこのよ
うな薄膜層の上に成長させられると、ＩｎＧａＮよりな
る活性層の結晶成長状態が下地にある薄膜層よりもより
選択的となり、その結果、量子ドットの形成が起こる。
さらにまたＩｎＧａＮを例として成長させると、このド
ット形成に加えてＩｎ組成分離も起こり、両効果による
量子ドットが形成される。ＩｎＧａＮ活性層が組成不均
一となりインジウム領域と、インジウムプアー領域とが
構成されることにより、量子箱、量子ドットが形成され
て高出力な素子が得られる。このような量子ドット、量
子箱のサイズは好ましくは１０オングストローム〜１０
０オングストローム、さらに好ましくは２０〜６０オン
グストロームである。
【００１９】本発明の窒化物半導体素子の製造方法は、
有機金属気相成長法により窒化物半導体を形成する方法
において、基板に窒化物半導体層を成長させた後、金属
含有物（例えば有機金属化合物、金属の水素化物等）を
反応させて窒化物半導体層に対する格子定数不整差が±
１０．７％以上且つ膜厚が５０Å以下となるような薄膜
層を形成し、その後前記薄膜層に接して、少なくともイ
ンジウムを含有する窒化物半導体よりなる活性層を形成
するものである。本発明は、ｎ型窒化物半導体層との格
子定数不整差が±１０．７％以上となる薄膜層が形成さ
れればよく、薄膜層を形成するための原料は特に限定さ
れない。また基板に成長させる窒化物半導体層は２層以
上でも良い。また、薄膜層を形成する際、金属含有物と
共にその他の成分を反応させることができる。その他の
成分としては、窒化物半導体層を形成する成分であれば
よく、例えば、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）、トリメ
チルアルミニウム（ＴＭＡ）及びトリメチルインジウム
（ＴＭＩ）等の窒化物半導体成長時の有機金属ガスソー
スである。本発明において、有機金属気相成長法を行う
際、金属含有物を２種以上用いてもよい。
有機金属気相成長法により窒化物半導体を形成する方法
において、基板に窒化物半導体層を成長させた後、金属
含有物（例えば有機金属化合物、金属の水素化物等）を
反応させて窒化物半導体層に対する格子定数不整差が±
１０．７％以上且つ膜厚が５０Å以下となるような薄膜
層を形成し、その後前記薄膜層に接して、少なくともイ
ンジウムを含有する窒化物半導体よりなる活性層を形成
するものである。本発明は、ｎ型窒化物半導体層との格
子定数不整差が±１０．７％以上となる薄膜層が形成さ
れればよく、薄膜層を形成するための原料は特に限定さ
れない。また基板に成長させる窒化物半導体層は２層以
上でも良い。また、薄膜層を形成する際、金属含有物と
共にその他の成分を反応させることができる。その他の
成分としては、窒化物半導体層を形成する成分であれば
よく、例えば、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）、トリメ
チルアルミニウム（ＴＭＡ）及びトリメチルインジウム
（ＴＭＩ）等の窒化物半導体成長時の有機金属ガスソー
スである。本発明において、有機金属気相成長法を行う
際、金属含有物を２種以上用いてもよい。
【００２０】本発明の製造方法によって形成される薄膜
層の膜厚の調整は、有機金属気相成長法を行う装置での
各ガスの流量及び有機金属化合物の濃度を調整して成長
速度を制御することによって、前記本発明の窒化物半導
体の膜厚となるように調整される。薄膜層の成長温度は
特に限定されないが、用いる金属含有物が分解する温度
以上であればよい。
層の膜厚の調整は、有機金属気相成長法を行う装置での
各ガスの流量及び有機金属化合物の濃度を調整して成長
速度を制御することによって、前記本発明の窒化物半導
体の膜厚となるように調整される。薄膜層の成長温度は
特に限定されないが、用いる金属含有物が分解する温度
以上であればよい。
【００２１】本発明は、少なくとも、窒化物半導体層に
接して薄膜層を有し更に薄膜層に接してインジウムを含
有する活性層を有していればよく、本発明の窒化物半導
体素子を構成するその他の層は特に限定されず、いずれ
の層構成もとりうることができる。以下に図４、図５を
用い、本発明の一実施態様である窒化物半導体素子の層
構成を説明する。しかし、本発明はこれに限定されるも
のではない。
接して薄膜層を有し更に薄膜層に接してインジウムを含
有する活性層を有していればよく、本発明の窒化物半導
体素子を構成するその他の層は特に限定されず、いずれ
の層構成もとりうることができる。以下に図４、図５を
用い、本発明の一実施態様である窒化物半導体素子の層
構成を説明する。しかし、本発明はこれに限定されるも
のではない。
【００２２】図４に模式的断面図として示される窒化物
半導体素子は、レーザ素子として用いられる一実施態様
であり、基板１、バッファ層２及びｎ型コンタクト層３
が積層され、ｎ型コンタクト層３の積層上面の一部分を
残しｎ型コンタクト層３の面上にクラック防止層４、ｎ
型クラッド層５、ｎ型光ガイド層６、薄膜層７、活性層
８、ｐ型キャップ層９、ｐ型光ガイド層１０、ｐ型クラ
ッド層１１、ｐ型コンタクト層１２及びｐ電極２１が順
次積層され、更にｎ型コンタクト層３のクラック防止層
４が積層されていない部分にｎ電極２２が絶縁膜３０に
接し且つ絶縁膜３０で隔てられた状態で２ヶ所に設置さ
れている。絶縁膜３０は、ｎ型コンタクト層３に接しｎ
型コンタクト層３の一部分からｐ電極２１までの積層さ
れた両側面に接し各層を覆うように設けられ、且つ積層
された最上層のｐ電極２１面上で一部切れた形状をして
いる。絶縁膜３０より露出している電極２１と絶縁膜３
０に接して前記各層が積層された上部にパット電極２３
が設けられている。
半導体素子は、レーザ素子として用いられる一実施態様
であり、基板１、バッファ層２及びｎ型コンタクト層３
が積層され、ｎ型コンタクト層３の積層上面の一部分を
残しｎ型コンタクト層３の面上にクラック防止層４、ｎ
型クラッド層５、ｎ型光ガイド層６、薄膜層７、活性層
８、ｐ型キャップ層９、ｐ型光ガイド層１０、ｐ型クラ
ッド層１１、ｐ型コンタクト層１２及びｐ電極２１が順
次積層され、更にｎ型コンタクト層３のクラック防止層
４が積層されていない部分にｎ電極２２が絶縁膜３０に
接し且つ絶縁膜３０で隔てられた状態で２ヶ所に設置さ
れている。絶縁膜３０は、ｎ型コンタクト層３に接しｎ
型コンタクト層３の一部分からｐ電極２１までの積層さ
れた両側面に接し各層を覆うように設けられ、且つ積層
された最上層のｐ電極２１面上で一部切れた形状をして
いる。絶縁膜３０より露出している電極２１と絶縁膜３
０に接して前記各層が積層された上部にパット電極２３
が設けられている。
【００２３】図５に模式的断面図として示される窒化物
半導体素子は、ＬＥＤ素子として用いられる一実施態様
であり、基板１、バッファ層２及びｎ型コンタクト層３
が積層され、ｎ型コンタクト層３の積層上面の一部分を
残し薄膜層７、活性層８、ｐ型クラッド層１１、ｐ型コ
ンタクト層１２、透明ｐ電極２１’及びパット電極２３
が積層されており、ｎ型コンタクト層３の薄膜層７が積
層されていない部分にｎ電極２２が絶縁膜３０に接した
状態で設置されている。絶縁膜３０は、ｎ型コンタクト
層３に接しｎ型コンタクト層３の一部分から、前記ｎ型
コンタクト層３の面上に積層されている薄膜層７からｐ
電極２１’までの側面を覆うように且つパット電極２３
を挟むような状態で設けられている。
半導体素子は、ＬＥＤ素子として用いられる一実施態様
であり、基板１、バッファ層２及びｎ型コンタクト層３
が積層され、ｎ型コンタクト層３の積層上面の一部分を
残し薄膜層７、活性層８、ｐ型クラッド層１１、ｐ型コ
ンタクト層１２、透明ｐ電極２１’及びパット電極２３
が積層されており、ｎ型コンタクト層３の薄膜層７が積
層されていない部分にｎ電極２２が絶縁膜３０に接した
状態で設置されている。絶縁膜３０は、ｎ型コンタクト
層３に接しｎ型コンタクト層３の一部分から、前記ｎ型
コンタクト層３の面上に積層されている薄膜層７からｐ
電極２１’までの側面を覆うように且つパット電極２３
を挟むような状態で設けられている。
【００２４】以下に上記の基板１及び各層について説明
する。基板１にはサファイアＣ面の他、Ｒ面、Ａ面を主
面とするサファイア、その他、スピネル（ＭｇＡｌ２Ｏ
４）のような絶縁性の基板が用いられる。これらを用い
た場合、得られるレーザ素子は同一面側にｎ電極と、ｐ
電極が形成された構造となるが、絶縁性基板の他、Ｓｉ
Ｃ（６Ｈ、４Ｈ、３Ｃを含む）、ＺｎＳ、ＺｎＯ、Ｇａ
Ａｓ、ＧａＮ等の半導体基板を用い、同一面側にある窒
化物半導体層にｎ電極と、ｐ電極を設ける構造とするこ
ともできる。
する。基板１にはサファイアＣ面の他、Ｒ面、Ａ面を主
面とするサファイア、その他、スピネル（ＭｇＡｌ２Ｏ
４）のような絶縁性の基板が用いられる。これらを用い
た場合、得られるレーザ素子は同一面側にｎ電極と、ｐ
電極が形成された構造となるが、絶縁性基板の他、Ｓｉ
Ｃ（６Ｈ、４Ｈ、３Ｃを含む）、ＺｎＳ、ＺｎＯ、Ｇａ
Ａｓ、ＧａＮ等の半導体基板を用い、同一面側にある窒
化物半導体層にｎ電極と、ｐ電極を設ける構造とするこ
ともできる。
【００２５】バッファ層２はＡｌＮ、ＧａＮ、ＡｌＧａ
Ｎ等を、９００℃以下の温度で、膜厚数十オングストロ
ーム〜数百オングストロームで形成される。このバッフ
ァ層２は基板１と窒化物半導体との格子定数不正を緩和
するために形成されるが、窒化物半導体の成長方法、基
板１の種類等によっては省略することも可能である。
Ｎ等を、９００℃以下の温度で、膜厚数十オングストロ
ーム〜数百オングストロームで形成される。このバッフ
ァ層２は基板１と窒化物半導体との格子定数不正を緩和
するために形成されるが、窒化物半導体の成長方法、基
板１の種類等によっては省略することも可能である。
【００２６】ｎ型コンタクト層３はＩｎＸＡｌＹＧａ
１−Ｘ−ＹＮ（０≦X、０≦Y、X＋Y≦１）で 構成され
ることができ、特にＧａＮ、ＩｎＧａＮ、その中でもＳ
ｉ若しくはＧｅをドープしたＧａＮで構成することによ
り、キャリア濃度の高いｎ型層が得られ、またｎ電極と
好ましいオーミック接触が得られる。ｎ電極の材料とし
てはＡｌ、Ｔｉ、Ｗ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｓｎ、Ｉｎ等の金属
若しくは合金を用いると好ましいオーミックが得られ
る。
１−Ｘ−ＹＮ（０≦X、０≦Y、X＋Y≦１）で 構成され
ることができ、特にＧａＮ、ＩｎＧａＮ、その中でもＳ
ｉ若しくはＧｅをドープしたＧａＮで構成することによ
り、キャリア濃度の高いｎ型層が得られ、またｎ電極と
好ましいオーミック接触が得られる。ｎ電極の材料とし
てはＡｌ、Ｔｉ、Ｗ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｓｎ、Ｉｎ等の金属
若しくは合金を用いると好ましいオーミックが得られ
る。
【００２７】クラック防止層４はＩｎを含むｎ型の窒化
物半導体、好ましくはＩｎＧａＮで成長させることによ
り、次に成長させるＡｌを含むｎ型クラッド層５を厚膜
で成長させることが可能となり、非常に好ましい。ＬＤ
の場合は、光閉じ込め層となる層を、好ましくは０．１
μｍ以上の膜厚で成長させる必要がある。従来ではＧａ
Ｎ、ＡｌＧａＮ層の上に直接、０．１μｍ以上のＡｌＧ
ａＮを成長させると、後から成長させたＡｌＧａＮにク
ラックが入るので素子作製が困難であったが、このクラ
ック防止層４が、次に成長させるＡｌを含むｎ型クラッ
ド層５にクラックが入るのを防止することができる。な
おこのクラック防止層４は１００オングストローム以
上、０．５μｍ以下の膜厚で成長させることが好まし
い。１００オングストロームよりも薄いと前記のように
クラック防止として作用しにくく、０．５μｍよりも厚
いと、結晶自体が黒変する傾向にある。なお、このクラ
ック防止層４は成長方法、成長装置等の条件によっては
省略することもできるがＬＤを作製する場合には成長さ
せる方が望ましい。
物半導体、好ましくはＩｎＧａＮで成長させることによ
り、次に成長させるＡｌを含むｎ型クラッド層５を厚膜
で成長させることが可能となり、非常に好ましい。ＬＤ
の場合は、光閉じ込め層となる層を、好ましくは０．１
μｍ以上の膜厚で成長させる必要がある。従来ではＧａ
Ｎ、ＡｌＧａＮ層の上に直接、０．１μｍ以上のＡｌＧ
ａＮを成長させると、後から成長させたＡｌＧａＮにク
ラックが入るので素子作製が困難であったが、このクラ
ック防止層４が、次に成長させるＡｌを含むｎ型クラッ
ド層５にクラックが入るのを防止することができる。な
おこのクラック防止層４は１００オングストローム以
上、０．５μｍ以下の膜厚で成長させることが好まし
い。１００オングストロームよりも薄いと前記のように
クラック防止として作用しにくく、０．５μｍよりも厚
いと、結晶自体が黒変する傾向にある。なお、このクラ
ック防止層４は成長方法、成長装置等の条件によっては
省略することもできるがＬＤを作製する場合には成長さ
せる方が望ましい。
【００２８】ｎ型クラッド層５はキャリア閉じ込め層、
及び光閉じ込め層として作用し、Ａｌを含む窒化物半導
体、好ましくはＡｌＧａＮを成長させることが望まし
く、１００オングストローム以上、２μｍ以下、さらに
好ましくは５００オングストローム以上、１μｍ以下で
成長させることにより、結晶性の良いキャリア閉じ込め
層が形成できる。
及び光閉じ込め層として作用し、Ａｌを含む窒化物半導
体、好ましくはＡｌＧａＮを成長させることが望まし
く、１００オングストローム以上、２μｍ以下、さらに
好ましくは５００オングストローム以上、１μｍ以下で
成長させることにより、結晶性の良いキャリア閉じ込め
層が形成できる。
【００２９】ｎ型光ガイド層６は、活性層８の光ガイド
層として作用し、ＧａＮ、ＩｎＧａＮを成長させること
が望ましく、通常１００オングストローム〜５μｍ、さ
らに好ましくは２００オングストローム〜１μｍの膜厚
で成長させることが望ましい。
層として作用し、ＧａＮ、ＩｎＧａＮを成長させること
が望ましく、通常１００オングストローム〜５μｍ、さ
らに好ましくは２００オングストローム〜１μｍの膜厚
で成長させることが望ましい。
【００３０】薄膜層７は、前記の如く、窒化物半導体層
との格子定数不整差が±１０．７％以上、且つ膜厚が５
０Å以下の層である。
との格子定数不整差が±１０．７％以上、且つ膜厚が５
０Å以下の層である。
【００３１】活性層８は、前記の如く、少なくともイン
ジウムを含有する窒化物の半導体からなる層であり、窒
化物半導体層と活性層との間に薄膜層を設けることによ
り、量子井戸構造、若しくは量子ドット構造を有するも
のである。活性層８のｎ型ドーパントは井戸層、障壁層
の両方にドープしてもよい。その他の詳細は前記した通
りである。
ジウムを含有する窒化物の半導体からなる層であり、窒
化物半導体層と活性層との間に薄膜層を設けることによ
り、量子井戸構造、若しくは量子ドット構造を有するも
のである。活性層８のｎ型ドーパントは井戸層、障壁層
の両方にドープしてもよい。その他の詳細は前記した通
りである。
【００３２】ｐ型キャップ層９はｐ型としたが、膜厚が
薄いため、ｎ型不純物をドープしてキャリアが補償され
たｉ型としても良く、最も好ましくはｐ型とする。ｐ型
キャップ層９の膜厚は０．１μｍ以下、さらに好ましく
は５００オングストローム以下、最も好ましくは３００
オングストローム以下に調整する。０．１μｍより厚い
膜厚で成長させると、ｐ型キャップ層９中にクラックが
入りやすくなり、結晶性の良い窒化物半導体層が成長し
にくいからである。またキャリアがこのエネルギーバリ
アをトンネル効果により通過できなくなる。また、Ａｌ
の組成比が大きいＡｌＧａＮ程薄く形成するとＬＤ素子
は発振しやすくなる。例えば、Y値が０．２以上のＡｌ
ＹＧａ１−ＹＮであれば５００オングストローム以下に
調整することが望ましい。ｐ型キャップ層９の膜厚の下
限は特に限定されないが、１０オングストローム以上の
膜厚で形成することが望ましい。
薄いため、ｎ型不純物をドープしてキャリアが補償され
たｉ型としても良く、最も好ましくはｐ型とする。ｐ型
キャップ層９の膜厚は０．１μｍ以下、さらに好ましく
は５００オングストローム以下、最も好ましくは３００
オングストローム以下に調整する。０．１μｍより厚い
膜厚で成長させると、ｐ型キャップ層９中にクラックが
入りやすくなり、結晶性の良い窒化物半導体層が成長し
にくいからである。またキャリアがこのエネルギーバリ
アをトンネル効果により通過できなくなる。また、Ａｌ
の組成比が大きいＡｌＧａＮ程薄く形成するとＬＤ素子
は発振しやすくなる。例えば、Y値が０．２以上のＡｌ
ＹＧａ１−ＹＮであれば５００オングストローム以下に
調整することが望ましい。ｐ型キャップ層９の膜厚の下
限は特に限定されないが、１０オングストローム以上の
膜厚で形成することが望ましい。
【００３３】ｐ型光ガイド層１０は、活性層８の光ガイ
ド層として作用し、ｎ型光ガイド層６と同じくＧａＮ、
ＩｎＧａＮで成長させることが望ましい。また、このｐ
型光ガイド層１０はｐ型クラッド層１１を成長させる際
のバッファ層としても作用し、１００オングストローム
〜５μｍ、さらに好ましくは２００オングストローム〜
１μｍの膜厚で成長させることにより、好ましい光ガイ
ド層として作用する。
ド層として作用し、ｎ型光ガイド層６と同じくＧａＮ、
ＩｎＧａＮで成長させることが望ましい。また、このｐ
型光ガイド層１０はｐ型クラッド層１１を成長させる際
のバッファ層としても作用し、１００オングストローム
〜５μｍ、さらに好ましくは２００オングストローム〜
１μｍの膜厚で成長させることにより、好ましい光ガイ
ド層として作用する。
【００３４】ｐ型クラッド層１１はｎ型クラッド層５と
同じく、キャリア閉じ込め層、及び光閉じ込め層として
作用し、Ａｌを含む窒化物半導体、好ましくはＡｌＧａ
Ｎを成長させることが望ましく、１００オングストロー
ム以上、２μｍ以下、さらに好ましくは５００オングス
トローム以上、１μｍ以下で成長させることにより、結
晶性の良いキャリア閉じ込め層が形成できる。
同じく、キャリア閉じ込め層、及び光閉じ込め層として
作用し、Ａｌを含む窒化物半導体、好ましくはＡｌＧａ
Ｎを成長させることが望ましく、１００オングストロー
ム以上、２μｍ以下、さらに好ましくは５００オングス
トローム以上、１μｍ以下で成長させることにより、結
晶性の良いキャリア閉じ込め層が形成できる。
【００３５】本発明において、ＩｎＧａＮよりなる井戸
層を有する活性層８の場合、その活性層８に接して、膜
厚０．１μｍ以下のＡｌを含むｐ型キャップ層９を設
け、そのｐ型キャップ層９よりも活性層８から離れた位
置に、ｐ型キャップ層９よりもバッドギャップエネルギ
ーが小さいｐ型光ガイド層１０を設け、そのｐ型光ガイ
ド層１０よりも活性層８から離れた位置に、ｐ型光ガイ
ド層１０よりもバンドギャップが大きいＡｌを含む窒化
物半導体よりなるｐ型クラッド層１１を設けることは非
常に好ましい。しかもｐ型キャップ層９の膜厚を０．１
μｍ以下と薄く設定してあるため、キャリアのバリアと
して作用することはなく、ｐ層から注入された正孔が、
トンネル効果によりｐ型キャップ層９を通り抜けること
ができて、活性層８で効率よく再結合し、ＬＤの出力が
向上する。つまり、注入されたキャリアは、ｐ型キャッ
プ層９のバンドギャップエネルギーが大きいため、半導
体素子の温度が上昇しても、あるいは注入電流密度が増
えても、キャリアは活性層８をオーバーフローせず、ｐ
型キャップ層９で阻止されるため、キャリアが活性層８
に貯まり、効率よく発光することが可能となる。従っ
て、半導体素子が温度上昇しても発光効率が低下するこ
とが少ないので、閾値電流の低いＬＤを実現することが
できる。なお、本発明においては、ＬＤを作成する場合
に活性層８から上の層は、窒化物半導体で発振しやすい
最も好ましい構成を実施例に示したが、本発明では活性
層８から上のｐ型層の構成は特に規定するものではな
い。
層を有する活性層８の場合、その活性層８に接して、膜
厚０．１μｍ以下のＡｌを含むｐ型キャップ層９を設
け、そのｐ型キャップ層９よりも活性層８から離れた位
置に、ｐ型キャップ層９よりもバッドギャップエネルギ
ーが小さいｐ型光ガイド層１０を設け、そのｐ型光ガイ
ド層１０よりも活性層８から離れた位置に、ｐ型光ガイ
ド層１０よりもバンドギャップが大きいＡｌを含む窒化
物半導体よりなるｐ型クラッド層１１を設けることは非
常に好ましい。しかもｐ型キャップ層９の膜厚を０．１
μｍ以下と薄く設定してあるため、キャリアのバリアと
して作用することはなく、ｐ層から注入された正孔が、
トンネル効果によりｐ型キャップ層９を通り抜けること
ができて、活性層８で効率よく再結合し、ＬＤの出力が
向上する。つまり、注入されたキャリアは、ｐ型キャッ
プ層９のバンドギャップエネルギーが大きいため、半導
体素子の温度が上昇しても、あるいは注入電流密度が増
えても、キャリアは活性層８をオーバーフローせず、ｐ
型キャップ層９で阻止されるため、キャリアが活性層８
に貯まり、効率よく発光することが可能となる。従っ
て、半導体素子が温度上昇しても発光効率が低下するこ
とが少ないので、閾値電流の低いＬＤを実現することが
できる。なお、本発明においては、ＬＤを作成する場合
に活性層８から上の層は、窒化物半導体で発振しやすい
最も好ましい構成を実施例に示したが、本発明では活性
層８から上のｐ型層の構成は特に規定するものではな
い。
【００３６】ｐ型コンタクト層１２はｐ型のＩｎＸＡｌ
ＹＧａ１−Ｘ−ＹＮ（０≦X、０≦Y、X＋Y ≦１）で構
成することができ、好ましくはＭｇをドープしたＧａＮ
とすれば、ｐ電極２１と最も好ましいオーミック接触が
得られる。なお、ｐ型コンタクト層１２と好ましいオー
ミックが得られるｐ電極２１の材料としては、例えばＮ
ｉ、Ｐｄ、Ｎｉ／Ａｕ等を挙げることができる。
ＹＧａ１−Ｘ−ＹＮ（０≦X、０≦Y、X＋Y ≦１）で構
成することができ、好ましくはＭｇをドープしたＧａＮ
とすれば、ｐ電極２１と最も好ましいオーミック接触が
得られる。なお、ｐ型コンタクト層１２と好ましいオー
ミックが得られるｐ電極２１の材料としては、例えばＮ
ｉ、Ｐｄ、Ｎｉ／Ａｕ等を挙げることができる。
【００３７】電極を除いた層を成長させた反応終了後、
ｐ型層をさらに低抵抗化するため、アニーリングを行う
ことができる。
ｐ型層をさらに低抵抗化するため、アニーリングを行う
ことができる。
【００３８】アニーリング後、図４に示すように、ＲＩ
Ｅ装置により最上層のｐ型コンタクト層１２と、ｐ型ク
ラッド層１１とをエッチングして、リッジ形状とするこ
とが好ましい。形状は特に限定されるものではないが、
このように、活性層８よりも上部にあるｐ型層をストラ
イプ状のリッジ形状とすることにより、活性層８の発光
がストライプリッジの下に集中するようになって閾値が
低下する。特に活性層８よりも上にあるＡｌを含むｐ型
窒化物半導体層以上の層をリッジ形状とすることが好ま
しい。リッジ形成後、リッジ表面にマスクを形成し、図
４に示すように、ストライプ状のリッジに対して左右対
称にして、ｎ型コンタクト層３の表面を露出させる。
Ｅ装置により最上層のｐ型コンタクト層１２と、ｐ型ク
ラッド層１１とをエッチングして、リッジ形状とするこ
とが好ましい。形状は特に限定されるものではないが、
このように、活性層８よりも上部にあるｐ型層をストラ
イプ状のリッジ形状とすることにより、活性層８の発光
がストライプリッジの下に集中するようになって閾値が
低下する。特に活性層８よりも上にあるＡｌを含むｐ型
窒化物半導体層以上の層をリッジ形状とすることが好ま
しい。リッジ形成後、リッジ表面にマスクを形成し、図
４に示すように、ストライプ状のリッジに対して左右対
称にして、ｎ型コンタクト層３の表面を露出させる。
【００３９】ｐ電極２１はｐ型コンタクト層１２の表面
に形成される。ｐ型コンタクト層１２と好ましいオーミ
ックが得られるｐ電極２１の材料としては、例えばＮ
ｉ、Ｐｄ、Ｎｉ／Ａｕ等をあげることができる。ｐ電極
２１の形状はストライプ状が好ましいがその他の形状で
もよい。ｐ電極２１’の材料も上記ｐ電極２１と同様の
ものをあげることができる。ｎ電極２２はストライプ状
のｎ型コンタクト層３のほぼ全面に形成される。なおほ
ぼ全面とは８０％以上の面積をいう。また、ｎ電極２２
の形状は特に限定されない。ｎ電極２２の材料として
は、Ａｌ、Ｔｉ、Ｗ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｓｎ、Ｉｎ等の金属
若しくは合金があげられ、これら金属又は合金を用いる
と好ましいオーミックが得られる。
に形成される。ｐ型コンタクト層１２と好ましいオーミ
ックが得られるｐ電極２１の材料としては、例えばＮ
ｉ、Ｐｄ、Ｎｉ／Ａｕ等をあげることができる。ｐ電極
２１の形状はストライプ状が好ましいがその他の形状で
もよい。ｐ電極２１’の材料も上記ｐ電極２１と同様の
ものをあげることができる。ｎ電極２２はストライプ状
のｎ型コンタクト層３のほぼ全面に形成される。なおほ
ぼ全面とは８０％以上の面積をいう。また、ｎ電極２２
の形状は特に限定されない。ｎ電極２２の材料として
は、Ａｌ、Ｔｉ、Ｗ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｓｎ、Ｉｎ等の金属
若しくは合金があげられ、これら金属又は合金を用いる
と好ましいオーミックが得られる。
【００４０】
【実施例】以下、図４及図５を参照しながら本発明の一
実施例を示し、更に本発明を詳説する。しかし本発明は
これに限定されない。図４は本発明の一実施態様である
レーザ素子の構造を示す模式的な断面図であり、レーザ
光の共振方向に対して垂直な方向で素子を切断した際の
図を示している。以下に図４の一実施例である実施例１
〜１０を示す。
実施例を示し、更に本発明を詳説する。しかし本発明は
これに限定されない。図４は本発明の一実施態様である
レーザ素子の構造を示す模式的な断面図であり、レーザ
光の共振方向に対して垂直な方向で素子を切断した際の
図を示している。以下に図４の一実施例である実施例１
〜１０を示す。
【００４１】［実施例１］ サファイア（Ｃ面）よりなる基板１を反応容器内にセッ
トし、容器内を水素で十分置換した後、水素を流しなが
ら、基板の温度を１０５０℃まで上昇させ、基板のクリ
ーニングを行う。
トし、容器内を水素で十分置換した後、水素を流しなが
ら、基板の温度を１０５０℃まで上昇させ、基板のクリ
ーニングを行う。
【００４２】続いて、温度を５１０℃まで下げ、キャリ
アガスに水素、原料ガスにアンモニアとＴＭＧ（トリメ
チルガリウム）とを用い、基板１上にＧａＮよりなるバ
ッファ層２を約２００オングストロームの膜厚で成長さ
せる。
アガスに水素、原料ガスにアンモニアとＴＭＧ（トリメ
チルガリウム）とを用い、基板１上にＧａＮよりなるバ
ッファ層２を約２００オングストロームの膜厚で成長さ
せる。
【００４３】バッファ層２を成長後、ＴＭＧのみ止め
て、温度を１０３０℃まで上昇させる。１０３０℃にな
ったら、同じく原料ガスにＴＭＧ、アンモニアガス、ド
ーパントガスにシランガスを用い、ｎ型コンタクト層３
として、Ｓｉを８×１０１８／cm３ドープしたＳｉドー
プｎ型ＧａＮ層を５μｍの膜厚で成長させる。
て、温度を１０３０℃まで上昇させる。１０３０℃にな
ったら、同じく原料ガスにＴＭＧ、アンモニアガス、ド
ーパントガスにシランガスを用い、ｎ型コンタクト層３
として、Ｓｉを８×１０１８／cm３ドープしたＳｉドー
プｎ型ＧａＮ層を５μｍの膜厚で成長させる。
【００４４】次に、温度を８００℃にして、原料ガスに
ＴＭＧ、ＴＭＩ（トリメチルインジウム）、アンモニ
ア、不純物ガスにシランガスを用い、Ｓｉを８×１０
１８／cm３ドープしたＳｉドープＩｎ０．１Ｇａ０．９
Ｎよりなるクラック防止層４を５００オングストローム
の膜厚で成長させる。
ＴＭＧ、ＴＭＩ（トリメチルインジウム）、アンモニ
ア、不純物ガスにシランガスを用い、Ｓｉを８×１０
１８／cm３ドープしたＳｉドープＩｎ０．１Ｇａ０．９
Ｎよりなるクラック防止層４を５００オングストローム
の膜厚で成長させる。
【００４５】次に温度を１０３０℃にして、原料ガスに
ＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）、ＴＭＧ、ＮＨ３、
ＳｉＨ４を用い、Ｓｉを８×１０１８／cm３ドープした
Ｓｉドー プｎ型Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ｎよりなるｎ型
クラッド層５を０．５μｍの膜厚で成長させる。
ＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）、ＴＭＧ、ＮＨ３、
ＳｉＨ４を用い、Ｓｉを８×１０１８／cm３ドープした
Ｓｉドー プｎ型Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ｎよりなるｎ型
クラッド層５を０．５μｍの膜厚で成長させる。
【００４６】続いて、１０３０℃でＳｉを８×１０１８
／cm３ドープしたＳｉドープｎ型Ｇａ Ｎ（格子定数：
４．５）よりなるｎ型光ガイド層６を０．２μｍの膜厚
で成長させる。
／cm３ドープしたＳｉドープｎ型Ｇａ Ｎ（格子定数：
４．５）よりなるｎ型光ガイド層６を０．２μｍの膜厚
で成長させる。
【００４７】次に温度を８００℃にして、原料ガスにジ
エチル亜鉛［Ｚｎ（Ｅｔ）２］及びＳｅＨ４を用い、Ｚ
ｎＳｅよりなる薄膜層７を１０オングストロームの膜厚
で成 長させる。ガイド層６に対する薄膜層７の格子定
数不整差は２６％である。
エチル亜鉛［Ｚｎ（Ｅｔ）２］及びＳｅＨ４を用い、Ｚ
ｎＳｅよりなる薄膜層７を１０オングストロームの膜厚
で成 長させる。ガイド層６に対する薄膜層７の格子定
数不整差は２６％である。
【００４８】次に、原料ガスにＴＭＧ、ＴＭＩ、アンモ
ニア、シランガスを用いて活性層８を成長させる。活性
層８は温度を８００℃に保持して、まずＳｉを８×１０
１８／cm３でドープしたＩｎ０．２Ｇａ０．８Ｎよりな
る井戸層を２５オングストロームの膜 厚で成長させ
る。次にＴＭＩのモル比を変化させるのみで同一温度
で、Ｓｉを８×１０１８／cm３ドープしたＩｎ０．０１
Ｇａ０．９５Ｎよりなる障壁層を５０オングスト ロー
ムの膜厚で成長させる。この操作を２回繰り返し、最後
に井戸層を積層した多重量子井戸構造の活性層８を成長
させる。
ニア、シランガスを用いて活性層８を成長させる。活性
層８は温度を８００℃に保持して、まずＳｉを８×１０
１８／cm３でドープしたＩｎ０．２Ｇａ０．８Ｎよりな
る井戸層を２５オングストロームの膜 厚で成長させ
る。次にＴＭＩのモル比を変化させるのみで同一温度
で、Ｓｉを８×１０１８／cm３ドープしたＩｎ０．０１
Ｇａ０．９５Ｎよりなる障壁層を５０オングスト ロー
ムの膜厚で成長させる。この操作を２回繰り返し、最後
に井戸層を積層した多重量子井戸構造の活性層８を成長
させる。
【００４９】次に、温度を１０５０℃に上げ、ＴＭＧ、
ＴＭＡ、ＮＨ３、Ｃｐ２Ｍｇ（シクロペンタジエニルマ
グネシウム）を用い、活性層８よりもバンドギャップエ
ネルギーが大きい、Ｍｇドープｐ型Ａｌ０．１Ｇａ
０．９Ｎよりなるｐ型キャップ層９を３００オングスト
ロームの膜厚で成長させる。
ＴＭＡ、ＮＨ３、Ｃｐ２Ｍｇ（シクロペンタジエニルマ
グネシウム）を用い、活性層８よりもバンドギャップエ
ネルギーが大きい、Ｍｇドープｐ型Ａｌ０．１Ｇａ
０．９Ｎよりなるｐ型キャップ層９を３００オングスト
ロームの膜厚で成長させる。
【００５０】続いて１０５０℃で、バンドギャップエネ
ルギーがｐ型キャップ層９よりも小さい、Ｍｇドープｐ
型ＧａＮよりなるｐ型光ガイド層１０を０．２μｍの膜
厚で成長させる。
ルギーがｐ型キャップ層９よりも小さい、Ｍｇドープｐ
型ＧａＮよりなるｐ型光ガイド層１０を０．２μｍの膜
厚で成長させる。
【００５１】続いて１０５０℃で、バンドギャップエネ
ルギーがｐ型光ガイド層１０よりも大きい、Ｍｇドープ
ｐ型Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ｎよりなるｐ型クラッド層１
１を０．５μｍの膜厚で成長させる。
ルギーがｐ型光ガイド層１０よりも大きい、Ｍｇドープ
ｐ型Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ｎよりなるｐ型クラッド層１
１を０．５μｍの膜厚で成長させる。
【００５２】最後に、ｐ型クラッド層１１の上に、１０
５０℃でＭｇドープｐ型ＧａＮよりなるｐ型コンタクト
層１２を０．５μｍの膜厚で成長させる。
５０℃でＭｇドープｐ型ＧａＮよりなるｐ型コンタクト
層１２を０．５μｍの膜厚で成長させる。
【００５３】反応終了後、温度を室温まで下げ、さらに
窒素雰囲気中、ウェーハを反応容器内において、７００
℃でアニーリングを行い、ｐ型層をさらに低抵抗化す
る。
窒素雰囲気中、ウェーハを反応容器内において、７００
℃でアニーリングを行い、ｐ型層をさらに低抵抗化す
る。
【００５４】アニーリング後、ウェーハを反応容器から
取り出し、図４に示すように、ＲＩＥ装置により最上層
のｐ型コンタクト層１２と、ｐ型クラッド層１１とをエ
ッチングして、４μｍのストライプ幅を有するリッジ形
状とする。リッジ形成後、リッジ表面にマスクを形成
し、図４に示すように、ストライプ状のリッジに対して
左右対称にして、ｎ型コンタクト層３の表面を露出させ
る。
取り出し、図４に示すように、ＲＩＥ装置により最上層
のｐ型コンタクト層１２と、ｐ型クラッド層１１とをエ
ッチングして、４μｍのストライプ幅を有するリッジ形
状とする。リッジ形成後、リッジ表面にマスクを形成
し、図４に示すように、ストライプ状のリッジに対して
左右対称にして、ｎ型コンタクト層３の表面を露出させ
る。
【００５５】次にｐ型コンタクト層１２の表面にＮｉと
Ａｕよりなるｐ電極２１をストライプ状に形成する。一
方、ＴｉとＡｌよりなるｎ電極２２をストライプ状のｎ
型コンタクト層３のほぼ全面に形成する。なおほぼ全面
とは８０％以上の面積をいう。
Ａｕよりなるｐ電極２１をストライプ状に形成する。一
方、ＴｉとＡｌよりなるｎ電極２２をストライプ状のｎ
型コンタクト層３のほぼ全面に形成する。なおほぼ全面
とは８０％以上の面積をいう。
【００５６】次に、図４に示すように、ｎ電極２２とｐ
電極２１との間に露出した窒化物半導体層の表面にＳｉ
Ｏ２よりなる絶縁膜３０を形成し、この絶縁膜３０を介
してｐ電極２１と電気的に接続したパッド電極２３を形
成する。この形成されたパッド電極２３は実質的なｐ電
極２１の表面積を広げて、ｐ電極側をワイヤーボンディ
ングできるようにする作用がある。
電極２１との間に露出した窒化物半導体層の表面にＳｉ
Ｏ２よりなる絶縁膜３０を形成し、この絶縁膜３０を介
してｐ電極２１と電気的に接続したパッド電極２３を形
成する。この形成されたパッド電極２３は実質的なｐ電
極２１の表面積を広げて、ｐ電極側をワイヤーボンディ
ングできるようにする作用がある。
【００５７】以上のようにして、ｎ電極とｐ電極とを形
成したウェーハを研磨装置に移送し、ダイヤモンド研磨
剤を用いて、窒化物半導体を形成していない側のサファ
イア基板１をラッピングし、基板１の厚さを５０μｍと
する。ラッピング後、さらに細かい研磨剤で１μｍポリ
シングして基板表面を鏡面状とする。
成したウェーハを研磨装置に移送し、ダイヤモンド研磨
剤を用いて、窒化物半導体を形成していない側のサファ
イア基板１をラッピングし、基板１の厚さを５０μｍと
する。ラッピング後、さらに細かい研磨剤で１μｍポリ
シングして基板表面を鏡面状とする。
【００５８】基板研磨後、研磨面側をスクライブして、
ストライプ状の電極に垂直な方向でバー状に劈開し、劈
開面に共振器を作製する。なお劈開面はサファイア基板
の上に成長した窒化物半導体面の
ストライプ状の電極に垂直な方向でバー状に劈開し、劈
開面に共振器を作製する。なお劈開面はサファイア基板
の上に成長した窒化物半導体面の
【外１】 面とする。外１面とは窒化物半導体を正六角柱の六方晶
系で近似した場合に、その六角柱の側面に相当する四角
形の面（Ｍ面）に相当する面である。この他、ＲＩＥ等
のドライエッチング手段により端面をエッチングして共
振器を作製することもできる。またこの他、劈開面を鏡
面研磨して作成することも可能である。
系で近似した場合に、その六角柱の側面に相当する四角
形の面（Ｍ面）に相当する面である。この他、ＲＩＥ等
のドライエッチング手段により端面をエッチングして共
振器を作製することもできる。またこの他、劈開面を鏡
面研磨して作成することも可能である。
【００５９】劈開後、共振器面にＳｉＯ２とＴｉＯ２よ
りなる誘電体多層膜を形成し、最後にｐ電極に平行な方
向で、バーを切断してレーザチップとした。次にチップ
をフェースアップ（基板とヒートシンクとが対向した状
態）でヒートシンクに設置し、それぞれの電極をワイヤ
ーボンディングして、室温でレーザ発振を試みたとこ
ろ、室温において、閾値電流密度４ｋＡ／cm２、閾値電
圧６Ｖで、発振波長４０５ ｎｍの連続発振が確認さ
れ、２１時間の連続発振を確認した。
りなる誘電体多層膜を形成し、最後にｐ電極に平行な方
向で、バーを切断してレーザチップとした。次にチップ
をフェースアップ（基板とヒートシンクとが対向した状
態）でヒートシンクに設置し、それぞれの電極をワイヤ
ーボンディングして、室温でレーザ発振を試みたとこ
ろ、室温において、閾値電流密度４ｋＡ／cm２、閾値電
圧６Ｖで、発振波長４０５ ｎｍの連続発振が確認さ
れ、２１時間の連続発振を確認した。
【００６０】［実施例２］ 実施例１において薄膜層７を成長させる際に、膜厚を２
０オングストロームとする他は同様にしてレーザ素子を
得たところ、同じく、閾値電流密度５ｋＡ／cm２、閾値
電圧６Ｖ、発振波長４０５ｎｍにおいて、１６時間の連
続発振を確認した。
０オングストロームとする他は同様にしてレーザ素子を
得たところ、同じく、閾値電流密度５ｋＡ／cm２、閾値
電圧６Ｖ、発振波長４０５ｎｍにおいて、１６時間の連
続発振を確認した。
【００６１】［実施例３］ 実施例１において薄膜層７を成長させる際に、膜厚を４
０オングストロームとする他は同様にしてレーザ素子を
得たところ、同じく、閾値電流密度７ｋＡ／cm２、閾値
電圧６Ｖ、発振波長４０５ｎｍにおいて、１０時間の連
続発振を確認した。
０オングストロームとする他は同様にしてレーザ素子を
得たところ、同じく、閾値電流密度７ｋＡ／cm２、閾値
電圧６Ｖ、発振波長４０５ｎｍにおいて、１０時間の連
続発振を確認した。
【００６２】［実施例４］ 実施例１において薄膜層７を成長させる際に、膜厚を５
０オングストロームとする他は同様にしてレーザ素子を
得たところ、同じく、閾値電流密度９ｋＡ／cm２、閾値
電圧６Ｖ、発振波長４０５ｎｍにおいて、１時間の連続
発振を確認した。
０オングストロームとする他は同様にしてレーザ素子を
得たところ、同じく、閾値電流密度９ｋＡ／cm２、閾値
電圧６Ｖ、発振波長４０５ｎｍにおいて、１時間の連続
発振を確認した。
【００６３】［実施例５］ 実施例１において薄膜層７を成長させる際に、原料ガス
にＭｇ（ＣｐＥｔ）２及びＨ２Ｓを用い成長温度５００
℃でＭｇＳよりなる薄膜層を形成する他は同様 にして
レーザ素子を得たところ、実施例１とほぼ同様の特性を
示した。格子定数不整差は２４．９％である。
にＭｇ（ＣｐＥｔ）２及びＨ２Ｓを用い成長温度５００
℃でＭｇＳよりなる薄膜層を形成する他は同様 にして
レーザ素子を得たところ、実施例１とほぼ同様の特性を
示した。格子定数不整差は２４．９％である。
【００６４】［実施例６］ 実施例１において薄膜層７を成長させる際に、原料ガス
に Ｍｇ（ＣｐＥｔ）２及びＳｅＨ４を用い成長温度６
００℃でＭｇＳｅよりなる薄膜層を形成する他は 同様
にしてレーザ素子を得たところ、実施例１とほぼ同等の
特性を示した。格子定数不整差は３０．９％である。
に Ｍｇ（ＣｐＥｔ）２及びＳｅＨ４を用い成長温度６
００℃でＭｇＳｅよりなる薄膜層を形成する他は 同様
にしてレーザ素子を得たところ、実施例１とほぼ同等の
特性を示した。格子定数不整差は３０．９％である。
【００６５】［実施例７］ 実施例１において、薄膜層７を成長させる際に、原料ガ
スに Ｚｎ（Ｅｔ）２及びＨ２Ｓを用い成長温度６００
℃でＺｎＳよりなる薄膜層を形成する他は実施例 １と
同様にしてレーザ素子を得たところ、実施例１とほぼ同
等の特性を示した。格子定数不整差は２０．７％であ
る。
スに Ｚｎ（Ｅｔ）２及びＨ２Ｓを用い成長温度６００
℃でＺｎＳよりなる薄膜層を形成する他は実施例 １と
同様にしてレーザ素子を得たところ、実施例１とほぼ同
等の特性を示した。格子定数不整差は２０．７％であ
る。
【００６６】［実施例８］ 実施例１において、薄膜層７を成長させる際に、原料ガ
スに Ｃｄ（Ｅｔ）２及びＨ２Ｓを用い成長温度７００
℃でＣｄＳよりなる薄膜層を形成する他は同様に して
レーザ素子を得たところ、実施例１とほぼ同等の特性を
示した。格子定数不整差は２９．３％である。
スに Ｃｄ（Ｅｔ）２及びＨ２Ｓを用い成長温度７００
℃でＣｄＳよりなる薄膜層を形成する他は同様に して
レーザ素子を得たところ、実施例１とほぼ同等の特性を
示した。格子定数不整差は２９．３％である。
【００６７】［実施例９］ 実施例１において、薄膜層７を成長させる際に、原料ガ
スにＧａ（ＣＨ３）３及びＰＨ4を用い成長温度８００
℃でＧａＰよりなる薄膜層を形成する他は同様に して
レーザ素子を得たところ、実施例１とほぼ同等の特性を
示した。格子定数不整差は２１．６％である。
スにＧａ（ＣＨ３）３及びＰＨ4を用い成長温度８００
℃でＧａＰよりなる薄膜層を形成する他は同様に して
レーザ素子を得たところ、実施例１とほぼ同等の特性を
示した。格子定数不整差は２１．６％である。
【００６８】［実施例１０］ 実施例１において、薄膜層７を成長させる際に、原料ガ
スにＣｄ（Ｅｔ）２及びＳｅＨ４を用い成長温度７００
℃でＣｄＳｅよりなる薄膜層を形成する他は同 様にし
てレーザ素子を得たところ、実施例１とほぼ同等の特性
を示した。格子定数不整差は３４．４％である。
スにＣｄ（Ｅｔ）２及びＳｅＨ４を用い成長温度７００
℃でＣｄＳｅよりなる薄膜層を形成する他は同 様にし
てレーザ素子を得たところ、実施例１とほぼ同等の特性
を示した。格子定数不整差は３４．４％である。
【００６９】［実施例１１］ 実施例１において、薄膜層７を成長させる際に、原料ガ
スにＩｎ（ＣＨ３）３及びＮＨ３、更にＭｇ（ＣｐＥ
ｔ）２を用いる薄膜層を形成する他成長温度８００℃で
Ｍｇを１×１０２２ドープしたＩｎＮ（格子定数：４．
９８）よりなる薄膜層を形成する他は同様にしてレーザ
素子を得たところ、実施例１とほぼ同等の特性を示し
た。格子定数不整差は１０．７％である。
スにＩｎ（ＣＨ３）３及びＮＨ３、更にＭｇ（ＣｐＥ
ｔ）２を用いる薄膜層を形成する他成長温度８００℃で
Ｍｇを１×１０２２ドープしたＩｎＮ（格子定数：４．
９８）よりなる薄膜層を形成する他は同様にしてレーザ
素子を得たところ、実施例１とほぼ同等の特性を示し
た。格子定数不整差は１０．７％である。
【００７０】［実施例１２］ 実施例１において、薄膜層７を成長させる際に、原料ガ
スにＧａ（ＣＨ３）３及びＡｓＨ３を用い成長温度７０
０℃でＧａＡｓよりなる薄膜層を形成する他は同 様に
してレーザ素子を得たところ、実施例１とほぼ同等の特
性を示した。格子定数不整差は２５．６％である。
スにＧａ（ＣＨ３）３及びＡｓＨ３を用い成長温度７０
０℃でＧａＡｓよりなる薄膜層を形成する他は同 様に
してレーザ素子を得たところ、実施例１とほぼ同等の特
性を示した。格子定数不整差は２５．６％である。
【００７１】図５は本発明の一実施態様であるＬＥＤ素
子の構造を示す模式的な断面図である。以下、図５の一
実施例である実施例１３及び１４を以下に示す。
子の構造を示す模式的な断面図である。以下、図５の一
実施例である実施例１３及び１４を以下に示す。
【００７２】［実施例１３］ 実施例１と同様にして、サファイア基板１をクリーニン
グした後、サファイア基板１の上にＧａＮよりなるバッ
ファ層２を２００オングストロームの膜厚で成長させ、
コンタクト層３としてＳｉ濃度８×１０１８／cm３のｎ
型ＧａＮ層を５μ ｍの膜厚で成長させる。
グした後、サファイア基板１の上にＧａＮよりなるバッ
ファ層２を２００オングストロームの膜厚で成長させ、
コンタクト層３としてＳｉ濃度８×１０１８／cm３のｎ
型ＧａＮ層を５μ ｍの膜厚で成長させる。
【００７３】次に温度を８００℃にして、原料ガスにＺ
ｎ（Ｅｔ）２及びＳｅＨ４を用いＺｎＳｅよりなる薄膜
層７を１０オングストロームの膜厚で成長させる。コン
タクト層３に対する薄膜層７の格子定数不整差は２６％
である。
ｎ（Ｅｔ）２及びＳｅＨ４を用いＺｎＳｅよりなる薄膜
層７を１０オングストロームの膜厚で成長させる。コン
タクト層３に対する薄膜層７の格子定数不整差は２６％
である。
【００７４】次に、原料ガスにＴＭＧ、ＴＭＩ、アンモ
ニア、シランガスを用い、Ｓｉを８×１０１８／cm３ド
ープしたＩｎ０．２Ｇａ０．８Ｎ（平均組成）よりなる
井戸層を３０ オングストロームの膜厚で成長させ、Ｓ
ＱＷ構造の活性層８を作製する。
ニア、シランガスを用い、Ｓｉを８×１０１８／cm３ド
ープしたＩｎ０．２Ｇａ０．８Ｎ（平均組成）よりなる
井戸層を３０ オングストロームの膜厚で成長させ、Ｓ
ＱＷ構造の活性層８を作製する。
【００７５】次に温度を１０５０℃に上げ、Ｍｇドープ
ｐ型Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ｎよりなるｐ型クラッド層１
１を０．５μｍの膜厚で成長させ、そのｐ型クラッド層
の上に、Ｍｇドープｐ型ＧａＮよりなるｐ型コンタクト
層１２を０．５μｍの膜厚で成長させる。
ｐ型Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ｎよりなるｐ型クラッド層１
１を０．５μｍの膜厚で成長させ、そのｐ型クラッド層
の上に、Ｍｇドープｐ型ＧａＮよりなるｐ型コンタクト
層１２を０．５μｍの膜厚で成長させる。
【００７６】反応終了後、温度を室温まで下げ、さらに
窒素雰囲気中、ウェーハを反応容器内において、７００
℃でアニーリングを行い、ｐ型層をさらに低抵抗化す
る。
窒素雰囲気中、ウェーハを反応容器内において、７００
℃でアニーリングを行い、ｐ型層をさらに低抵抗化す
る。
【００７７】アニーリング後、ウェーハを反応容器から
取り出し、図５に示すように、ＲＩＥ装置により最上層
のｐ型コンタクト層１２側からエッチングを行い、ｎ電
極２２を形成すべきｎ型コンタクト層３の表面を露出さ
せる。
取り出し、図５に示すように、ＲＩＥ装置により最上層
のｐ型コンタクト層１２側からエッチングを行い、ｎ電
極２２を形成すべきｎ型コンタクト層３の表面を露出さ
せる。
【００７８】次に、ｐ型コンタクト層１２のほぼ全面に
ＮｉとＡｕよりなる透明なｐ電極２１’を形成し、その
ｐ電極２１’の上にボンディング用のパッド電極２３を
２μｍの膜厚で形成する。一方、露出したｎ型コンタク
ト層３の表面にはＴｉとＡｌよりなるｎ電極２２を形成
する。
ＮｉとＡｕよりなる透明なｐ電極２１’を形成し、その
ｐ電極２１’の上にボンディング用のパッド電極２３を
２μｍの膜厚で形成する。一方、露出したｎ型コンタク
ト層３の表面にはＴｉとＡｌよりなるｎ電極２２を形成
する。
【００７９】次に、図５に示すように、ｎ電極２２とパ
ッド電極２３との間に露出した窒化物半導体層、および
ｐ電極２１’の表面にＳｉＯ2よりなる絶縁膜３０を形
成する。
ッド電極２３との間に露出した窒化物半導体層、および
ｐ電極２１’の表面にＳｉＯ2よりなる絶縁膜３０を形
成する。
【００８０】以上のようにして、ｎ電極とｐ電極とを形
成したウェーハを研磨装置に移送し、ダイヤモンド研磨
剤を用いて、窒化物半導体を形成していない側のサファ
イア基板１をラッピングし、基板の厚さを９０μｍとし
て、サファイア基板側をスクライブして３５０μｍ角の
ＬＥＤチップとする。このＬＥＤチップを順方向電流
（Ｉｆ）２０ｍＡ、順方向電圧（Ｖｆ）３．５Ｖにて発
光させたところ、発光波長４５０ｎｍ、出力１０ｍＷが
得られ、薄膜層７を設けていないＬＥＤ素子に比較し
て、出力は２〜２．５倍に向上した。
成したウェーハを研磨装置に移送し、ダイヤモンド研磨
剤を用いて、窒化物半導体を形成していない側のサファ
イア基板１をラッピングし、基板の厚さを９０μｍとし
て、サファイア基板側をスクライブして３５０μｍ角の
ＬＥＤチップとする。このＬＥＤチップを順方向電流
（Ｉｆ）２０ｍＡ、順方向電圧（Ｖｆ）３．５Ｖにて発
光させたところ、発光波長４５０ｎｍ、出力１０ｍＷが
得られ、薄膜層７を設けていないＬＥＤ素子に比較し
て、出力は２〜２．５倍に向上した。
【００８１】［実施例１４］ 実施例１３において、薄膜層７を成長させる際に、原料
ガスに、Ｍｇ（ＥｔＣｐ）２、及びＨ２Ｓを用い成長温
度７００℃でＭｇＳよりなる薄膜層７を５オングストロ
ームの膜厚で成長させる他は実施例１３と同様にしてＬ
ＥＤ素子を得たところ、実施例１３とほぼ同等の特性を
示すＬＥＤ素子が得られた。格子定数不整差は２４．９
％である。
ガスに、Ｍｇ（ＥｔＣｐ）２、及びＨ２Ｓを用い成長温
度７００℃でＭｇＳよりなる薄膜層７を５オングストロ
ームの膜厚で成長させる他は実施例１３と同様にしてＬ
ＥＤ素子を得たところ、実施例１３とほぼ同等の特性を
示すＬＥＤ素子が得られた。格子定数不整差は２４．９
％である。
【００８２】
【発明の効果】以上説明したように、本発明の窒化物半
導体素子は薄膜層に接して、活性層を成長させることに
より素子の出力が格段に向上する。特に薄膜層が１原子
〜数原子層の膜厚の際に顕著な効果が現れる。これは薄
膜層により、その上に成長させるインジウムを含む活性
層が量子ドット構造、量子ディスク又は量子箱構造にな
りやすいためと推察される。従って、高出力で、長寿命
なレーザ素子を実現できる。レーザ素子が改善されたこ
とにより、レーザ素子よりも緩やかな条件で使用される
ＬＥＤ素子はさらに信頼性もよくなる。そして本発明の
発光デバイスが実現されたことにより、ＤＶＤはもちろ
んのこと、フルカラーＬＥＤディスプレイ等の応用デバ
イスに利用でき、その産業上の利用価値は非常に大き
い。
導体素子は薄膜層に接して、活性層を成長させることに
より素子の出力が格段に向上する。特に薄膜層が１原子
〜数原子層の膜厚の際に顕著な効果が現れる。これは薄
膜層により、その上に成長させるインジウムを含む活性
層が量子ドット構造、量子ディスク又は量子箱構造にな
りやすいためと推察される。従って、高出力で、長寿命
なレーザ素子を実現できる。レーザ素子が改善されたこ
とにより、レーザ素子よりも緩やかな条件で使用される
ＬＥＤ素子はさらに信頼性もよくなる。そして本発明の
発光デバイスが実現されたことにより、ＤＶＤはもちろ
んのこと、フルカラーＬＥＤディスプレイ等の応用デバ
イスに利用でき、その産業上の利用価値は非常に大き
い。
【図１】 従来のレーザ素子の一構造を示す模式断面図
である。
である。
【図２】 本発明の窒化物半導体素子の活性層付近の構
造を示す模式断面図である。
造を示す模式断面図である。
【図３】 本発明の窒化物半導体素子の活性層付近の構
造を示す模式断面図である。
造を示す模式断面図である。
【図４】 本発明の一実施例によるレーザ素子の構造を
示す模式断面図である。
示す模式断面図である。
【図５】 本発明の一実施例によるＬＥＤ素子の構造を
示す模式断面図である。
示す模式断面図である。
１・・・サファイア基板 ２・・・バッファ層 ３・・・ｎ型コンタクト層 ４・・・クラック防止層 ５・・・ｎ型クラッド層 ６・・・ｎ型光ガイド層 ７・・・薄膜層 ８・・・活性層 ９・・・ｐ型キャップ層 １０・・・ｐ型光ガイド層 １１・・・ｐ型クラッド層 １２・・・ｐ型コンタクト層 ２１、２１’・・・ｐ電極 ２２・・・ｎ電極 ２３・・・パッド電極 ３０・・・絶縁膜
Claims (3)
- 【請求項１】 窒化物半導体素子において、基板上に設
けられた窒化物半導体層に接して、該窒化物半導体層と
の格子定数不整差が±１０．７％以上且つ膜厚が５０Å
以下の薄膜層を形成してなり、更に該薄膜層に接して、
少なくともインジウムを含有する窒化物半導体よりなる
活性層を形成してなることを特徴とする窒化物半導体素
子。 - 【請求項２】 前記薄膜層はＭｇＳ、ＭｇＳｅ、Ｚｎ
Ｓ、ＺｎＳｅ、ＣｄＳ、ＧａＰ、ＣｄＳｅ、ＩｎＰ、Ｇ
ａＡｓのいずれかであることを特徴とする請求項１に記
載の窒化物半導体素子。 - 【請求項３】 前記薄膜層は少なくとも１種以上のＭ
ｇ、Ｚｎ、Ｃｄ、Ｇａ、Ｉｎからなる金属原子を含有し
ている窒化物半導体層であることを特徴とする請求項１
に記載の窒化物半導体素子。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP1517197A JP3282174B2 (ja) | 1997-01-29 | 1997-01-29 | 窒化物半導体発光素子 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP1517197A JP3282174B2 (ja) | 1997-01-29 | 1997-01-29 | 窒化物半導体発光素子 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH10215029A JPH10215029A (ja) | 1998-08-11 |
| JP3282174B2 true JP3282174B2 (ja) | 2002-05-13 |
Family
ID=11881372
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP1517197A Expired - Fee Related JP3282174B2 (ja) | 1997-01-29 | 1997-01-29 | 窒化物半導体発光素子 |
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| US6608330B1 (en) | 1998-09-21 | 2003-08-19 | Nichia Corporation | Light emitting device |
| WO2000030178A1 (en) * | 1998-11-16 | 2000-05-25 | Emcore Corporation | Iii-nitride quantum well structures with indium-rich clusters and methods of making the same |
| JP2000183372A (ja) * | 1998-12-10 | 2000-06-30 | Osaka Gas Co Ltd | 火炎センサ |
| JP2000183367A (ja) * | 1998-12-10 | 2000-06-30 | Osaka Gas Co Ltd | 火炎センサ |
| JP3773713B2 (ja) * | 1999-08-24 | 2006-05-10 | 三洋電機株式会社 | 量子箱の形成方法 |
| KR100568701B1 (ko) * | 2002-06-19 | 2006-04-07 | 니폰덴신뎅와 가부시키가이샤 | 반도체 발광 소자 |
| JP4158519B2 (ja) * | 2002-12-26 | 2008-10-01 | 住友電気工業株式会社 | 白色発光素子およびその製造方法 |
| JP4766845B2 (ja) * | 2003-07-25 | 2011-09-07 | シャープ株式会社 | 窒化物系化合物半導体発光素子およびその製造方法 |
| JP2005093682A (ja) | 2003-09-17 | 2005-04-07 | Toyoda Gosei Co Ltd | ＧａＮ系半導体発光素子及びその製造方法 |
| JP2005251922A (ja) * | 2004-03-03 | 2005-09-15 | Nagoya Kogyo Univ | 半導体発光素子 |
| KR100631980B1 (ko) * | 2005-04-06 | 2006-10-11 | 삼성전기주식회사 | 질화물 반도체 소자 |
| CN101506937A (zh) * | 2005-10-31 | 2009-08-12 | 波士顿大学理事会 | 特征为织构的半导体层的光学器件 |
| KR101154321B1 (ko) * | 2007-12-14 | 2012-06-13 | 엘지이노텍 주식회사 | 발광다이오드 및 그 제조방법 |
| GB2456756A (en) | 2008-01-16 | 2009-07-29 | Sharp Kk | AlInGaN Light-Emitting devices |
| SE533090C2 (sv) * | 2008-07-09 | 2010-06-22 | Qunano Ab | Nanostrukturerad ljusdiod |
| US8373153B2 (en) * | 2009-05-26 | 2013-02-12 | University Of Seoul Industry Cooperation Foundation | Photodetectors |
| US8227793B2 (en) | 2009-07-06 | 2012-07-24 | University Of Seoul Industry Cooperation Foundation | Photodetector capable of detecting the visible light spectrum |
| US8809834B2 (en) | 2009-07-06 | 2014-08-19 | University Of Seoul Industry Cooperation Foundation | Photodetector capable of detecting long wavelength radiation |
| US8748862B2 (en) | 2009-07-06 | 2014-06-10 | University Of Seoul Industry Cooperation Foundation | Compound semiconductors |
| US8368990B2 (en) | 2009-08-21 | 2013-02-05 | University Of Seoul Industry Cooperation Foundation | Polariton mode optical switch with composite structure |
| JP5642418B2 (ja) * | 2010-04-30 | 2014-12-17 | トヨタ自動車株式会社 | 光電変換素子及びその製造方法 |
| KR101136882B1 (ko) * | 2011-03-15 | 2012-04-20 | 광주과학기술원 | 질화물 반도체 기반의 태양전지 및 그 제조방법 |
| JP6046383B2 (ja) * | 2012-06-12 | 2016-12-14 | ソウル バイオシス カンパニー リミテッドＳｅｏｕｌ Ｖｉｏｓｙｓ Ｃｏ．，Ｌｔｄ． | 量子井戸構造および該量子井戸構造を含む窒化物半導体素子 |
| JP2014175426A (ja) * | 2013-03-07 | 2014-09-22 | Toshiba Corp | 半導体発光素子及びその製造方法 |
| US9281442B2 (en) | 2013-12-17 | 2016-03-08 | Glo Ab | III-nitride nanowire LED with strain modified surface active region and method of making thereof |
| EP3180806A4 (en) | 2014-08-12 | 2018-03-07 | Glo Ab | Iii-nitride nanowire led with strain modified surface active region and method of making thereof |
| WO2020105362A1 (ja) * | 2018-11-20 | 2020-05-28 | ソニー株式会社 | 窒化物半導体レーザ素子および窒化物半導体レーザ素子の製造方法 |
| JP2020126995A (ja) * | 2019-02-06 | 2020-08-20 | シャープ株式会社 | 半導体レーザ素子及びその製造方法 |
-
1997
- 1997-01-29 JP JP1517197A patent/JP3282174B2/ja not_active Expired - Fee Related
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|---|---|
| JPH10215029A (ja) | 1998-08-11 |
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