JP3424465B2 - Nitride semiconductor device and method of growing nitride semiconductor - Google Patents

Nitride semiconductor device and method of growing nitride semiconductor

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JP3424465B2
JP3424465B2 JP30425996A JP30425996A JP3424465B2 JP 3424465 B2 JP3424465 B2 JP 3424465B2 JP 30425996 A JP30425996 A JP 30425996A JP 30425996 A JP30425996 A JP 30425996A JP 3424465 B2 JP3424465 B2 JP 3424465B2
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Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】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(In XAlYGa1-X-YN、0≦X、0≦Y、X+
Y≦1)よりなる素子と、その素子を構成する窒化物半
導体の成長方法に関する。
The present invention relates to an LED (light emitting diode).
LED), LD (laser diode), etc., or
Is a nitriding material used for light receiving elements such as solar cells and optical sensors.
Semiconductor (In XAlYGa1-XYN, 0 ≦ X, 0 ≦ Y, X +
A device consisting of Y ≦ 1) and a nitride half that composes the device
A method for growing a conductor.

【0002】[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。これ
らのLEDはn型窒化物半導体層と、p型窒化物半導体
層との間に、単一量子井戸構造(SQW:Single-Quant
um- Well)を有するInGaNよりなる活性層を有する
ダブルへテロ構造を有している。青色、緑色等の波長は
InGaN活性層のIn組成比を増減することで決定さ
れている。
2. Description of the Related Art Nitride semiconductors have recently been put into practical use as materials for high-intensity blue LEDs and pure green LEDs in full-color LED displays, traffic signals and the like. These LEDs have a single-quantum well structure (SQW: Single-Quant) between an n-type nitride semiconductor layer and a p-type nitride semiconductor layer.
It has a double hetero structure having an active layer made of InGaN having um-well). Wavelengths such as blue and green are determined by increasing or decreasing the In composition ratio of the InGaN active layer.

【0003】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)。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−Al
0.15Ga0.85N、n−GaN、InGaNよりなる多重
量子井戸構造(MQW:Multi-Quantum-Well)の活性
層、p−Al0.2Ga0.8N、p−GaN、p−Al0.15
Ga0.85N、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、電圧が下がる
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。
Further, the present applicant recently announced a laser oscillation of 410 nm at room temperature in pulse current using this material (for example, Jpn. J. Appl. Phys. Vol35 (1996).
pp.L74-76). Figure 1 shows the structure of the announced laser device. This laser device comprises a GaN buffer layer, n-GaN, n-In0.1Ga0.9N, n-Al on a sapphire substrate.
0.15 Ga0.85N, n-GaN, InGaN active layer of multi-quantum well structure (MQW: Multi-Quantum-Well), p-Al0.2 Ga0.8 N, p-GaN, p-Al0.15
This is an electrode stripe type laser device in which Ga0.85N and p-GaN are sequentially laminated. The uppermost p-type GaN has a striped p-electrode, and the n-GaN on the buffer layer exposed by etching has the same striped n-electrode.
Electrodes are formed. This laser element has a threshold current of 610 mA, a threshold current density of 8.7 kA / cm 2 , and a threshold voltage of 21 V at a pulse current (pulse width 2 μs, pulse period 2 ms), and the threshold current and voltage are considerably high. In order to perform continuous oscillation at room temperature, it is necessary to realize an element having higher luminous efficiency such that the threshold current and voltage drop.

【0004】[0004]

【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、窒化物半導体デバイスの特性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の構造と、その
素子を構成する窒化物半導体の成長方法とを提供する。
As described above, in nitride semiconductors, LEDs are in the practical range, and further improvement in luminous intensity and long life are desired. In LDs, continuous oscillation at room temperature at an early stage is desired. . For that purpose, it is necessary to improve the structure of the element itself to improve the characteristics of the nitride semiconductor device. For that purpose, it is easiest to lower the threshold value of the laser element used under the most severe conditions so that the laser element continuously oscillates. Therefore, an object of the present invention is to realize a highly reliable and highly efficient nitride semiconductor device by lowering the threshold of a laser device mainly made of a nitride semiconductor and continuously oscillating at room temperature for a long time. Especially. By realizing this, the luminous efficiency of the LED can be improved at the same time, and the efficiency of the light receiving element such as the solar cell and the optical sensor can be improved. To this end, the present invention provides a novel structure of a nitride semiconductor device and a method of growing a nitride semiconductor constituting the device.

【0005】[0005]

【課題を解決するための手段】本発明の窒化物半導体素
子は、n型窒化物半導体層(以下、n型層という。)と
p型窒化物半導体層(以下、p型層という。)との間
に、量子構造を有する活性層が形成されてなる窒化物半
導体素子において、前記活性層は表面に微細な凹凸が設
けられたn型層に接して形成されていることを特徴とす
る。なお量子構造とは、単一量子井戸構造(SQW:Si
ngle-quantum-Well)、MQW、量子ドット、量子箱
等、窒化物半導体の量子効果が現れるような、単一膜厚
が非常に薄い膜厚で形成された活性層を意味し、具体的
には例えばSQWであれば膜厚が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単
一井戸層よりなる活性層を意味し、MQWであれば、障
壁層が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の膜厚で形成され、障壁層
と前記井戸層とを複数積層してなる活性層を意味する。
量子箱、量子ドットとは、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を指す。ある
いはInリッチ領域と、Inプアー領域によって生じる
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が、量子
箱、量子ドットについては後に詳説する。
A nitride semiconductor device of the present invention comprises an n-type nitride semiconductor layer (hereinafter referred to as an n-type layer) and a p-type nitride semiconductor layer (hereinafter referred to as a p-type layer). In the nitride semiconductor device in which the active layer having the quantum structure is formed between the two, the active layer is formed in contact with the n-type layer having fine irregularities on the surface. The quantum structure is a single quantum well structure (SQW: Si
ngle-quantum-Well), MQW, quantum dot, quantum box, etc., which means an active layer formed with a very thin single film thickness such that the quantum effect of a nitride semiconductor appears. Is an active layer consisting of a single well layer having a film thickness of 70 Å or less, more preferably 50 Å or less for SQW, and a barrier layer of 150 Å or less, more preferably 100 Å or less for MQW. Means an active layer formed by laminating a plurality of barrier layers and the well layers.
The quantum box and the quantum dot are formed of an indium-rich region containing a large amount of indium and an indium poor region containing a small amount of indium due to phase separation of a part of a well layer and / or a barrier layer having a thin active layer. , A state in which the indium-rich region and the indium-poor region are regularly arranged on a plane to form a quantum box. Alternatively, a quantum dot or a quantum box is also included here if the thickness of the well layer generated by the In-rich region and the In-poor region is non-uniform in the plane and carriers are confined in the in-plane direction. However, quantum boxes and quantum dots will be described in detail later.

【0006】本発明の半導体素子において、活性層に接
して形成されているn型層の凹凸の平均段差が10オン
グストローム〜100オングストロームの範囲内にある
ことを特徴とする。なお凹凸の平均段差は、その窒化物
半導体層の表面荒さを測定することによって決定でき
る。
The semiconductor device of the present invention is characterized in that the average step of the unevenness of the n-type layer formed in contact with the active layer is in the range of 10 Å to 100 Å. The average step of the unevenness can be determined by measuring the surface roughness of the nitride semiconductor layer.

【0007】本発明の窒化物半導体の成長方法は2種類
の態様からなり、その第1の態様は、n型層を成長させ
た後、そのn型層の表面に微細な凹凸を設ける工程と、
その凹凸が設けられたn型層に接して、量子構造を有
し、かつインジウムを含む窒化物半導体よりなる活性層
を成長させる工程とを備えることを特徴とする。
The method for growing a nitride semiconductor of the present invention comprises two types of modes. The first mode is to grow an n-type layer and then provide fine irregularities on the surface of the n-type layer. ,
And a step of growing an active layer made of a nitride semiconductor having a quantum structure and in contact with the n-type layer provided with the unevenness.

【0008】本発明の成長方法の第2の態様は、成長後
の窒化物半導体層の最表面に微細な凹凸が形成されるよ
うにn型層を成長させる工程と、凹凸が設けられたn型
窒化物半導体層に接して、量子構造を有し、かつインジ
ウムを含む窒化物半導体よりなる活性層を成長させる工
程とを備えることを特徴とする。
A second aspect of the growth method of the present invention is a step of growing an n-type layer so that fine irregularities are formed on the outermost surface of the nitride semiconductor layer after the growth, and n having the irregularities. Contacting the type nitride semiconductor layer, and growing an active layer made of a nitride semiconductor having a quantum structure and containing indium.

【0009】さらに、本発明の成長方法の第1の態様及
び第2の態様において、前記凹凸の平均段差が10オン
グストローム〜100オングストロームの範囲内にある
ことを特徴とする。
Furthermore, in the first and second aspects of the growth method of the present invention, the average step of the irregularities is in the range of 10 Å to 100 Å.

【0010】[0010]

【発明の実施の形態】図2に本発明の窒化物半導体素子
の活性層付近の構造を拡大して示す模式的な断面図を示
す。本発明の窒化物半導体素子は活性層が形成されるn
型層表面に微細な凹凸が設けられている。このn型層の
上に量子構造を有する活性層を成長させると、活性層の
表面にも凹凸が発生する。量子構造を構成する活性層の
単一井戸層の膜厚は70オングストローム以下と非常に
薄い。このような単一膜厚が非常に薄い層を、凹凸のあ
るn型層の表面に成長させると、活性層はその性質を受
け継いで凹凸が発生する、さらにその凹凸により活性層
に組成の不均一が生じやすい傾向にある。つまり、n型
層の凹凸の上に活性層を成長させると、活性層(井戸
層)に注入されたキャリアは、面内方向でn型層、p型
層との層のバンドギャップ差により、キャリアが横方向
に閉じこめられたような形となり量子箱、若しくは量子
ドット構造と同一となり、出力が大幅に向上する。
FIG. 2 is a schematic sectional view showing an enlarged structure near an active layer of a nitride semiconductor device of the present invention. In the nitride semiconductor device of the present invention, an active layer is formed n
Fine irregularities are provided on the surface of the mold layer. When an active layer having a quantum structure is grown on this n-type layer, irregularities also occur on the surface of the active layer. The film thickness of the single well layer of the active layer forming the quantum structure is very thin, 70 angstroms or less. When such a layer having a very small single film thickness is grown on the surface of the n-type layer having irregularities, the active layer inherits the property and irregularities are generated. Uniformity tends to occur. That is, when an active layer is grown on the unevenness of the n-type layer, the carriers injected into the active layer (well layer) have a band gap difference between the n-type layer and the p-type layer in the in-plane direction. The carriers are confined in the lateral direction, which is the same as the quantum box or quantum dot structure, and the output is greatly improved.

【0011】図2ではキャリアを○印でもって示して、
そのキャリアが活性層の横方向に存在するn型層で閉じ
こめられた状態を示している。このようにn型層に凹凸
ができると、Inを含む活性層はInの組成不均一が起
こりやすくなり、In含有量が少ないInプアー領域
と、In含有量が多いInリッチ領域ができやすくなる
傾向にある。あるいはInを含む活性層をn型層の上に
成長させると、例えばInGaNは成長時に相分離を起
こしやすく、相分離が起きたときにInGaN活性層の
膜厚が不均一になる傾向にある。このため、たとえ下の
n型層の凹凸が小さくても、このInGaNの相分離に
よる凹凸により、さらに活性層の凹凸が大きくなる傾向
にある。このため活性層にできた量子ドット、あるいは
量子箱は凹凸によるキャリアの閉じこめ効果と、In組
成分離による2つの効果よりなる。しかも、前記のよう
に、このInGaN凹凸領域にはInリッチ領域とプア
ー領域とができている。即ち、少なくとも一つの井戸層
を有する活性層の面内において、インジウム組成が不均
一であることは、単一井戸層の面方向においてバンドギ
ャップの異なるInGaN領域(Inリッチ領域、In
プア領域)が存在し、さらに面内方向において、凹凸に
よって起こる横方向のキャリアの閉じこめが存在するこ
とを意味する。従って、活性層に注入されたキャリア
は、Inリッチ領域、あるいは凹凸による横方向の閉じ
こめを受ける。これは三次元的にキャリアが閉じこめら
れた効果に相当する。つまり活性層が量子箱、量子ドッ
ト効果に相当するのである。
In FIG. 2, the carrier is indicated by a circle,
The carrier is confined in the n-type layer existing in the lateral direction of the active layer. When the n-type layer has irregularities in this manner, the composition of In tends to be nonuniform in the active layer containing In, and an In-poor region having a low In content and an In-rich region having a high In content are likely to be formed. There is a tendency. Alternatively, when an active layer containing In is grown on an n-type layer, for example, InGaN tends to cause phase separation during growth, and when phase separation occurs, the thickness of the InGaN active layer tends to be nonuniform. Therefore, even if the unevenness of the lower n-type layer is small, the unevenness due to the phase separation of InGaN tends to further increase the unevenness of the active layer. Therefore, the quantum dots or quantum boxes formed in the active layer have two effects of confinement of carriers due to unevenness and separation of In composition. Moreover, as described above, the InGaN concavo-convex region has the In-rich region and the poor region. That is, the non-uniform composition of indium in the plane of the active layer having at least one well layer means that InGaN regions (In-rich regions, In regions) having different band gaps in the plane direction of the single well layer are formed.
Poor region), and in the in-plane direction, there is lateral carrier confinement caused by unevenness. Therefore, the carriers injected into the active layer are confined in the lateral direction due to the In-rich region or the unevenness. This corresponds to the effect that carriers are confined in three dimensions. That is, the active layer corresponds to the quantum box and quantum dot effects.

【0012】さらに、量子ドット効果の他に、活性層に
注入された電子キャリアと正孔キャリアとが井戸層のI
nリッチ領域、または凹凸によるキャリアの横方向の閉
じこめを受け、三次元的に局在化して、局在エキシトン
あるいはバイエキシトンを形成し、レーザの閾値を低下
させる助けとなると共に出力を向上させているのかも知
れない。Inリッチ領域にはプアー領域に比較して多く
のキャリアが存在し、電子キャリアと正孔キャリアとが
局在してエキシトンに基づく発光、又はバイエキシトン
に基づく発光をする。即ち、Inリッチ領域は量子ドッ
ト又は量子箱を構成する。従って、凹凸のあるn型層の
表面に形成されたInGaNよりなる量子構造の活性層
が、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(SQW:Single quantum wel
l)、多重量子井戸構造(MQW: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
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。
Further, in addition to the quantum dot effect, the electron carriers and hole carriers injected into the active layer are I in the well layer.
When the carrier is confined in the lateral direction by the n-rich region or unevenness, the carriers are three-dimensionally localized to form localized excitons or biexcitons, which helps lower the laser threshold and improves the output. It may be. More carriers exist in the In-rich region than in the poor region, and electron carriers and hole carriers are localized to emit light based on excitons or light based on biexcitons. That is, the In rich region constitutes a quantum dot or a quantum box. Therefore, it is presumed that the active layer having a quantum structure made of InGaN formed on the surface of the uneven n-type layer easily forms a quantum dot or a quantum box, and thus the output is significantly improved. Therefore, the active layer has a single quantum well structure (SQW).
l) 、 Multi quantum well structure (MQW: Multi quantum well)
In the case of a quantum well structure such as
It is necessary to have a well layer made of a nitride semiconductor containing a single well layer, and the thickness of the single well layer is preferably adjusted to 70 angstroms or less, more preferably 50 angstroms or less. In the case of MQW, the barrier layer is composed of a nitride semiconductor layer having a bandgap energy larger than that of the well layer, and the film thickness is adjusted to 150 angstroms or less, more preferably 100 angstroms or less.

【0013】以上述べたような活性層の効果が最も顕著
に現れるn型層表面の凹凸段差は10オングストローム
以上、100オングストローム以下、さらに好ましくは
10オングストローム以上、60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上、40オ
ングストローム以下である。10オングストロームより
も小さいと、量子ドットの基底エネルギー準位がバリア
ー層のエネルギーバリアをエネルギー的にオーバーフロ
ーし、前記量子ドット、量子箱の効果が現れにくい傾向
にある。また100オングストロームよりも大きいと、
活性層の結晶性が悪くなって、発光出力が低下する傾向
にある。
The unevenness of the surface of the n-type layer in which the above-mentioned effect of the active layer is most remarkable is 10 angstroms or more and 100 angstroms or less, more preferably 10 angstroms or more and 60 angstroms or less, and most preferably 10 angstroms or more. , 40 Å or less. If it is smaller than 10 angstroms, the ground energy level of the quantum dots energetically overflows the energy barrier of the barrier layer, and the effects of the quantum dots and quantum boxes tend not to appear. If it is larger than 100 angstroms,
The crystallinity of the active layer deteriorates, and the light emission output tends to decrease.

【0014】さらにまた、このような活性層に、凹凸が
形成されたn型層と同一種類のn型不純物をドープする
と、レーザ素子では閾値電流がさらに低下する。活性層
に、n型不純物をドープすると、伝導帯と価電子帯との
間に、さらに不純物レベルのエネルギー準位が形成され
る。そのため電子キャリアはより深い不純物レベルのエ
ネルギー準位に落ち、そこで電子キャリアと正孔キャリ
アとが再結合してより小さなエネルギーhν’を放出す
る。このことは電子キャリアがよりいっそう局在化し、
このいっそう局在化して形成されたエキシトンの効果に
より窒化物半導体素子、特にレーザ素子の閾値が低下す
るものと推測される。また活性層とn型層も同じ不純物
が含まれているので、互いの層間で不純物が拡散して
も、悪影響を及ぼすことがない。n型不純物としては、
Si、Ge、Sn等、周期律表第4A族、第4B族、第
6A族及び第6B族より選択される少なくとも一種の元
素が挙げられるが、特に好ましくはSiを用いる。
Furthermore, when such an active layer is doped with an n-type impurity of the same type as that of the n-type layer in which the irregularities are formed, the threshold current of the laser element further decreases. When the active layer is doped with an n-type impurity, an impurity level energy level is further formed between the conduction band and the valence band. As a result, the electron carriers drop to a deeper impurity level energy level, where the electron carriers and hole carriers recombine and emit a smaller energy hν ′. This means that the electron carriers are more localized,
It is presumed that the threshold value of the nitride semiconductor device, particularly the laser device, is lowered due to the effect of the exciton formed more localizedly. Further, since the active layer and the n-type layer contain the same impurities, there is no adverse effect even if the impurities diffuse between the layers. As n-type impurities,
At least one element selected from Group 4A, Group 4B, Group 6A and Group 6B of the periodic table such as Si, Ge, Sn and the like can be mentioned, but Si is particularly preferably used.

【0015】本発明の成長方法の第1の態様において、
n型層を成長させた後、そのn型層の表面に微細な凹凸
を設けるには、例えば以下の方法がある。
In the first aspect of the growth method of the present invention,
After growing the n-type layer, for example, the following method is used to provide fine irregularities on the surface of the n-type layer.

【0016】第1はn型層表面をエッチングする手段で
ある。エッチングには大きく分けてドライエッチング
と、ウエットエッチングとがあるが、好ましくはドライ
エッチングを用いる。ドライエッチングには、反応性イ
オンエッチング(RIE)、反応性イオンビームエッチ
ング(RIBE)、電子サイクロトロン共鳴エッチング
(ECR)、イオンミリング、光励起エッチング等の装
置が挙げられる。いずれもエッチング室内にガスを導入
して、そのガスを活性化させて、窒化物半導体をエッチ
ングする装置であり、ガスの種類を適宜選択することに
より、表面荒さを調整することができる。例えばRIE
であれば、活性Siと活性Clとを含む雰囲気で窒化物
半導体をエッチングできる。ウエットエッチングであれ
ば、例えばリン酸と硫酸の混酸を用いることができる。
The first is a means for etching the surface of the n-type layer. The etching is roughly classified into dry etching and wet etching, but dry etching is preferably used. Examples of dry etching include devices such as reactive ion etching (RIE), reactive ion beam etching (RIBE), electron cyclotron resonance etching (ECR), ion milling, and photoexcited etching. Both of them are devices for introducing a gas into the etching chamber and activating the gas to etch the nitride semiconductor. The surface roughness can be adjusted by appropriately selecting the type of gas. For example, RIE
Then, the nitride semiconductor can be etched in an atmosphere containing active Si and active Cl. If it is wet etching, for example, a mixed acid of phosphoric acid and sulfuric acid can be used.

【0017】第2はn型層表面を研磨(ラッピング、ポ
リシング)する手段である。研磨剤としては例えばダイ
ヤモンド、SiC、WC等がある。研磨時の研磨剤の粒
度、研磨圧力等を適宜調整して、n型層の表面に微細な
凹凸を設ける。
The second is a means for polishing (lapping, polishing) the surface of the n-type layer. Examples of the abrasive include diamond, SiC, WC and the like. Fine irregularities are provided on the surface of the n-type layer by appropriately adjusting the particle size of the polishing agent during polishing, the polishing pressure, and the like.

【0018】また、本発明の成長方法の第2の態様にお
いて、成長後の窒化物半導体層の最表面に微細な凹凸が
形成されるようにn型層を成長させるには、例えば以下
の方法で成長させることができる。
In the second aspect of the growth method of the present invention, for growing the n-type layer so that fine irregularities are formed on the outermost surface of the nitride semiconductor layer after growth, for example, the following method is used. Can be grown in.

【0019】まず第1に、n型層成長終了直前に、その
n型層にn型不純物を多量にドープして、最後に不純物
を多量に含むn型層を成長させる方法がある。不純物を
多量に含む層の膜厚は特に限定するものではないが、1
000オングストローム以下となるように調整すること
が望ましい。1000オングストロームよりも不純物を
多くドープした層を形成すると、n型層自体の結晶性が
悪くなりすぎて、結晶性の良い活性層を成長させること
が難しくなる傾向にある。n型不純物の好ましいドープ
量は1×1018/cm3以上、さらに好ましくは1×10
19/cm3以上、最も好ましくは1×1020/cm3以上に調
整する。
First, there is a method in which the n-type layer is doped with a large amount of n-type impurities immediately before the growth of the n-type layer, and finally the n-type layer containing a large amount of impurities is grown. The thickness of the layer containing a large amount of impurities is not particularly limited, but 1
It is desirable to adjust it to be 000 angstroms or less. When a layer doped with more impurities than 1000 Å is formed, the crystallinity of the n-type layer itself becomes too poor, and it tends to be difficult to grow an active layer having good crystallinity. The preferable doping amount of the n-type impurity is 1 × 10 18 / cm 3 or more, more preferably 1 × 10 8.
It is adjusted to 19 / cm 3 or more, most preferably 1 × 10 20 / cm 3 or more.

【0020】次に第2に、n型層成長終了直前に、n型
層結晶の成長速度を早くして、今まで成長させてきたn
型層よりも、故意に結晶性を悪くする方法がある。この
方法によると、成長速度を早める層の膜厚も特に限定す
るものではないが、10オングストローム以上、100
0オングストローム以下に調整することが望ましい。成
長速度としては、結晶成長方法によっても異なるが、例
えばMOVPE法では今まで成長させてきた結晶の成長
速度に比較して、1.5倍〜10倍の成長速度で成長さ
せる。
Secondly, immediately before the end of the growth of the n-type layer, the growth rate of the n-type layer crystal is increased to n.
There is a method of intentionally making the crystallinity worse than that of the mold layer. According to this method, the film thickness of the layer that accelerates the growth rate is not particularly limited, but 10 angstroms or more and 100
It is desirable to adjust it to 0 angstrom or less. Although the growth rate varies depending on the crystal growth method, for example, in the MOVPE method, the growth rate is 1.5 to 10 times as high as the growth rate of the crystal that has been grown so far.

【0021】窒化物半導体を成長させるには、例えば有
機金属気相成長法(MOVPE)、分子線気相成長法
(MBE)、有機金属分子線気相成長法(MOMB
E)、ハライド気相成長法(HDVPE)法等、従来提
案されている窒化物半導体の成長方法を用いることがで
きる。
To grow a nitride semiconductor, for example, metal organic chemical vapor deposition (MOVPE), molecular beam vapor phase epitaxy (MBE), metal organic molecular beam epitaxy (MOMB).
E), nitride vapor deposition (HDVPE) method, and other conventionally proposed methods for growing a nitride semiconductor can be used.

【0022】[0022]

【実施例】以下、MOVPE法により本発明の素子に係
る、窒化物半導体よりなるレーザ素子を作製する工程
を、図面を参照しながら詳説する。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS The steps of producing a laser device made of a nitride semiconductor according to the device of the present invention by MOVPE will be described in detail below with reference to the drawings.

【0023】[実施例1]図3は本発明の一実施例によ
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。
[Embodiment 1] FIG. 3 is a schematic sectional view showing the structure of a laser device according to an embodiment of the present invention, which is obtained when the device is cut in a direction perpendicular to the resonance direction of laser light. The figure is shown.

【0024】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。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(MgA124)のような絶縁性の基板を
用いることができる。絶縁性基板では、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。絶縁性基板の他、SiC(6H、4H、3Cを含
む)、ZnS、ZnO、GaAs、GaN等の半導体基
板を用い、上下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し、絶縁性基板のよ
うに同一面側の窒化物半導体層にn、p両電極を形成す
ることもできる。
After the substrate 1 made of sapphire (C-face) is set in the reaction vessel and the vessel is sufficiently replaced with hydrogen, the temperature of the substrate is raised to 1050 ° C. while flowing hydrogen to clean the substrate. . In addition to the C plane of sapphire, sapphire having R plane and A plane as main surfaces, and other insulating substrates such as spinel (MgA1 2 O 4 ) can be used for the substrate 1. On the insulating substrate, the obtained laser element has a structure in which an n electrode and ap electrode are formed on the same surface side. In addition to an insulating substrate, a semiconductor substrate of SiC (including 6H, 4H, 3C), ZnS, ZnO, GaAs, GaN, or the like is used, and an n electrode and ap electrode are provided in upper and lower nitride semiconductor layers. It is also possible to form both the n and p electrodes on the same surface of the nitride semiconductor layer as in an insulating substrate.

【0025】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。バッファ層はAlN、GaN、AlGaN等が、
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できる。このバッファ層は基
板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、基板の種類等に
よっては省略することも可能である。
Then, the temperature is lowered to 510 ° C., hydrogen is used as a carrier gas, ammonia and TMG (trimethylgallium) are used as source gases, and a buffer layer 2 made of GaN is formed on the substrate 1 to a film thickness of about 200 Å. Grow. The buffer layer is made of AlN, GaN, AlGaN, etc.
It can be formed at a temperature of 900 ° C. or less and a film thickness of several tens of angstroms to several hundreds of angstroms. This buffer layer is formed in order to mitigate the lattice constant irregularity between the substrate and the nitride semiconductor, but it may be omitted depending on the growth method of the nitride semiconductor, the type of the substrate, and the like.

【0026】バッファ層2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、不純物
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Ga
N層を、800オングストローム/minの速さで、5μ
m成長させる。n型コンタクト層はInXAlYGa
1-X-YN(0≦X、0≦Y、X+Y≦1)で構成することが
でき、特にGaN、InGaN、その中でもSi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A
l、Ti、W、Cu、Zn、Sn、In等の金属若しく
は合金が好ましいオーミックが得られる。
After growing the buffer layer 2, stop only TMG,
The temperature is raised to 1030 ° C. When the temperature reached 1030 ° C., TMG, ammonia gas, and silane gas were used as the raw material gas and the impurity gas, and the n-type contact layer 3 was formed.
Si-doped n-type Ga doped with Si at 8 × 10 18 / cm 3
N layer 5μ at a speed of 800 Å / min
m to grow. The n-type contact layer is In X Al Y Ga
1-XY N (0 ≦ X, 0 ≦ Y, X + Y ≦ 1), and particularly n-type having a high carrier concentration by being composed of GaN, InGaN, and GaN doped with Si or Ge. A layer is obtained and a favorable ohmic contact with the n-electrode is obtained. The material for the n-electrode is A
A metal or alloy such as l, Ti, W, Cu, Zn, Sn, or In provides a preferable ohmic contact.

【0027】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、同じく800オン
グストローム/minの成長速度で、Siを8×1018/c
m3ドープしたSiドープIn0.1Ga0.9N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。このクラック防止層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、厚膜のAlGaN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。このクラック防止層4はn型コンタクト層3内に成
長させても良い。
Next, the temperature was set to 800 ° C., TMG, TMI (trimethylindium), ammonia was used as a source gas, and silane gas was used as an impurity gas. Si was also grown at 8 × 10 18 / min at a growth rate of 800 Å / min. c
A crack prevention layer 4 made of m 3 -doped Si-doped In0.1Ga0.9N is grown to a thickness of 500 Å. The crack prevention layer 4 is grown from an n-type nitride semiconductor containing In, preferably InGaN, so that the n-type cladding layer 5 containing Al to be grown next can be grown as a thick film. preferable. LD
In the case of, the layer serving as the optical confinement layer is preferably 0.1
It is necessary to grow with a film thickness of μm or more. Conventionally Ga
If a thick film of AlGaN is grown directly on the N and AlGaN layers, it is difficult to fabricate the device because the AlGaN grown later has cracks. It is possible to prevent cracks from entering the n-type clad layer 5 containing. The crack prevention layer is 100 angstroms or more, 0.5 μm
It is preferable to grow the film with the following film thickness. When the thickness is less than 100 Å, it is difficult to act as a crack preventive as described above, and when the thickness is more than 0.5 μm, the crystal itself tends to turn black. The crack prevention layer 4 may be omitted depending on conditions such as a growth method and a growth apparatus, but it is preferable to grow it when an LD is manufactured. The crack prevention layer 4 may be grown in the n-type contact layer 3.

【0028】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、同じく800オングストローム/minの
成長速度で、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。この第1の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、上記のように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5
00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。
Next, the temperature is set to 1030 ° C., and TMA (trimethylaluminum), TMG, NH 3 , and
An n-type clad layer 5 made of Si-doped n-type Al0.2Ga0.8N doped with Si at 8 × 10 18 / cm 3 and having a film thickness of 0.5 μm was also formed using SiH 4 at a growth rate of 800 Å / min. Grow. The first n-type cladding layer 5 acts as a carrier confinement layer and an optical confinement layer, and it is desirable to grow a nitride semiconductor containing Al, preferably AlGaN as described above. 100 angstroms or more and 2 μm or less, More preferably 5
A carrier confinement layer having good crystallinity can be formed by growing the film at a thickness of 00 angstrom or more and 1 μm or less.

【0029】続いて、1030℃、Siを8×1018
cm3ドープしたSiドープn型GaNよりなるn型光ガ
イド層6を、同じく800オングストローム/minの成
長速度で、0.2μm成長させる。このn型光ガイド層
6は、活性層の光ガイド層として作用し、GaN、In
GaN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。
Subsequently, at 1030 ° C., Si was added at 8 × 10 18 /
The n-type optical guide layer 6 made of cm 3 -doped Si-doped n-type GaN is grown to a thickness of 0.2 μm at the same growth rate of 800 Å / min. The n-type light guide layer 6 acts as a light guide layer of the active layer, and includes GaN and In.
It is desirable to grow GaN, and usually it is desirable to grow it to a film thickness of 100 angstroms to 5 μm, and more preferably 200 angstroms to 1 μm.

【0030】光ガイド層6成長後、反応容器内の温度を
室温に戻してから、ウェーハを取り出し、RIE装置に
移送する。ついでRIE装置にて、Cl2とSiCl4
スを用い、n型光ガイド層6の表面全体をわずかにエッ
チングする。エッチング終了後、原子間力電子顕微鏡で
n型光ガイド層の表面を観察したところ、およそ30オ
ングストロームの表面荒さが測定できた。
After the growth of the optical guide layer 6, the temperature inside the reaction vessel is returned to room temperature, and then the wafer is taken out and transferred to the RIE apparatus. Then, the entire surface of the n-type optical guide layer 6 is slightly etched by using an RIE apparatus with Cl 2 and SiCl 4 gas. After the etching was completed, the surface of the n-type optical guide layer was observed with an atomic force electron microscope. As a result, a surface roughness of about 30 Å could be measured.

【0031】エッチング後、再度ウェーハを反応容器に
移送し、原料ガスにTMG、TMI、アンモニア、シラ
ンガスを用いて活性層7を成長させる。活性層7は温度
を800℃に保持して、まずSiを8×1018/cm3
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/cm
3ドープしたIn0.01Ga0.95N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7を成長させる。活性層のn型不純物は本実施例
のように井戸層、障壁層両方にドープしても良く、また
いずれか一方にドープしてもよい。
After the etching, the wafer is transferred again to the reaction vessel, and the active layer 7 is grown by using TMG, TMI, ammonia, and silane gas as the source gas. The active layer 7 is maintained at a temperature of 800 ° C., and a well layer made of In0.2Ga0.8N doped with Si at 8 × 10 18 / cm 3 is grown to a thickness of 25 Å. Next, Si is changed to 8 × 10 18 / cm at the same temperature only by changing the TMI molar ratio.
A barrier layer made of 3- doped In0.01Ga0.95N is used.
It is grown to a film thickness of angstrom. This operation is repeated twice, and finally the active layer 7 having a multiple quantum well structure in which well layers are stacked is grown. The n-type impurity of the active layer may be doped in both the well layer and the barrier layer as in this embodiment, or may be doped in either one.

【0032】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Al0.1Ga0.9Nよりな
るp型キャップ層8を300オングストロームの膜厚で
成長させる。このp型キャップ層8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8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3
00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8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
AlYGa1-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8の膜厚の下
限は特に限定しないが、10オングストローム以上の膜
厚で形成することが望ましい。
Next, the temperature is raised to 1050 ° C. and TMG,
Using TMA, NH 3 and Cp 2 Mg (cyclopentadienyl magnesium), a p-type cap layer 8 made of Mg-doped p-type Al0.1Ga0.9N having a bandgap energy larger than that of the active layer is grown to a thickness of 300 angstroms. Let Although the p-type cap layer 8 is p-type, since it is thin, it may be i-type in which carriers are compensated by doping n-type impurities, and most preferably p-type.
The thickness of the p-type cap layer 8 is 0.1 μm or less, more preferably 500 angstroms or less, and most preferably 3 μm.
Adjust to less than 00 angstroms. This is because if the film is grown to a thickness greater than 0.1 μm, cracks are likely to occur in the p-type cap layer 8 and a nitride semiconductor layer having good crystallinity is difficult to grow. Also, carriers cannot pass through this energy barrier due to the tunnel effect. Also,
If AlGaN with a large Al composition ratio is formed thinner, LD
The element becomes easy to oscillate. For example, in the case of Al Y Ga 1 -Y N having a Y value of 0.2 or more, it is desirable to adjust it to 500 angstroms or less. The lower limit of the film thickness of the p-type cap layer 8 is not particularly limited, but it is desirable to form the p-type cap layer 8 with a film thickness of 10 angstroms or more.

【0033】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8よりも小さい、Mgドープp
型GaNよりなるp型光ガイド層9を0.2μmの膜厚
で成長させる。この層は、活性層の光ガイド層として作
用し、n型光ガイド層6と同じくGaN、InGaNで
成長させることが望ましい。また、この層はp型クラッ
ド層10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2
00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。
Subsequently, at 1050 ° C., the Mg-doped p layer having a bandgap energy smaller than that of the p-type cap layer 8 is formed.
The p-type light guide layer 9 made of n-type GaN is grown to a thickness of 0.2 μm. This layer acts as a light guide layer of the active layer, and it is desirable to grow GaN or InGaN as with the n-type light guide layer 6. This layer also acts as a buffer layer when growing the p-type cladding layer 10.
100 angstrom to 5 μm, more preferably 2
When grown to a film thickness of 00 Å to 1 μm, it acts as a preferable light guide layer.

【0034】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9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10を0.
5μmの膜厚で成長させる。この層は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AlG
aN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。
Subsequently, at 1050 ° C., the Mg-doped p having a bandgap energy larger than that of the p-type optical guide layer 9 is formed.
The p-type clad layer 10 made of Al0.2Ga0.8N is 0.2
Grow with a film thickness of 5 μm. This layer is the n-type cladding layer 5
Similarly, a nitride semiconductor containing Al, which acts as a carrier confinement layer and a light confinement layer and contains Al, preferably AlG.
It is desirable to grow aN, and by growing it at 100 angstroms or more and 2 μm or less, more preferably 500 angstroms or more and 1 μm or less,
A carrier confinement layer having good crystallinity can be formed.

【0035】本実施例のようにInGaNよりなる井戸
層を有する量子構造の活性層7の場合、その活性層7に
接して、膜厚0.1μm以下のAlを含むp型キャップ
層8を設け、そのp型キャップ層8よりも活性層から離
れた位置に、p型キャップ層8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9を設け、そのp型光
ガイド層9よりも活性層から離れた位置に、p型光ガイ
ド層9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10を設けることは非常
に好ましい。しかもp型キャップ層8の膜厚を0.1μ
m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8を通り抜けることが
できて、活性層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
8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、キャリアは活性層をオーバーフローせず、p型キャ
ップ層8で阻止されるため、キャリアが活性層に貯ま
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
7から上の層は、窒化物半導体で発振しやすい最も好ま
しい構成を示したが、本発明では活性層から上のp型層
の構成は特に規定するものではない。
In the case of the active layer 7 having the quantum structure having the well layer made of InGaN as in this embodiment, the p-type cap layer 8 containing Al and having a film thickness of 0.1 μm or less is provided in contact with the active layer 7. A p-type optical guide layer 9 having a smaller bad gap energy than the p-type cap layer 8 is provided at a position farther from the active layer than the p-type cap layer 8, and the p-type optical guide layer 9 is closer to the active layer than the p-type optical guide layer 9. It is very preferable to provide the p-type cladding layer 10 made of a nitride semiconductor containing Al having a bandgap larger than that of the p-type optical guide layer 9 at distant positions. Moreover, the film thickness of the p-type cap layer 8 is 0.1 μm.
Since it is set as thin as m or less, it does not act as a carrier barrier, and holes injected from the p layer can pass through the p-type cap layer 8 due to the tunnel effect, so that the active layer can be efficiently formed. The output of the LD is improved by recombining. That is, since the injected carriers have a large band gap energy of the p-type cap layer 8, the carriers do not overflow into the active layer even if the temperature of the semiconductor element rises or the injection current density increases, and p Since it is blocked by the mold cap layer 8, carriers are accumulated in the active layer, and it is possible to efficiently emit light. Therefore, even if the temperature of the semiconductor element rises, the light emission efficiency is less likely to decrease, so that the LD having a low threshold current can be realized.
In addition, in the present invention, the layer above the active layer 7 has a most preferable structure in which it easily oscillates in the nitride semiconductor when the LD is formed. However, in the present invention, the structure above the active layer 7 is the p-type layer. Is not specifically defined.

【0036】最後に、p型クラッド層10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11を0.5μmの膜厚で成長させる。p型コンタク
ト層11はp型のInXAlYGa1-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
と好ましいオーミックが得られるp電極の材料として
は、例えばNi、Pd、Ni/Au等を挙げることがで
きる。
Finally, on the p-type cladding layer 10, 10
At 50 ° C., the p-type contact layer 11 made of Mg-doped p-type GaN is grown to a film thickness of 0.5 μm. The p-type contact layer 11 is a p-type In X Al Y Ga 1-XY N (0 ≦ X, 0 ≦
Y, X + Y ≦ 1), preferably Mg
The most preferable ohmic contact with the p-electrode 21 is obtained by using GaN doped with. Note that examples of the material of the p-electrode which can obtain a preferable ohmic contact with the p-type contact layer include Ni, Pd, Ni / Au and the like.

【0037】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。
After the reaction is completed, the temperature is lowered to room temperature, and the wafer is further heated to 700 ° C. in a reaction vessel in a nitrogen atmosphere.
Annealing is performed at 0 ° C. to further reduce the resistance of the p-type layer.

【0038】アニーリング後、ウェーハを反応容器から
取り出し、図3に示すように、RIE装置でにより最上
層のp型コンタクト層11と、p型クラッド層10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。このように、活性層よりも上部にある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3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。
After the annealing, the wafer was taken out of the reaction container, and the uppermost p-type contact layer 11 and the p-type clad layer 10 were etched by an RIE apparatus to obtain a stripe width of 4 μm as shown in FIG. It has a ridge shape. As described above, by forming the p-type layer above the active layer into a stripe ridge shape, the light emission of the active layer is concentrated under the stripe ridge, and the threshold value is lowered. In particular, it is preferable that the layer above the p-type nitride semiconductor layer containing Al, which is above the active layer, has a ridge shape. After the ridge is formed, a mask is formed on the surface of the ridge, and as shown in FIG. 3, the surface of the n-type contact layer 3 is exposed by making the stripe ridge symmetrical.

【0039】次にp型コンタクト層11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。
Next, p electrodes 21 made of Ni and Au are formed in stripes on the surface of the p-type contact layer 11. On the other hand, the n electrode 22 made of Ti and Al is formed into a stripe-shaped n
It is formed on almost the entire surface of the mold contact layer 3. The term "almost entire surface" means an area of 80% or more.

【0040】次に、図3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
2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。
Next, as shown in FIG.
Si is formed on the surface of the nitride semiconductor layer exposed between the electrode 21 and
An insulating film 30 made of O 2 is formed, and a pad electrode 23 electrically connected to the p-electrode 21 via the insulating film 30 is formed. The pad electrode 23 has a function of substantially expanding the surface area of the p-electrode 21 so that the p-electrode side can be wire-bonded.

【0041】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。
As described above, the wafer on which the n-electrode and the p-electrode are formed is transferred to the polishing apparatus, and the sapphire substrate 1 on the side where the nitride semiconductor is not formed is lapped by using the diamond abrasive. The thickness of the substrate is 50 μm. After lapping, the substrate surface is mirror-finished by polishing with 1 μm with a finer polishing agent.

【0042】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
After polishing the substrate, scribe the polishing surface side,
Cleavage is performed in a bar shape in a direction perpendicular to the striped electrode, and a resonator is formed on the cleaved surface. The cleavage plane is the surface of the nitride semiconductor surface grown on the sapphire substrate.

【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。
[Outer 1] Face. The outer one surface is a surface corresponding to a quadrangular surface (M surface) corresponding to a side surface of the hexagonal prism when the nitride semiconductor is approximated by a regular hexagonal prism hexagonal system. In addition, the end face may be etched by a dry etching means such as RIE to manufacture the resonator. In addition to this, it is also possible to create the cleaved surface by mirror polishing.

【0043】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1.5kA/cm2、閾
値電圧6Vで、発振波長405nmの連続発振が確認さ
れ、3日間の連続発振を確認した。
After cleavage, a dielectric multilayer film made of SiO 2 and TiO 2 was formed on the cavity surface, and finally the bar was cut in the direction parallel to the p electrode to obtain a laser chip. Next, the chip was placed face-up (the substrate and the heat sink faced each other) on the heat sink, each electrode was wire-bonded, and laser oscillation was attempted at room temperature. The threshold current density was 1.5 kA / With a cm 2 and a threshold voltage of 6 V, continuous oscillation with an oscillation wavelength of 405 nm was confirmed, and continuous oscillation for 3 days was confirmed.

【0044】[実施例2]実施例1において、n型光ガ
イド層6成長後、n型光ガイド層6の表面をダイヤモン
ド粉を含む研磨剤を用いて、わずかにポリシングする。
ポリシング後に同様にして、n型光ガイド層の表面を観
察すると、およそ50オングストロームの表面荒さが観
測できた。その後は実施例1と同様にして活性層、p型
層等を成長させて同じくレーザ素子としたところ、閾値
電流密度1.5kA/cm2、閾値電圧6Vにおいて、2
日間の連続発振を確認した。これは凹凸段差が大きくな
ったことにより寿命がやや低下したものと推察される。
[Embodiment 2] In Embodiment 1, after the n-type light guide layer 6 is grown, the surface of the n-type light guide layer 6 is slightly polished with an abrasive containing diamond powder.
When the surface of the n-type light guide layer was observed in the same manner after polishing, a surface roughness of about 50 Å could be observed. After that, when an active layer, a p-type layer and the like were grown in the same manner as in Example 1 to obtain a laser device, the threshold current density was 1.5 kA / cm 2 , and the threshold voltage was 6 V.
We confirmed continuous oscillation for one day. It is speculated that this is because the life of the product was slightly shortened due to the increase in the unevenness.

【0045】[実施例3]実施例1においてn型光ガイ
ド層6を成長させる工程を次のように行う。即ち温度を
1030℃に保持して、Siを8×1018/cm3ドープ
したSiドープn型GaNよりなるn型光ガイド層6
を、同じく800オングストローム/minの成長速度
で、0.16μm成長させる。0.16μm成長したと
同時に、TMGガス、アンモニアガスを止めずに、シラ
ンガスのみの流量を多くして、光ガイド層を連続して3
0秒間成長させ、最後の400オングストローム分の膜
厚の光ガイド層をSiを高濃度でドープする。この最後
の400オングストローム分のn型光ガイド層のSi濃
度は1×1021/cm3であった。成長後、ウェーハを反
応容器から取り出し、実施例と同様にして表面荒さを測
定したところ、40オングストロームであった。後は実
施例1と同様にして、このn型光ガイド層の上に、活性
層、p型層を成長させレーザ素子を作製したところ、実
施例1とほぼ同等の特性を有するレーザ素子が作製でき
た。
[Third Embodiment] The step of growing the n-type optical guide layer 6 in the first embodiment is performed as follows. That is, maintaining the temperature at 1030 ° C., the n-type optical guide layer 6 made of Si-doped n-type GaN doped with Si at 8 × 10 18 / cm 3
Is grown at a growth rate of 800 Å / min for 0.16 μm. At the same time as the growth of 0.16 μm, the flow rate of only the silane gas was increased without stopping the TMG gas and the ammonia gas, and the optical guide layer was continuously formed to 3
After growing for 0 second, the optical guide layer having a film thickness of the last 400 Å is doped with Si at a high concentration. The Si concentration of the n-type light guide layer for the last 400 Å was 1 × 10 21 / cm 3 . After the growth, the wafer was taken out of the reaction container, and the surface roughness was measured in the same manner as in Example, and it was 40 Å. After that, an active layer and a p-type layer were grown on this n-type optical guide layer in the same manner as in Example 1 to produce a laser device, and a laser device having almost the same characteristics as in Example 1 was produced. did it.

【0046】[実施例4]実施例1においてn型光ガイ
ド層6を成長させる工程を次のように行う。即ち温度を
1030℃に保持して、Siを8×1018/cm3ドープ
したSiドープn型GaNよりなるn型光ガイド層6
を、同じく800オングストローム/minの成長速度
で、0.16μm成長させ、0.16μm成長したと同
時に、原料ガスの流量を倍にして、1600オングスト
ローム/minの成長速度で、光ガイド層を連続して15
秒間成長させ、最後の400オングストローム分の膜厚
の光ガイド層を倍の成長速度で成長させる。成長後、ウ
ェーハを反応容器から取り出し、実施例と同様にして表
面荒さを測定したところ、30オングストロームであっ
た。後は実施例1と同様にして、このn型光ガイド層の
上に、活性層、p型層を成長させレーザ素子を作製した
ところ、実施例1とほぼ同等の特性を有するレーザ素子
が作製できた。
[Embodiment 4] The step of growing the n-type optical guide layer 6 in Embodiment 1 is performed as follows. That is, maintaining the temperature at 1030 ° C., the n-type optical guide layer 6 made of Si-doped n-type GaN doped with Si at 8 × 10 18 / cm 3
At the same growth rate of 800 Å / min, 0.16 μm and 0.16 μm, and at the same time, the flow rate of the source gas was doubled and the light guide layer was continuously formed at a growth rate of 1600 Å / min. 15
The optical guide layer having a thickness of 400 angstroms is grown at a doubling growth rate. After the growth, the wafer was taken out of the reaction container, and the surface roughness was measured in the same manner as in the example, and it was 30 Å. After that, an active layer and a p-type layer were grown on this n-type optical guide layer in the same manner as in Example 1 to produce a laser device, and a laser device having almost the same characteristics as in Example 1 was produced. did it.

【0047】以上、実施例3、4ではn型光ガイド層を
成長させた後、その表面荒さを測定するために、ウェー
ハを反応容器から取り出しているが、実際のレーザ素子
は反応容器から取り出さずに、基板の上に窒化物半導体
層を連続してp型コンタクト層まで成長させている。
As described above, in Examples 3 and 4, the wafer is taken out from the reaction container in order to measure the surface roughness of the n-type optical guide layer after it is grown. However, the actual laser device is taken out from the reaction container. Instead, the nitride semiconductor layer is continuously grown up to the p-type contact layer on the substrate.

【0048】[実施例4]実施例1において、エッチン
グレートを変えて、n型光ガイド層6の表面荒さを10
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1.5kA/cm2、閾
値電圧6Vで1時間の連続発振を確認した。
[Embodiment 4] In Embodiment 1, the etching rate is changed to change the surface roughness of the n-type optical guide layer 6 to 10.
A laser device was obtained in the same manner except that it was set to 0 angstrom, and it was confirmed that continuous oscillation for 1 hour was performed at a threshold current density of 1.5 kA / cm 2 and a threshold voltage of 6V.

【0049】[実施例5]実施例2において、研磨剤を
変えて、n型光ガイド層6の表面荒さを150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、連続発振は確認できなかったが、パルス幅200μ
s、パルス周期2msのパルス電流において100日間
の発振を確認した。
[Embodiment 5] A laser element was obtained in the same manner as in Embodiment 2 except that the polishing agent was changed and the surface roughness of the n-type optical guide layer 6 was set to 150 Å. Continuous oscillation was confirmed. There was not, but pulse width 200μ
Oscillation was confirmed for 100 days with a pulse current of s and a pulse period of 2 ms.

【0050】[0050]

【発明の効果】以上説明したように、本発明の窒化物半
導体素子は微細な凹凸を有するn型層に接して、量子構
造を有する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。これはインジウムを含む活性層が量子
ドット構造、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。また、本発明の技術は、LED、LDの
ような発光デバイスだけではなく、トランジスタ、FE
T、MOS等の窒化物半導体をを用いた全ての電子デバ
イスに適用できることはいうまでもない。
As described above, in the nitride semiconductor device of the present invention, the output of the device is remarkably improved by contacting the n-type layer having fine irregularities and growing the active layer having the quantum structure. . It is speculated that this is because the active layer containing indium is likely to have a quantum dot structure or a quantum box structure. Therefore, it is possible to realize a laser device having a high output and a long life. Due to the improvement of the laser element, the LED element used under a more lenient condition than the laser element has higher reliability. In addition, the technology of the present invention is applicable not only to light emitting devices such as LEDs and LDs but also to transistors and FEs.
It goes without saying that the present invention can be applied to all electronic devices using nitride semiconductors such as T and MOS.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】 従来のレーザ素子の一構造を示す模式断面
図。
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing one structure of a conventional laser element.

【図2】 本発明に係る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。
FIG. 2 is a schematic cross-sectional view showing a structure near an active layer of a nitride semiconductor device according to the present invention.

【図3】 本発明の一実施例に係るレーザ素子の構造を
示す模式断面図。
FIG. 3 is a schematic cross-sectional view showing the structure of a laser device according to an embodiment of the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

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・・・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 21・・・p電極 22・・・n電極 23・・・パッド電極 30・・・絶縁膜 1 ... Sapphire substrate 2 ... Buffer layer 3 ... n-type contact layer 4 ... Crack prevention layer 5 ... n-type clad layer 6 ... n type light guide layer 7 ... Active layer 8: p-type cap layer 9 ... p-type optical guide layer 10 ... p-type clad layer 11 ... p-type contact layer 21 ... p electrode 22 ... n electrode 23 ... Pad electrode 30 ... Insulating film

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭61−212085(JP,A) 特開 平5−21903(JP,A) 特開 平3−34594(JP,A) 特開 平5−183230(JP,A) 特開 平6−112122(JP,A) 9p−ZF−1,1996(平成8年)秋 季第57回応用物理学会学術講演会予稿集 第1分冊,日本,1996年 9月,第 254頁 9p−ZF−2,1996(平成8年)秋 季第57回応用物理学会学術講演会予稿集 第1分冊,日本,1996年 9月,第 254頁 9p−ZF−9,1996(平成8年)秋 季第57回応用物理学会学術講演会予稿集 第1分冊,日本,1996年 9月,第 253頁 (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01S 5/00 - 5/50 H01L 33/00 ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (56) Reference JP-A-61-22085 (JP, A) JP-A-5-21903 (JP, A) JP-A-3-34594 (JP, A) JP-A-5- 183230 (JP, A) JP-A-6-112122 (JP, A) 9p-ZF-1, 1996 (1996) Autumn Proceedings of 57th Annual Meeting of the Society of Applied Physics, Japan, 1996 September, pp. 254 9p-ZF-2, 1996 (1996) Autumn Proceedings of 57th Annual Meeting of Japan Society of Applied Physics, 1st volume, Japan, September 1996, pp. 254, 9p-ZF-9 , 1996 (1996) Autumn Proceedings of 57th Annual Meeting of the Japan Society of Applied Physics, Volume 1, Japan, September 1996, p. 253 (58) Fields investigated (Int.Cl. 7 , DB name) H01S 5/00-5/50 H01L 33/00

Claims (8)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 n型窒化物半導体層とp型窒化物半導体
層との間に、量子構造を有する活性層が形成されてなる
窒化物半導体素子において、前記活性層がInGaNよ
り井戸層を有し、表面に微細な凹凸が設けられたn型窒
化物半導体層に接して活性層が形成され、前記InGa
Nが凹凸領域を有し、活性層面内で横方向のキャリアの
閉じこめによる量子構造が設けられていることを特徴と
する窒化物半導体素子。
1. In a nitride semiconductor device having an active layer having a quantum structure formed between an n-type nitride semiconductor layer and a p-type nitride semiconductor layer, the active layer has a well layer made of InGaN. Then, the active layer is formed in contact with the n-type nitride semiconductor layer having fine irregularities on the surface thereof, and the InGa
A nitride semiconductor device, wherein N has a concavo-convex region, and is provided with a quantum structure by confining carriers in the lateral direction in the plane of the active layer.
【請求項2】 n型窒化物半導体層とp型窒化物半導体
層との間に、量子構造を有する活性層が形成されてなる
窒化物半導体素子において、前記活性層がInを含む窒
化物半導体からなる井戸層を有し、表面に微細な凹凸が
設けられたn型窒化物半導体層に接して活性層が形成さ
れることにより、活性層面内に、インジウムリッチ領域
とインジウムプアー領域とを有して、横方向のキャリア
の閉じこめによる量子構造が設けられていること特徴と
する窒化物半導体素子。
2. A nitride semiconductor device having an active layer having a quantum structure formed between an n-type nitride semiconductor layer and a p-type nitride semiconductor layer, wherein the active layer contains In. The active layer is formed in contact with the n-type nitride semiconductor layer having the well layer made of, and the surface of which is provided with fine irregularities, thereby forming an indium-rich region and an indium poor region in the active layer surface. Then, the nitride semiconductor device is provided with a quantum structure by confining lateral carriers.
【請求項3】 前記活性層が凹凸を有し、前記インジウ
ムリッチ領域とインジウムプアー領域とを有して、キャ
リアが横方向の閉じこめによる量子構造が設けられてい
ること特徴とする請求項2記載の窒化物半導体素子。
3. The active layer has unevenness, has the indium rich region and the indium poor region, and is provided with a quantum structure by lateral confinement of carriers. Nitride semiconductor device.
【請求項4】 前記Inを含む窒化物半導体からなる井
戸層が、InGaNであることを特徴とする請求項2又
は3記載の窒化物半導体素子。
4. The nitride semiconductor device according to claim 2, wherein the well layer made of a nitride semiconductor containing In is InGaN.
【請求項5】 前記n型窒化物半導体層の表面の凹凸の
平均段差が10オングストローム〜100オングストロ
ームの範囲内にあることを特徴とする請求項1又は3に
記載の窒化物半導体素子。
5. The nitride semiconductor device according to claim 1, wherein the average step of the unevenness on the surface of the n-type nitride semiconductor layer is in the range of 10 Å to 100 Å.
【請求項6】 前記井戸層の膜厚が、70オングストロ
ーム以下であることを特徴とする請求項1乃至5記載の
窒化物半導体素子。
6. The nitride semiconductor device according to claim 1, wherein the well layer has a film thickness of 70 angstroms or less.
【請求項7】 n型窒化物半導体層を成長させた後、そ
のn型窒化物半導体層の表面に微細な凹凸を設ける工程
と、その凹凸が設けられたn型窒化物半導体層に接し
て、量子構造を有し、且つInGaNよりなる井戸層を
有する活性層を成長させる工程とを備え、該凹凸の平均
段差が10オングストローム〜100オングストローム
の範囲内にあることを特徴とする窒化物半導体の成長方
法。
7. A step of, after growing an n-type nitride semiconductor layer, providing fine irregularities on the surface of the n-type nitride semiconductor layer, and contacting the n-type nitride semiconductor layer provided with the irregularities. A step of growing an active layer having a quantum structure and a well layer made of InGaN, wherein the average step of the unevenness is in the range of 10 Å to 100 Å. How to grow.
【請求項8】 前記凹凸を設ける工程が、成長後の窒化
物半導体層の最表面に微細な凹凸が形成されるようにn
型窒化物半導体層を成長させることを特徴とする請求項
7記載の窒化物半導体の成長方法。
8. The step of providing the irregularities is performed so that fine irregularities are formed on the outermost surface of the nitride semiconductor layer after growth.
The method for growing a nitride semiconductor according to claim 7, wherein a type nitride semiconductor layer is grown.
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