JP3443185B2 - 発光素子 - Google Patents

発光素子

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、基板としてα−SiC
基板を用いた半導体レーザ素子,LED等の半導体装置
に関する。
【0002】本発明は、基板としてα−SiC基板を用
いた半導体レーザ素子,LED等の発光素子に関する。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、サファ
イヤ基板は劈開によって正確で安定な分断が困難である
ので、サファイヤ基板(ウエハ)上に複数の窒化ガリウ
ム系化合物半導体層を形成した後、素子分離する際に一
方向への分断を劈開にて行った場合、歩留まりが悪くな
るという問題があった。
【0004】特に、従来のAlGaAs系半導体レーザ
などの光出射端面(ミラー面)には劈開面が用いられる
が、上述のサファイヤ基板を用いた窒化ガリウム系半導
体レーザでは劈開面がミラー面とならないので、エッチ
ングなどによりミラー面を作製する必要があり、製造工
程数が多くなるといった問題があった。しかも、上記サ
ファイヤ基板は絶縁性材料であるので、LED又は半導
体レーザの一般的な構造を採用することができず、所謂
ラテラル型などの複雑な構造になるといった問題もあっ
た。
【0005】更には、サファイヤと窒化ガリウム系化合
物半導体層の格子不整合が大きい(例えばサファイヤと
GaN(窒化ガリウム)との格子不整合は16%程度)
ため、発光素子の寿命が短い等の特性劣化を招いてい
た。また、上述のサファイヤ基板に替えて、GaN等と
の格子不整合が2.5%と小さく、且つ導電性のα−S
iC基板のc面、又はこれに対して4度以下の傾斜面上
にGaNを形成することが試みられている(特開昭60
−26079号公報(C30B 29/40))。
【0006】しかしながら、上述のようにα−SiC基
板の上記c面、又はこれに対して4度以下の傾斜面等を
結晶成長面とした場合には、劈開によって素子分離、ミ
ラー面の形成が困難であるといった問題があった。本発
明はかかる事情に鑑みてなされたものであって、高精度
な劈開面が得られる構造を有する発光素子を提供するこ
とを目的とする。
【0007】
【課題を解決するための手段】第1の発明は、α−Si
C基板と、該α−SiC基板の(11−20)面又はこ
れとなす角度が10度以内の傾斜面に形成した複数の窒
化ガリウム系化合物半導体層とからなることを特徴とす
る。
【0008】第2の発明は、前記α−SiC基板は2H
−SiC基板、4H−SiC基板、又は6H−SiC基
板であることを特徴とする。
【0009】
【0010】
【作用】第1の発明にあっては、結晶成長面としてα−
SiC基板の(11−20)面又はこれとなす角度が1
0°以内の傾斜面を用いることで、窒化ガリウム系化合
物半導体エピタキシャル層との格子不整合が小さく、又
c軸と垂直な方向に広く凹凸のない劈開面を容易に得る
ことが可能となる。また、(11−20)面を用いるこ
とで窒化ガリウム系化合物の均一、且つ安定したエピタ
キシャル成長層が得られる。
【0011】第2の発明にあっては、2H−SiC基
板,4H−SiC基板、又は6H−SiC基板を用いる
ことで、窒化ガリウム系化合物半導体エピタキシャル層
との格子不整合をより低減し得、結晶性の向上が可能と
なる。
【0012】
【0013】
【実施例】以下本発明をその実施例を示す図面に基づい
て詳述する。図1は本発明を半導体レーザ素子として構
成した場合の模式図であり、図中1はn型のα−SiC
基板を示している。n型のα−SiC基板のa面にMO
CVD法(有機金属化学気相成長法)を利用して、層厚
が2〜4μmのn型のGaN層2、層厚が0.8〜1μ
mのn型のAlGaNクラッド層3、層厚が300〜6
00ÅのInGaN活性層4、層厚が0.8〜1μmの
p型のAlGaNクラッド層5、層厚が0.2〜0.6
μmのp型のGaN層6をこの順序に積層形成してあ
る。
【0014】そしてこのp型のGaN層6の表面中央部
を除く両側に電流狭窄のためストライプ状のSiO2
又SiNからなる絶縁層7,7を形成した後、この絶縁
層7,7及びこの間に露出しているp型のGaN層6の
表面にわたってAu電極9を形成し、またα−SiC基
板1の下面にNi電極10を形成して構成されている。
このような半導体レーザ素子にあってはAu電極9、N
i電極10の間に所定の電圧を印加することで、矢印方
向にレーザビームが出射されるようになっている。
【0015】図2は本発明をLEDとして構成した場合
の模式図であり、図中11はn型のα−SiC基板を示
している。α−SiC基板11のa面上にMOCVD法
を用いて厚さが2〜4μmのn型のGaN層12、厚さ
が0.1〜0.3μmのn型のAlGaNクラッド層1
3、厚さが300〜600ÅのInGaN活性層14、
厚さが0.1〜0.3μmのp型のAlGaNクラッド
層15、厚さが0.2〜0.6μmのp型のGaN層1
6をこの順序に積層形成すると共に、前記p型のGaN
層16の上面中央部に円板状のAu電極17を、またα
−SiC基板11の下面にNi電極18を夫々積層形成
して構成されている。このようなLEDにあっては、A
u電極17,Ni電極18に所定の電圧を印加すること
で矢印方向に光が出射されるようになっている。
【0016】図1,図2に示した半導体レーザ素子,L
ED夫々において、基板として用いられるα−SiCは
a面のみに限らず、これと0〜10°の角度で傾斜する
傾斜面を結晶成長面として用いてもよい。このようなα
−SiC基板1のa面を結晶成長面として用いること
で、c軸と直交する方向でのダイシング分離,劈開が可
能となり、しかも広く凹凸のない平坦な、即ちc面が得
られ、製造が容易で、特にレーザ素子に適用してその特
性向上に寄与するところが大である。
【0017】α−SiCには、具体的に示すと2H−S
iC,4H−SiC,6H−SiC,15R−SiC等
が属しているが、これらa面又はこれに対し0〜10°
の角度で傾斜する傾斜面は前述した如き窒化ガリウム系
化合物半導体層との格子不整合が小さいことは勿論、c
軸方向と垂直な方向への劈開により、広く凹凸のない劈
開面が得られ、夫々基板として利用可能である。
【0018】このうち2H−SiC,4H−SiC,6
H−SiCはGaNを含む窒化ガリウム系化合物半導体
と同じ六方晶であることから、GaNをエピタキシャル
成長させる上でより望ましい。更にこのうちの2H−S
iCはGaNと同じウルツァイト構造であることから、
GaNのエピタキシャル成長層の結晶性向上の面から基
板として最も望ましいといえる。また、α−SiCのa
面には複数の等価面が存在するが、このうちa面の一つ
である(11−20)面、又は(10−10)面は他の
面と比較してその入手の容易性、製造工程上における加
工作業性において優れている。
【0019】表1にα−SiC,InN,AlN,サフ
ァイヤ(Al2 3 )等基板材料の特性、即ち半導体材
料の特性として重要なバンドギャップ,線熱膨張係数,
格子定数、及び格子不整合について示す。
【0020】
【表1】
【0021】表1から明らかなようにGaNの線熱膨張
係数が5.59〔10-6-1〕に対してサファイヤの線
熱膨張係数は7.3〜7.5〔10-6-1〕,α−Si
Cのそれは4.2〜5.4〔10-6-1〕である。従っ
てサファイヤとGaNとの線熱膨張係数差は1.71〜
1.91〔10-6-1〕,α−SiCのそれは0.19
〜1.39〔10-6-1〕であり、サファイヤに比べて
α−SiCの方がGaNとの線熱膨張係数の差が小さ
い。
【0022】また、同様にしてInN,AlNにおいて
もサファイヤに比べてα−SiCの方が線熱膨張係数の
差が小さい。従って線熱膨張係数の差から見て、Ga
N,InGaN,AlGaN等の少なくともGa及びN
を有する窒化ガリウム系化合物半導体の結晶成長におい
てサファイヤに比べ、線熱膨張係数差の小さいα−Si
Cを基板に用いる方が、温度,変化に対して安定した結
晶成長層が得られることが解る。
【0023】また表1より明らかな如くサファイヤ(A
2 3 )のGaNとの格子不整合が16%に対してα
−SiCのGaNとの格子不整合が2.6%とサファイ
ヤの約5分の1と格段に小さい。またサファイヤとIn
Nとの格子定数差が1.22Åに対してα−SiCとI
nNとの格子定数差が0.46Å、一方サファイヤとA
lNとの格子定数差が1.65Åであるのに対してα−
SiCとAlNとの格子定数差が0.03Åであり、I
nN,AlNの何れもサファイヤに比べα−SiCの方
が格子整合性がある。よってGaN,InGaN,Al
GaN等の少なくともGa及びNを有する窒化ガリウム
系化合物半導体の結晶成長において、サファイヤよりも
α−SiCを基板に用いる方が、格子不整合が原因とな
る窒化ガリウム系化合物半導体の欠陥が減少する。
【0024】一般にGaN層のMOCVD法による結晶
成長は、例えば約800℃〜1000℃で行われ、また
発光素子としては室温付近で使用される。従って約80
0℃〜約1000℃付近で成長したGaN層,AlGa
N層,InGaN層は約800℃〜1000℃付近では
基板に何のストレスもなく成長していると考えられる
が、成長が終了して温度が約800℃〜1000℃から
室温にまで低下すると、基板とGaN層との線熱膨張係
数差が大きい場合には基板とGaN層とに熱による伸縮
差が生じることとなり、GaN層に伸縮差によるストレ
スが生じ、このストレスはGaN層のクラック(割
れ)、その他の欠陥の原因となることから線熱膨張係数
の差が小さいことは基板材料として極めて重要な意味を
持っている。
【0025】図3はウルツァイト,4H−SiC,6H
−SiC夫々の原子配列図、図4はウルツァイトにおけ
る(11−20)面を示す説明図であり、縦軸,横軸の
A,B,Cは六方晶層を、また●印はヘキサゴナル サ
イト(Hexagonalsite)を、また○印はキ
ュービック サイト(Cubic site)を夫々示
している。
【0026】図3(a)の原子配列図は、図4にハッチ
ングを付して示した(11−20)面を平面的に示した
ものである。図3(a)に示す如くGaN,AlGaN
及びInGaNが有するウルツァイト構造の場合、a面
の一つである(11−20)面ではA層,B層の各層の
いずれもがヘキサゴナル サイトを有しているが、2H
−SiC、GaNの場合、これと同じヘキサゴナル サ
イトが存在しており、ウルツァイトのa面と同じ構造で
ある2H−SiCのa面の一つである(11−20)面
上にGaNの成長が可能である。またc軸方向と直交す
る方向に対する劈開により凹凸のないきれいな広い劈開
面が得られることも解る。このことから2H−SiCは
GaNと同じくウルツァイトであり、GaNのエピタキ
シャル成長層の結晶性向上に特に有効である。
【0027】一方これに対して図3(b)に示す4H−
SiC、図3(c)に示す6H−SiCの場合は同じa
面の一つである(11−20)面では、4H−SiCに
あってはB層がキュービック サイトであり、また6H
−SiCにあってはB層,C層がキュービック サイト
となっており、a面上に対する窒化ガリウム系化合物半
導体層の成長に際して、図3(a)に示す2H−SiC
と比較すればGaNの結晶成長性に若干の難点はある
が、他のサファイヤ基板等に比較すれば格段に良好な結
晶性を有しているということが出来る。またc軸方向と
直交する方向、即ちc面方向への劈開で同様にきれいな
劈開面が得られることも解る。
【0028】なお上述の実施例においてはa面のα−S
iC基板に窒化ガリウム系化合物半導体層として、Ga
N,Inx Ga1-x N,Alx Ga1-x N等の少なくと
もGaとNを含む窒化ガリウム系半導体を用いた各LE
D,半導体レーザについて説明したが、これた実施例に
限らず、窒化ガリウム系半導体を用いたLED,半導体
レーザが実現できる。また、上述の実施例ではn型のα
−SiC基板に用いたが、p型のα−SiC基板を用い
てもよく、この場合各導電層の導電型を逆にすればよ
い。
【0029】例えば、実施例においては、n型のGaN
層,n型のAlGaNクラッド層,InGaN活性層,
p型のAlGaNクラッド層 p型のGaN層のダブル
ヘテロ構造について示したが、これに限らずn型のGa
Nとp型のGaNのPN接合からなるLED、n型のG
aNクラッド層,InGaN活性層,p型のGaNクラ
ッド層のダブルヘテロ構造,n型のAlGaNクラッド
層,InGaN活性層,p型のAlGaNクラッド層の
ダブルヘテロ構造,n型のAlGaNクラッド層,Ga
N活性層,p型のAlGaNクラッド層のダブルヘテロ
構造等と少なくともGaとNを有する窒化ガリウム系化
合物半導体層との組み合わせによる積層構造の半導体レ
ーザ素子,LED等の半導体装置も本発明の実施例中に
含むものである。更には、活性層は窒化ガリウム系半導
体からなる量子井戸構造にしてもよい。
【0030】このような実施例にあっては、α−SiC
基板のa面、又はa面と0〜10度の範囲内で傾斜した
面を用いることで基板材料の入手が容易で、しかもその
表面に形成すべき窒化ガリウム系化合物の結晶性もよ
く、加えてc軸方向と直交するc面に沿って劈開するこ
とで凹凸のないきれいな劈開面が得られ、半導体レーザ
素子用基板,LED用基板として適用して格段にその特
性の向上を図れる。
【0031】
【発明の効果】以上の如く第1の発明にあっては(11
−20)面又はこれと0〜10°の角度で傾斜するα−
SiC基板を用いることで材料としての入手が容易とな
ることは勿論、その表面に形成する窒化ガリウム系化合
物の結晶性が向上し、基板材料の加工を行なう上での作
業も容易となり、また成品自体も安定し、品質の向上を
図れる。また、(11−20)面を用いることで、窒化
ガリウム系化合物の結晶性が格段に向上し、また劈開に
より凹凸のない広い劈開面を一層容易に得られる。
【0032】第2の発明にあっては2H−SiC,4H
−SiC又は6H−SiCを用いることで、GaNとの
格子不整合が小さく、その表面に形成すべき窒化ガリウ
ム系化合物の結晶性が向上し、また2H−SiC,4H
−SiC又は6H−SiCのいずれについても凹凸のな
いきれいな劈開面が得られる。
【0033】
【図面の簡単な説明】
【図1】実施例1の構成を示す半導体レーザ素子の模式
図である。
【図2】実施例2の構成を示す半導体レーザ素子の模式
図である。
【図3】α−SiCを構成する2H−SiC,4H−S
iC,6H−SiC夫々の原子配列図である。
【図4】ウルツァイトにおける(11−20)面を示す
模式図である。
【符号の説明】
1 n型のα−SiC基板 2 n型のGaN層 3 n型のAlGaNクラッド層 4 InGaN活性層 5 p型のAlGaNクラッド層 6 p型のGaN層 7 絶縁層 9 Au電極 10 Ni電極 11 a面のα−SiC基板 12 n型のGaN層 13 n型のAlGaNクラッド層 14 InGaN活性層 15 p型のAlGaNクラッド層 16 p型のGaN層 17 Au電極 18 Ni電極

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 α−SiC基板の(11−20)面又は
    これとなす角度が10度以内の傾斜面上に、少なくとも
    GaとNを有する窒化ガリウム系半導体からなるn型ク
    ラッド層、活性層、p型クラッド層の積層構造が形成さ
    れたことを特徴とする発光素子。
  2. 【請求項2】 前記α−SiC基板は2H−SiC基
    板、4H−SiC基板、又は6H−SiC基板であるこ
    とを特徴とする請求項1記載の発光素子。
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