JP3454181B2 - 窒化物半導体素子 - Google Patents
窒化物半導体素子Info
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は光情報処理分野など
への応用が期待されている半導体レーザなどのGaN系半
導体発光素子および製造方法に関するものである。
への応用が期待されている半導体レーザなどのGaN系半
導体発光素子および製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】V族元素に窒素（N）を有する窒化物半導
体は、そのバンドギャップの大きさから、短波長発光素
子の材料として有望視されている。中でも窒化ガリウム
系化合物半導体（GaN系半導体：AlxGayInzN(0≦x, y, z
≦1、x+y+z=1)）は研究が盛んに行われ、青色発光ダイ
オード（LED）、緑色LEDが実用化されている。また、光
ディスク装置の大容量化のために、400nm帯に発振波長
を有する半導体レーザが熱望されており、GaN系半導体
を材料とする半導体レーザが注目され現在では実用レベ
ルに達しつつある。
体は、そのバンドギャップの大きさから、短波長発光素
子の材料として有望視されている。中でも窒化ガリウム
系化合物半導体（GaN系半導体：AlxGayInzN(0≦x, y, z
≦1、x+y+z=1)）は研究が盛んに行われ、青色発光ダイ
オード（LED）、緑色LEDが実用化されている。また、光
ディスク装置の大容量化のために、400nm帯に発振波長
を有する半導体レーザが熱望されており、GaN系半導体
を材料とする半導体レーザが注目され現在では実用レベ
ルに達しつつある。
【０００３】図５はレーザ発振が達成されているGaN系
半導体レーザの構造断面図である。サファイア基板５０
１上に有機金属気相成長法（MOVPE法）によりGaNバッフ
ァ層５０２、n-GaN層５０３、n-AlGaNクラッド層５０
４、n-GaN光ガイド層５０５、Ga1-xInxN/Ga1-yInyN (0<
y<x<1)から成る多重量子井戸（ＭＱＷ）活性層５０６、
p-GaN第２光ガイド層５０７、p- AlGaNクラッド層５０
８、p-GaNコンタクト層５０９が成長される。そしてp-G
aNコンタクト層５０９上に幅3から10ミクロン程度の幅
のリッジストライプが形成され、その両側はＳｉＯ２５
１１によって埋め込まれる。その後リッジストライプお
よびＳｉＯ2５１１上に例えばNi/Auから成るｐ電極５１
０、また一部をn-GaN層５０３が露出するまでエッチン
グした表面に例えばTi/Alから成るｎ電極５１２が形成
される。本素子においてｎ電極５１２を接地し、ｐ電極
５１０に電圧を印可すると、ＭＱＷ活性層５０６に向か
ってｐ電極５１０側からホールが、またｎ電極５１２側
から電子が注入され、前記ＭＱＷ活性層５０６内で光学
利得を生じ、発振波長400nm帯のレーザ発振を起こす。
ＭＱＷ活性層５０６の材料であるGa1-xInxN/Ga1-yInyN
薄膜の組成や膜厚によって発振波長は変化する。現在室
温以上での連続発振が実現されている。
半導体レーザの構造断面図である。サファイア基板５０
１上に有機金属気相成長法（MOVPE法）によりGaNバッフ
ァ層５０２、n-GaN層５０３、n-AlGaNクラッド層５０
４、n-GaN光ガイド層５０５、Ga1-xInxN/Ga1-yInyN (0<
y<x<1)から成る多重量子井戸（ＭＱＷ）活性層５０６、
p-GaN第２光ガイド層５０７、p- AlGaNクラッド層５０
８、p-GaNコンタクト層５０９が成長される。そしてp-G
aNコンタクト層５０９上に幅3から10ミクロン程度の幅
のリッジストライプが形成され、その両側はＳｉＯ２５
１１によって埋め込まれる。その後リッジストライプお
よびＳｉＯ2５１１上に例えばNi/Auから成るｐ電極５１
０、また一部をn-GaN層５０３が露出するまでエッチン
グした表面に例えばTi/Alから成るｎ電極５１２が形成
される。本素子においてｎ電極５１２を接地し、ｐ電極
５１０に電圧を印可すると、ＭＱＷ活性層５０６に向か
ってｐ電極５１０側からホールが、またｎ電極５１２側
から電子が注入され、前記ＭＱＷ活性層５０６内で光学
利得を生じ、発振波長400nm帯のレーザ発振を起こす。
ＭＱＷ活性層５０６の材料であるGa1-xInxN/Ga1-yInyN
薄膜の組成や膜厚によって発振波長は変化する。現在室
温以上での連続発振が実現されている。
【０００４】このレーザはリッジストライプの幅と高さ
を制御することによって、水平方向の横モードにおいて
基本モードでレーザ発振するような工夫が成される。す
なわち、基本横モードと高次モード（１次以上のモー
ド）の光閉じ込め係数に差を設けることで、基本横モー
ドでの発振を可能としている。
を制御することによって、水平方向の横モードにおいて
基本モードでレーザ発振するような工夫が成される。す
なわち、基本横モードと高次モード（１次以上のモー
ド）の光閉じ込め係数に差を設けることで、基本横モー
ドでの発振を可能としている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】ところが、垂直方向の
横モード（垂直横モード）においては課題が残されてい
る。図６は、図５に示す半導体レーザの構成材料の垂直
方向の屈折率分布と光の分布を示したものである。活性
層および光ガイド層の部分に大きな光強度を持たせるた
めには、６次のモードにならざるを得ない。これは、図
５のレーザに２つのコア（屈折率の高い部分）が存在す
るためである。すなわち、第１のコアが活性層および光
ガイド層で、第２のコアがＧａＮ層（サファイア基板と
クラッド層の間の層）である。
横モード（垂直横モード）においては課題が残されてい
る。図６は、図５に示す半導体レーザの構成材料の垂直
方向の屈折率分布と光の分布を示したものである。活性
層および光ガイド層の部分に大きな光強度を持たせるた
めには、６次のモードにならざるを得ない。これは、図
５のレーザに２つのコア（屈折率の高い部分）が存在す
るためである。すなわち、第１のコアが活性層および光
ガイド層で、第２のコアがＧａＮ層（サファイア基板と
クラッド層の間の層）である。
【０００６】６次モードでレーザ発振すると、遠視野像
（ＦＦＰ）においても多数の発光点が結像することにな
る。したがって、レンズ等で集光する場合、単一のスポ
ットには絞れなくなる。これを解決する方法として、
（１）ＡｌＧａＮ第一クラッド層（図５におけるn-AlGa
Nクラッド層５０４）を厚くする方法、（２）ＡｌＧａ
Ｎ第一クラッド層のＡｌ組成を向上させる方法、が考え
られる。いずれも活性層および光ガイド層の外部に染み
出す光の量を低減するのに効果的である。
（ＦＦＰ）においても多数の発光点が結像することにな
る。したがって、レンズ等で集光する場合、単一のスポ
ットには絞れなくなる。これを解決する方法として、
（１）ＡｌＧａＮ第一クラッド層（図５におけるn-AlGa
Nクラッド層５０４）を厚くする方法、（２）ＡｌＧａ
Ｎ第一クラッド層のＡｌ組成を向上させる方法、が考え
られる。いずれも活性層および光ガイド層の外部に染み
出す光の量を低減するのに効果的である。
【０００７】ところが、上記（１）（２）の方法を試み
ても、新たな課題が生じてくる。ＧａＮ層上に厚い、ま
たはＡｌ組成の高いＡｌＧａＮ層を堆積する場合、冷却
時にクラック（割れ）が生じてしまう。この原因は明ら
かではないが、サファイア基板、ＧａＮ、ＡｌＧａＮの
熱膨張係数の違いに起因しているものと考えられる。ク
ラックの生じたＡｌＧａＮ上に活性層を堆積すると、均
一性の低下、信頼性の低下などの不具合を生じることに
なる。
ても、新たな課題が生じてくる。ＧａＮ層上に厚い、ま
たはＡｌ組成の高いＡｌＧａＮ層を堆積する場合、冷却
時にクラック（割れ）が生じてしまう。この原因は明ら
かではないが、サファイア基板、ＧａＮ、ＡｌＧａＮの
熱膨張係数の違いに起因しているものと考えられる。ク
ラックの生じたＡｌＧａＮ上に活性層を堆積すると、均
一性の低下、信頼性の低下などの不具合を生じることに
なる。
【０００８】本発明は上記の事情を鑑みてなされたもの
であり、垂直方向の横モードの安定な窒化物半導体素子
を提供するものである。特に光ディスク用レーザへの応
用において効果的である。
であり、垂直方向の横モードの安定な窒化物半導体素子
を提供するものである。特に光ディスク用レーザへの応
用において効果的である。
【０００９】
【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、基板とクラッド層との間に、該クラッド層のAl組
成と等しいか、あるいは該クラッド層のAl組成より高い
Alを含有するＧａＮ系半導体層を有している。ただし、
バッファー層は除く。
子は、基板とクラッド層との間に、該クラッド層のAl組
成と等しいか、あるいは該クラッド層のAl組成より高い
Alを含有するＧａＮ系半導体層を有している。ただし、
バッファー層は除く。
【００１０】また、本発明の窒化物半導体素子は、活性
層を挟むクラッド層構造を備えており、該クラッド層構
造と基板との間に薄膜多層構造を有しており、該薄膜多
層構造は高Ａｌ組成の層と低Ａｌ組成の層から構成され
ており、該薄膜多層構造の平均Ａｌ組成が該クラッド層
構造の平均Al組成と等しいか、あるいは該クラッド層構
造の平均Al組成より高い平均Ａｌ組成を有している。
層を挟むクラッド層構造を備えており、該クラッド層構
造と基板との間に薄膜多層構造を有しており、該薄膜多
層構造は高Ａｌ組成の層と低Ａｌ組成の層から構成され
ており、該薄膜多層構造の平均Ａｌ組成が該クラッド層
構造の平均Al組成と等しいか、あるいは該クラッド層構
造の平均Al組成より高い平均Ａｌ組成を有している。
【００１１】また、活性層と、該活性層を挟むクラッド
層構造とを備えた窒化物半導体素子であって、該クラッ
ド層構造と基板との間に薄膜多層構造を有しており、該
薄膜多層構造は高Ａｌ組成の層と低Ａｌ組成の層から構
成されており、該薄膜多層構造の平均Ａｌ組成が該クラ
ッド層構造の平均Al組成と等しいか、あるいは該クラッ
ド層構造の平均Al組成より高い平均Ａｌ組成を有してお
り、薄膜多層構造を構成している高Ａｌ組成の層と低Ａ
ｌ組成の層のいずれかに不純物が添加してある。
層構造とを備えた窒化物半導体素子であって、該クラッ
ド層構造と基板との間に薄膜多層構造を有しており、該
薄膜多層構造は高Ａｌ組成の層と低Ａｌ組成の層から構
成されており、該薄膜多層構造の平均Ａｌ組成が該クラ
ッド層構造の平均Al組成と等しいか、あるいは該クラッ
ド層構造の平均Al組成より高い平均Ａｌ組成を有してお
り、薄膜多層構造を構成している高Ａｌ組成の層と低Ａ
ｌ組成の層のいずれかに不純物が添加してある。
【００１２】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て図面を用いて詳細に説明する。本発明の製造方法は、
窒化物半導体の成長方法はMOVPE法に限定するものでは
なく、ハイドライド気相成長法（H-VPE法）や分子線エ
ピタキシー法（MBE法）など、窒化物半導体層を成長さ
せるためにこれまで提案されている全ての方法に適用で
きる。
て図面を用いて詳細に説明する。本発明の製造方法は、
窒化物半導体の成長方法はMOVPE法に限定するものでは
なく、ハイドライド気相成長法（H-VPE法）や分子線エ
ピタキシー法（MBE法）など、窒化物半導体層を成長さ
せるためにこれまで提案されている全ての方法に適用で
きる。
【００１３】（実施の形態１）図１は第１の実施例を示
すＧａＮ系半導体レーザの構造断面図である。図１に示
すレーザの作製方法は以下の通りである。
すＧａＮ系半導体レーザの構造断面図である。図１に示
すレーザの作製方法は以下の通りである。
【００１４】まず、サファイア基板１上に５００℃でTM
GとNH3とを供給してＧａＮバッファ層２を堆積する。そ
の後、1020℃まで昇温させ、TMG、SiH4、TMA等を供給し
てn-Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ｎ層３、n-Ａｌ0.07Ｇａ0.93Ｎク
ラッド層４、n-GaN光ガイド層５、多重量子井戸（ＭＱ
Ｗ）活性層６、ｐ-GaN光ガイド層７、ｐ-Ａｌ0.07Ｇａ
0.93Ｎクラッド層８、ｐ-ＧａＮコンタクト層９が順次
積層される。ｐ-ＧａＮコンタクト層９およびｐ-Ａｌ
0.07Ｇａ0.93Ｎクラッド層８は、水平横モードの制御の
ために、リッジストライプ状に加工されている。ストラ
イプ幅は３〜５ミクロン程度である。ｐ-ＧａＮコンタ
クト層９上にはｐ電極１０が形成され、リッジの側壁は
絶縁膜１１で覆われている。絶縁膜１１の開口部のｐ電
極１０表面と、絶縁膜１１の一部には配線電極１２が設
けられている。また、n-Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ｎ層３の一部
が露出するまでエッチングを行った表面には、ｎ電極１
３が形成されている。
GとNH3とを供給してＧａＮバッファ層２を堆積する。そ
の後、1020℃まで昇温させ、TMG、SiH4、TMA等を供給し
てn-Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ｎ層３、n-Ａｌ0.07Ｇａ0.93Ｎク
ラッド層４、n-GaN光ガイド層５、多重量子井戸（ＭＱ
Ｗ）活性層６、ｐ-GaN光ガイド層７、ｐ-Ａｌ0.07Ｇａ
0.93Ｎクラッド層８、ｐ-ＧａＮコンタクト層９が順次
積層される。ｐ-ＧａＮコンタクト層９およびｐ-Ａｌ
0.07Ｇａ0.93Ｎクラッド層８は、水平横モードの制御の
ために、リッジストライプ状に加工されている。ストラ
イプ幅は３〜５ミクロン程度である。ｐ-ＧａＮコンタ
クト層９上にはｐ電極１０が形成され、リッジの側壁は
絶縁膜１１で覆われている。絶縁膜１１の開口部のｐ電
極１０表面と、絶縁膜１１の一部には配線電極１２が設
けられている。また、n-Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ｎ層３の一部
が露出するまでエッチングを行った表面には、ｎ電極１
３が形成されている。
【００１５】本素子においてｎ電極１３とｐ電極１０の
間に電圧を印加すると、ＭＱＷ活性層６に向かってｐ電
極１０から正孔（ホール）がｎ電極１３から電子が注入
され、活性層で利得を生じ、405nmの波長でレーザ発振
を起こす。ＭＱＷ活性層６は厚さ2.5nmのGa0.8In0.2N井
戸層と厚さ6.0nmのＧａＮバリア層から構成されてい
る。
間に電圧を印加すると、ＭＱＷ活性層６に向かってｐ電
極１０から正孔（ホール）がｎ電極１３から電子が注入
され、活性層で利得を生じ、405nmの波長でレーザ発振
を起こす。ＭＱＷ活性層６は厚さ2.5nmのGa0.8In0.2N井
戸層と厚さ6.0nmのＧａＮバリア層から構成されてい
る。
【００１６】図１に示す構造で特徴的なことは、バッフ
ァー層２の直上にn-Ａｌ0.15Ｇａ0. 85Ｎ層３が存在する
ことである。この層の厚さは４ミクロンと十分に厚い。
したがって、垂直方向も十分に光を閉じ込めることがで
き、安定な垂直横モードでレーザ発振を生じることがで
きる。ただし、n-Ａｌ0.07Ｇａ0.93Ｎクラッド層４とn-
Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ｎ層３のトータルの厚さが１ミクロン
以上であれば、安定な垂直横モードを得ることが可能と
なる。
ァー層２の直上にn-Ａｌ0.15Ｇａ0. 85Ｎ層３が存在する
ことである。この層の厚さは４ミクロンと十分に厚い。
したがって、垂直方向も十分に光を閉じ込めることがで
き、安定な垂直横モードでレーザ発振を生じることがで
きる。ただし、n-Ａｌ0.07Ｇａ0.93Ｎクラッド層４とn-
Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ｎ層３のトータルの厚さが１ミクロン
以上であれば、安定な垂直横モードを得ることが可能と
なる。
【００１７】図１においてn-ＡｌＧａＮ層３のＡｌ組成
は０．１３としたが、クラッド層４のＡｌ組成と同じ
か、高ければ良い。すなわち、クラッド層４の屈折率と
同じか、小さい屈折率を有する材料を選択することが垂
直横モードの安定化のためには重要である。
は０．１３としたが、クラッド層４のＡｌ組成と同じ
か、高ければ良い。すなわち、クラッド層４の屈折率と
同じか、小さい屈折率を有する材料を選択することが垂
直横モードの安定化のためには重要である。
【００１８】この構造でn-ＡｌＧａＮ層３を設けた理由
は、垂直横モードの安定化のためだけではない。この層
の存在でクラックの発生を大きく抑制できるからであ
る。
は、垂直横モードの安定化のためだけではない。この層
の存在でクラックの発生を大きく抑制できるからであ
る。
【００１９】図１において、n-Ａｌ0.07Ｇａ0.93Ｎクラ
ッド層４と基板との間には、バッファー層を除いて、Ａ
ｌ組成の低い層（従来の図５に示されるn-ＧａＮ層５０
３）は存在していない。基板（またはバッファー層）か
ら活性層に向けて、n-Ａｌ0. 15Ｇａ0.85Ｎ層３、n-Ａｌ
0.07Ｇａ0.93Ｎクラッド層４、n-ＧａＮ光ガイド層５
と、Ａｌ組成が段階的に（単調に）減少している。この
ような構成とすることで、従来生じていたクラックが発
生しないことを筆者らは実験的に見出した。クラック発
生を抑制できた原因は、明確にわかっているわけではな
いが、熱膨張係数の違いに起因する応力の加わる方向が
一定となるためと考えられる。冷却時にクラックが生じ
ないことから、活性層を高品質とすることができ、信頼
性の高いデバイスを得ることができる。
ッド層４と基板との間には、バッファー層を除いて、Ａ
ｌ組成の低い層（従来の図５に示されるn-ＧａＮ層５０
３）は存在していない。基板（またはバッファー層）か
ら活性層に向けて、n-Ａｌ0. 15Ｇａ0.85Ｎ層３、n-Ａｌ
0.07Ｇａ0.93Ｎクラッド層４、n-ＧａＮ光ガイド層５
と、Ａｌ組成が段階的に（単調に）減少している。この
ような構成とすることで、従来生じていたクラックが発
生しないことを筆者らは実験的に見出した。クラック発
生を抑制できた原因は、明確にわかっているわけではな
いが、熱膨張係数の違いに起因する応力の加わる方向が
一定となるためと考えられる。冷却時にクラックが生じ
ないことから、活性層を高品質とすることができ、信頼
性の高いデバイスを得ることができる。
【００２０】（実施の形態２）実施の形態１では、垂直
横モードの安定化およびクラック抑制のために、単一の
ＡｌＧａＮ層３を付加した。ここでは、基板１から活性
層へ向けて、段階的にあるいは線形的にＡｌ組成が減少
する場合について述べる。
横モードの安定化およびクラック抑制のために、単一の
ＡｌＧａＮ層３を付加した。ここでは、基板１から活性
層へ向けて、段階的にあるいは線形的にＡｌ組成が減少
する場合について述べる。
【００２１】図２に示す構造では、サファイア基板１上
に、ＧａＮバッファ層２０１、n-Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎ層２
０２、n-Ａｌ0.16Ｇａ0.84Ｎ層２０３、n-Ａｌ0.12Ｇａ
0.88Ｎ層２０４、n-Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎ層２０５、n-Ａｌ
0.07Ｇａ0.93Ｎクラッド層４が積層されている。クラッ
ド層４上の構造は図１の構造と同様である。
に、ＧａＮバッファ層２０１、n-Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎ層２
０２、n-Ａｌ0.16Ｇａ0.84Ｎ層２０３、n-Ａｌ0.12Ｇａ
0.88Ｎ層２０４、n-Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎ層２０５、n-Ａｌ
0.07Ｇａ0.93Ｎクラッド層４が積層されている。クラッ
ド層４上の構造は図１の構造と同様である。
【００２２】このように多段階でＡｌ組成を減少させる
ことで、図１の構造よりもさらにクラック発生を抑制で
き、歩留まりを向上させることができる。
ことで、図１の構造よりもさらにクラック発生を抑制で
き、歩留まりを向上させることができる。
【００２３】また、図２の構造はＡｌ組成が図３（ａ）
に示すように階段状に減少しているが、図３（ｂ）のよ
うに、バッファー層から活性層に向けて線形的に単調減
少させても構わない。この場合、Ａｌを含有する層全体
がクラッド層を兼ねている。あくまでＡｌを含有する層
とバッファー層との間にＧａＮ層がないことが、垂直横
モードの安定化とクラック抑制のために必要となる。
に示すように階段状に減少しているが、図３（ｂ）のよ
うに、バッファー層から活性層に向けて線形的に単調減
少させても構わない。この場合、Ａｌを含有する層全体
がクラッド層を兼ねている。あくまでＡｌを含有する層
とバッファー層との間にＧａＮ層がないことが、垂直横
モードの安定化とクラック抑制のために必要となる。
【００２４】（実施の形態３）実施の形態１および実施
の形態２では、クラッド層４とバッファー層との間のＡ
ｌを含有する層が厚膜の場合について説明した。ここで
は、クラック抑制のために特殊な薄膜多層構造を用いる
場合について説明する。ここで言う“薄膜”とは、光が
その膜の屈折率の変化の影響を大きく受けないくらいの
厚さのことを言い、λ／（４ｎ）以下の膜厚を有する層
を言う。ここで、λはレーザの発振波長、ｎは層の屈折
率である。
の形態２では、クラッド層４とバッファー層との間のＡ
ｌを含有する層が厚膜の場合について説明した。ここで
は、クラック抑制のために特殊な薄膜多層構造を用いる
場合について説明する。ここで言う“薄膜”とは、光が
その膜の屈折率の変化の影響を大きく受けないくらいの
厚さのことを言い、λ／（４ｎ）以下の膜厚を有する層
を言う。ここで、λはレーザの発振波長、ｎは層の屈折
率である。
【００２５】図４はバッファ層とｎ-ＧａＮ光ガイド層
の間に設けた層のＡｌ組成分布を示したものである。図
４（ａ）では、ｎ-ＡｌＧａＮクラッド層にＡｌ組成８
％（一定）の層を用いており、クラッド層とバッファー
層の間には、特殊な薄膜多層構造が設けられている。こ
の薄膜多層構造は、高Ａｌ組成のＡｌＧａＮ（Ａｌ組成
＝１８％）とＧａＮ層から構成されており、膜厚は５ｎ
ｍである。この薄膜多層構造の平均Ａｌ組成は９％であ
り、ｎ-ＡｌＧａＮクラッド層のＡｌ組成よりも高くし
てある。
の間に設けた層のＡｌ組成分布を示したものである。図
４（ａ）では、ｎ-ＡｌＧａＮクラッド層にＡｌ組成８
％（一定）の層を用いており、クラッド層とバッファー
層の間には、特殊な薄膜多層構造が設けられている。こ
の薄膜多層構造は、高Ａｌ組成のＡｌＧａＮ（Ａｌ組成
＝１８％）とＧａＮ層から構成されており、膜厚は５ｎ
ｍである。この薄膜多層構造の平均Ａｌ組成は９％であ
り、ｎ-ＡｌＧａＮクラッド層のＡｌ組成よりも高くし
てある。
【００２６】薄膜多層構造を構成する層の膜厚は５ｎｍ
と非常に薄いために、光はその屈折率変化の影響を受け
ることはない。したがって、光は薄膜多層構造の平均的
な屈折率によって閉じ込められることになる。薄膜多層
構造のトータルの厚さは１ミクロン程度であり、安定な
垂直横モードでレーザ発振することができる。効果的に
光を閉じ込めるために、ＡｌＧａＮ層のＡｌ組成は０．
１以上が望ましい。
と非常に薄いために、光はその屈折率変化の影響を受け
ることはない。したがって、光は薄膜多層構造の平均的
な屈折率によって閉じ込められることになる。薄膜多層
構造のトータルの厚さは１ミクロン程度であり、安定な
垂直横モードでレーザ発振することができる。効果的に
光を閉じ込めるために、ＡｌＧａＮ層のＡｌ組成は０．
１以上が望ましい。
【００２７】実施の形態１および実施の形態２では、Ａ
ｌを含有する層とバッファー層との間にＧａＮ層がない
ことがクラック抑制のために必要となると説明した。図
４においては、クラッド層の下部にＧａＮ層（５ｎｍ）
が存在していることになる。しかしながら、非常に薄く
し、また多層構造とすることで、冷却時におけるクラッ
ク発生を抑制できることが実験的にわかっている。Ｇａ
Ｎ層を挟んでいるＡｌ０．１８Ｇａ０．８２Ｎ層が熱収
縮による歪みを緩和しているためと思われる。すなわ
ち、歪緩和層として機能している。
ｌを含有する層とバッファー層との間にＧａＮ層がない
ことがクラック抑制のために必要となると説明した。図
４においては、クラッド層の下部にＧａＮ層（５ｎｍ）
が存在していることになる。しかしながら、非常に薄く
し、また多層構造とすることで、冷却時におけるクラッ
ク発生を抑制できることが実験的にわかっている。Ｇａ
Ｎ層を挟んでいるＡｌ０．１８Ｇａ０．８２Ｎ層が熱収
縮による歪みを緩和しているためと思われる。すなわ
ち、歪緩和層として機能している。
【００２８】図４（ｂ）では、クラッド層も薄膜多層構
造（図中では第二の薄膜多層構造と記載）となってい
る。ここで、クラッド層の平均Ａｌ組成が、クラッド層
下部の第一の薄膜多層構造の平均Ａｌ組成よりも低くし
てあり、このことがクラック抑制には大切である。
造（図中では第二の薄膜多層構造と記載）となってい
る。ここで、クラッド層の平均Ａｌ組成が、クラッド層
下部の第一の薄膜多層構造の平均Ａｌ組成よりも低くし
てあり、このことがクラック抑制には大切である。
【００２９】図４では、高Ａｌ組成の層としてＡｌ0.18
Ｇａ0.82Ｎを低Ａｌ組成の層としてＧａＮを用いて説明
したが、Ａｌ組成に差があればよく、いずれの層もＡｌ
を含有しても構わない。
Ｇａ0.82Ｎを低Ａｌ組成の層としてＧａＮを用いて説明
したが、Ａｌ組成に差があればよく、いずれの層もＡｌ
を含有しても構わない。
【００３０】さらにクラックを抑制するためには、不純
物のドーピング量を低減させることも効果的である。
物のドーピング量を低減させることも効果的である。
【００３１】アンドープＡｌxＧａ1-xＮ（０≦ｘ≦１）
に比べｎ型ＡｌxＧａ1-xＮの方がクラックが発生しやす
い傾向にある。図４において、薄膜多層構造を構成する
層のいずれか一方に不純物を添加することで、よりクラ
ック発生を抑えることができる。特に、バンドギャップ
の大きなＡｌＧａＮ層にドーピングする方が、多数キャ
リア（電子）の活性層への注入を妨げることがないた
め、望ましい。ｎ型不純物としては、ＳｉやＳｅが望ま
しい。
に比べｎ型ＡｌxＧａ1-xＮの方がクラックが発生しやす
い傾向にある。図４において、薄膜多層構造を構成する
層のいずれか一方に不純物を添加することで、よりクラ
ック発生を抑えることができる。特に、バンドギャップ
の大きなＡｌＧａＮ層にドーピングする方が、多数キャ
リア（電子）の活性層への注入を妨げることがないた
め、望ましい。ｎ型不純物としては、ＳｉやＳｅが望ま
しい。
【００３２】本発明では、GaN系半導体レーザを例に取
って説明したが、発光ダイオードや電子デバイス等の活
性領域を成長させる際にも本発明の効果は大きいことは
言うまでもない。発光ダイオードではクラックの発生を
抑制でき、高品質の活性層が得られるために、発光効率
を向上させることができる。また、電子デバイスではキ
ャリアの移動度が大きく向上する。
って説明したが、発光ダイオードや電子デバイス等の活
性領域を成長させる際にも本発明の効果は大きいことは
言うまでもない。発光ダイオードではクラックの発生を
抑制でき、高品質の活性層が得られるために、発光効率
を向上させることができる。また、電子デバイスではキ
ャリアの移動度が大きく向上する。
【００３３】また、実施の形態１〜実施の形態３まで個
々に説明したが、これらを組み合わせても本発明の効果
は大きいことは言うまでもない。例えば、図４の薄膜多
層構造のＡｌ組成を活性層へ向かって徐々に減少させて
もよい。
々に説明したが、これらを組み合わせても本発明の効果
は大きいことは言うまでもない。例えば、図４の薄膜多
層構造のＡｌ組成を活性層へ向かって徐々に減少させて
もよい。
【００３４】
【発明の効果】以上説明したように、本発明のＧａＮ系
半導体素子は、基板とクラッド層との間に、該クラッド
層のAl組成と等しいか、あるいは該クラッド層のAl組成
より高いAlを含有するＧａＮ系半導体層（ただし、バッ
ファー層は除く）を有することにより、クラックを抑制
することが可能となって該クラッド層上に高品質の活性
層が積層でき、同時に垂直横モードを安定化させること
が可能となり、結果として信頼性が高く、かつ光ディス
クに用いる際に不具合の生じないデバイスを得ることが
できる。
半導体素子は、基板とクラッド層との間に、該クラッド
層のAl組成と等しいか、あるいは該クラッド層のAl組成
より高いAlを含有するＧａＮ系半導体層（ただし、バッ
ファー層は除く）を有することにより、クラックを抑制
することが可能となって該クラッド層上に高品質の活性
層が積層でき、同時に垂直横モードを安定化させること
が可能となり、結果として信頼性が高く、かつ光ディス
クに用いる際に不具合の生じないデバイスを得ることが
できる。
【００３５】また、本発明のＧａＮ系半導体素子は、活
性層を挟むクラッド層構造を備えており、該クラッド層
構造と基板との間に薄膜多層構造を有しており、該薄膜
多層構造は高Ａｌ組成の層と低Ａｌ組成の層から構成さ
れており、該薄膜多層構造の平均Ａｌ組成が該クラッド
層構造の平均Al組成と等しいか、あるいは該クラッド層
構造の平均Al組成より高い平均Ａｌ組成を有しており、
そのために、クラック抑制により高品質の活性層が積層
でき、同時に垂直横モードを安定化させることが可能と
なり、結果として信頼性が高く、かつ光ディスクに用い
る際に不具合の生じないデバイスを得ることができる。
性層を挟むクラッド層構造を備えており、該クラッド層
構造と基板との間に薄膜多層構造を有しており、該薄膜
多層構造は高Ａｌ組成の層と低Ａｌ組成の層から構成さ
れており、該薄膜多層構造の平均Ａｌ組成が該クラッド
層構造の平均Al組成と等しいか、あるいは該クラッド層
構造の平均Al組成より高い平均Ａｌ組成を有しており、
そのために、クラック抑制により高品質の活性層が積層
でき、同時に垂直横モードを安定化させることが可能と
なり、結果として信頼性が高く、かつ光ディスクに用い
る際に不具合の生じないデバイスを得ることができる。
【００３６】また、薄膜多層構造を構成している高Ａｌ
組成の層と低Ａｌ組成の層のいずれかに不純物が添加し
てあることで、さらにクラック発生を防止でき、高品質
の活性層を得ることができる。
組成の層と低Ａｌ組成の層のいずれかに不純物が添加し
てあることで、さらにクラック発生を防止でき、高品質
の活性層を得ることができる。
【図１】本発明の第１の実施の形態を示すGaN系半導体
レーザの素子断面図
レーザの素子断面図
【図２】本発明の第２の実施の形態を示すGaN系半導体
レーザの素子断面図
レーザの素子断面図
【図３】ＡｌＧａＮ層のＡｌ組成のプロファイルを示す
図
図
【図４】ＡｌＧａＮ層のＡｌ組成のプロファイルを示す
図
図
【図５】従来のGaN系量子井戸半導体レーザの素子断面
図
図
【図６】従来の課題を説明するための図で、半導体レー
ザの構成材料の屈折率分布と光の分布を示した図
ザの構成材料の屈折率分布と光の分布を示した図
【図７】従来の課題を説明するための図
１ サファイア基板
２ バッファー層
３ n-Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ｎ層
４ n-Ａｌ0.07Ｇａ0.93Ｎクラッド層
５ n-GaN光ガイド層
６ ＭＱＷ活性層
７ p-GaN光ガイド層
８ p-Ａｌ0.07Ｇａ0.93Ｎクラッド層
９ p-GaNコンタクト層
１０ p電極
１１ 絶縁膜
１２ 配線電極
１３ n電極
２０１ ＧａＮバッファー層
２０２ n-Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎ層
２０３ n-Ａｌ0.16Ｇａ0.84Ｎ層
２０４ n-Ａｌ0.12Ｇａ0.88Ｎ層
２０５ n-Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎ層
３０１ サファイア基板
３０２ バッファー層
３０３ n-ＧａＮ層
３０４ n-ＡｌＧａＮクラッド層
３０５ n-GaN光ガイド層
３０６ ＭＱＷ活性層
３０７ p-GaN光ガイド層
３０８ p-ＡｌＧａＮクラッド層
３０９ p-GaNコンタクト層
３１０ p電極
３１１ ＳｉＯ2
３１２ n電極
─────────────────────────────────────────────────────
フロントページの続き
(56)参考文献 特開 平11−177175（ＪＰ，Ａ)
特開 平８−70139（ＪＰ，Ａ)
特開 平８−139414（ＪＰ，Ａ)
特開2000−196200（ＪＰ，Ａ)
(58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名)
H01S 5/00 - 5/50
H01L 33/00
Claims (5)
- 【請求項１】 基板と、活性層と、前記活性層と前記基
板との間に挟まれたクラッド層とを備えた端面放射型の
窒化物半導体発光素子であって、 前記クラッド層と前記基板との間に薄膜多層構造を有し
ており、前記クラッド層はＡｌＧａＮ層からなり、 前記クラッド層のＡｌ組成は一定であり、 前記薄膜多層構造は高Ａｌ組成の層と低Ａｌ組成の層か
ら構成されており、 前記薄膜多層構造の平均Ａｌ組成は、前記クラッド層の
Ａｌ組成と等しいか、あるいは前記クラッド層のＡｌ組
成より高く、 前記クラッド層の熱膨張係数が前記基板の熱膨張係数よ
りも小さいことを特徴とする窒化物半導体発光素子。 - 【請求項２】 薄膜多層構造を構成している層の厚さが
λ／（４ｎ）以下である請求項１に記載の窒化物半導体
発光素子。 - 【請求項３】 前記薄膜多層構造を構成している高Ａｌ
組成の層と低Ａｌ組成の層のいずれかに不純物が添加し
てある、請求項１に記載の窒化物半導体発光素子。 - 【請求項４】 薄膜多層構造を構成している高Ａｌ組成
の層に不純物が添加してある請求項３に記載の窒化物半
導体発光素子。 - 【請求項５】 高Ａｌ組成の層がAlxGa1-xN（0.1＜ｘ≦
1）であることを特徴とする請求項１から４のいずれか
に記載の窒化物半導体発光素子。
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|---|---|---|---|
| JP07738699A JP3454181B2 (ja) | 1999-03-23 | 1999-03-23 | 窒化物半導体素子 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP07738699A JP3454181B2 (ja) | 1999-03-23 | 1999-03-23 | 窒化物半導体素子 |
Related Child Applications (2)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2002232400A Division JP3644446B2 (ja) | 2002-08-09 | 2002-08-09 | 窒化物半導体素子 |
| JP2002232401A Division JP2003078217A (ja) | 2002-08-09 | 2002-08-09 | 窒化物半導体素子 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2000277862A JP2000277862A (ja) | 2000-10-06 |
| JP3454181B2 true JP3454181B2 (ja) | 2003-10-06 |
Family
ID=13632464
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP07738699A Expired - Fee Related JP3454181B2 (ja) | 1999-03-23 | 1999-03-23 | 窒化物半導体素子 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3454181B2 (ja) |
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| JP2006270028A (ja) * | 2005-02-25 | 2006-10-05 | Mitsubishi Electric Corp | 半導体発光素子 |
| JP2007095857A (ja) * | 2005-09-28 | 2007-04-12 | Rohm Co Ltd | 半導体レーザ |
| JP5255759B2 (ja) * | 2005-11-14 | 2013-08-07 | パロ・アルト・リサーチ・センター・インコーポレーテッド | 半導体デバイス用超格子歪緩衝層 |
| JP5048392B2 (ja) * | 2007-05-25 | 2012-10-17 | 豊田合成株式会社 | Ｉｉｉ族窒化物系化合物半導体発光素子 |
| DE102010009457A1 (de) * | 2010-02-26 | 2011-09-01 | Osram Opto Semiconductors Gmbh | Optoelektronischer Halbleiterchip |
-
1999
- 1999-03-23 JP JP07738699A patent/JP3454181B2/ja not_active Expired - Fee Related
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| JP2000277862A (ja) | 2000-10-06 |
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