JP3498697B2

JP3498697B2 - 窒化物半導体素子

Info

Publication number: JP3498697B2
Application number: JP2000306372A
Authority: JP
Inventors: 徳也小崎
Original assignee: Nichia Corp
Current assignee: Nichia Corp
Priority date: 2000-07-07
Filing date: 2000-10-05
Publication date: 2004-02-16
Anticipated expiration: 2020-10-05
Also published as: JP2002084038A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、発光ダイオード素子
（ＬＥＤ）、レーザダイオード素子（ＬＤ）等の発光素
子、太陽電池、光センサ等の受光素子、あるいはトラン
ジスタ、パワーデバイス等の電子デバイスに用いられる
窒化物半導体（Ｉｎ_XＡｌ_YＧａ_1-X-YＮ、０≦X、０≦
Y、X＋Y≦１）を用いた窒化物半導体素子に関し、特に
Ｉｎを含む窒化物半導体層を有する窒化物半導体素子に
関する。

【０００２】

【従来の技術】今日、窒化物半導体を用いた半導体レー
ザは、ＤＶＤなど、大容量・高密度の情報記録・再生が
可能な光ディスクシステムへの利用に対する要求が高ま
りを見せている。このため、窒化物半導体を用いた半導
体レーザ素子は、研究が盛んになされている。また、窒
化物半導体を用いた半導体レーザ素子は、紫外域から赤
色に至るまで、幅広く可視光域での発振が可能と考えら
れ、その応用範囲は、上記光ディスクシステムの光源に
とどまらず、レーザプリンタ、光ネットワークなどの光
源など、多岐にわたるものと期待されている。また、本
出願人は、４０５ｎｍ、室温、５ｍＷの連続発振の条件
で、１万時間を超えるレーザを発表した。

【０００３】また、窒化物半導体を用いた発光素子、受
光素子などには、Ｉｎを含む窒化物半導体を用いて活性
層とした構造を有しており、活性層におけるより優れた
活性領域の形成が、素子特性の向上において重要とな
る。従来、窒化物半導体素子の活性層として、ｎ型不純
物などをドープしたｎ型の窒化物半導体が一般的に用い
られ、特に量子井戸構造である場合には、ｎ型不純物が
ドープされた窒化物半導体、ｎ型窒化物半導体が井戸
層、障壁層に用いられてきた。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】窒化物半導体を用いた
素子として、発光素子では、その用途を多くの分野に広
めるためには、さらなる素子特性、特に素子寿命の向上
を成し遂げなければならない。

【０００５】窒化物半導体を用いたレーザ素子として
は、上述した高密度光ディスクシステムの読み取り・書
き込み光源などへの利用、若しくはさらなる応用のため
には、さらなる素子寿命の向上が必須の課題である。

【０００６】従来、問題となっている窒化物半導体を用
いた素子における脆弱な逆方向耐圧特性は、その製造上
の取り扱い、応用製品への組み込み時の取り扱いにおい
て、破壊される危険性が高く、極めて重要な課題の一つ
である。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明は上記事情に鑑み
成されたものであり、窒化物半導体素子における活性層
の量子井戸構造について鋭意検討した結果、上記課題を
解決するに至ったものである。

【０００８】本発明の窒化物半導体素子は、Ｉｎを含む
窒化物半導体からなる井戸層と窒化物半導体からなる障
壁層とを交互に積層した量子井戸構造を有する活性層
を、ｐ型窒化物半導体層とｎ型窒化物半導体層とで挟む
構造を有する窒化物半導体素子において、（ａ）前記活
性層の最外側にあって前記ｐ型窒化物半導体層に隣接し
た最終障壁層を除く全ての障壁層が、ｎ型不純物を含ん
でおり、（ｂ）前記最終障壁層が、ｎ型不純物を実質的
に含んでいないことを特徴とする。

【０００９】即ち、従来の多重量子井戸型（以下、ＭＱ
Ｗ型）窒化物半導体素子においては、活性層中の初期電
子濃度を向上して発光効率を高めるために、全ての障壁
層にＳｉ等のｎ型不純物をドープするのが一般的であっ
たが、本発明の窒化物半導体素子においては、大部分の
障壁層には従来同様のｎ型不純物をドープしながら、ｐ
型窒化物半導体層に隣接した最終障壁層だけは、ｎ型不
純物が実質的に含まれないようにしたものである。かか
る構成により、窒化物半導体素子の素子寿命、逆耐圧特
性を向上することができる。

【００１０】寿命特性が向上するメカニズムは必ずしも
明らかではないが、１つにはキャリアのライフタイムが
従来よりも長くなったことが寄与していると推察され
る。従来は、ｎ型不純物をドープした障壁層をｐ型層側
に配置したことで、ｐ型層からのｐ型不純物の拡散が少
なからず発生し、これによりｎ型不純物とｐ型不純物と
を含有する障壁層が設けられることとなり、結果とし
て、キャリアのライフタイムを低下させる原因となって
いた。本発明によれば、最終障壁層にｎ型不純物をドー
プしないため、ｎ型及びｐ型不純物が障壁層に併存する
ことを防止することができる。尚、ｎ型不純物を実質的
に含まないとは、工程中の汚染などにより混入する濃度
を越えてｎ型不純物を含まないことを指し、例えばｎ型
不純物がＳｉの場合、濃度が５×１０¹⁶ｃｍ^-3以下であ
ることを指す。

【００１１】また、前記最終障壁層が、一定量のｐ型不
純物を含んでいることが好ましく、これにより井戸層へ
のホール注入効率が向上することができる。最終障壁層
のｐ型不純物の濃度は、特に限定されるものではない
が、１×１０¹⁶ｃｍ^-3以上１×１０¹⁹ｃｍ^-3以下である
ことが好ましい。ｐ型不純物濃度が低過ぎては井戸層へ
のホール注入効率が低下し、高過ぎては最終障壁層中の
キャリアの移動度が低下してレーザのＶ_f値が増大して
しまうからである。ｐ型不純物濃度がこのような範囲に
ある最終障壁層は、ｉ型又はｐ型となっている。

【００１２】最終障壁層中のｐ型不純物は、成長時に同
時にドープしても良いし、隣接するｐ型窒化物半導体層
から拡散させることによりドープしても良い。素子構造
が、ｎ型窒化物半導体層、活性層、ｐ型窒化物半導体層
の順に積層されたものであれば、最終障壁層をアンドー
プで成長させても、次に成長させるｐ型窒化物半導体層
からｐ型不純物が拡散するため、ｐ型不純物を有する障
壁層とすることができる。

【００１３】尚、最終障壁層へのｐ型不純物のドープ
は、最終障壁層の成長時に行うよりも、最終障壁層をア
ンドープで成長させた後にｐ型窒化物半導体層からの拡
散によって行う方が好ましい。前者の場合には、最終障
壁層の成長時にその下にあるｎ型の井戸層にｐ型不純物
が拡散して素子寿命特性が低下する恐れがある一方、後
者の場合には、井戸層に悪影響を与えることなく最終障
壁層にｐ型不純物をドープすることができるからであ
る。

【００１４】また、本発明に係る窒化物半導体素子にお
いて、活性層中の障壁層をＩｎを含む窒化物半導体によ
って形成し、ｐ型窒化物半導体層のうち少なくとも活性
層に隣接する層をＡｌを含む窒化物半導体によって形成
すると、活性層にキャリアを有効に閉じ込めることがで
きる。但し、Ｉｎを含む窒化物半導体を成長させた後
に、Ａｌを含む窒化物半導体を成長させると、ＩｎＮの
高い蒸気圧と、両者の成長条件の相違とのために、Ｉｎ
を含む窒化物半導体が分解を起こし易い。このため、最
終障壁層は、他の障壁層よりも厚く形成することが好ま
しい。

【００１５】例えば、ＭＯＣＶＤ法によって成長を行う
場合、ＩｎＧａＮは、窒素ガス雰囲気下において低温か
つ遅いガス流速条件で成長させる一方、ＡｌＧａＮは、
水素ガス雰囲気下において高温かつ速いガス流速条件で
成長させるのが一般的である。したがって、例えばＩｎ
ＧａＮを最終障壁層として成長させた後に、ＡｌＧａＮ
をｐ型窒化物半導体層として成長させると、反応炉内の
成長条件を切換えた際に、ＩｎＧａＮがガスエッチング
により分解を起こしてしまう。そこで、最終障壁層を他
の障壁層よりも厚く形成することにより、最終障壁層が
多少分解を起こしても、良好な量子井戸構造を維持する
ことができる。即ち、最終障壁層がＩｎを含む活性層の
分解を防止する保護層としての役割を果たすこととな
る。

【００１６】本発明に係る窒化物半導体素子は、前記ｎ
型窒化物半導体層が、Ａｌを含む窒化物半導体を有する
ｎ型クラッド層を有し、前記ｐ型窒化物半導体層がＡｌ
を含む窒化物半導体を有するｐ型クラッド層を有するこ
とが好ましい。この構成は、例えば実施例に示すレーザ
素子において用いられる構造であり、上記特性の向上し
たレーザ素子が得られる。

【００１７】また、前記ｐ型クラッド層と活性層との間
に、ｐ型クラッド層と異なるＡｌ混晶比のＡｌを含む窒
化物半導体からなる第１のｐ型窒化物半導体層を有する
ことが好ましい。第１のｐ型窒化物半導体層は、例え
ば、後述する実施例に示すように、ｐ型電子閉込め層と
して用いられる。ｐ型電子閉込め層は、キャリアの閉込
めとして機能し、発振しきい値の低減に寄与するものと
なる。また、ｐ型電子閉じ込め層は薄膜で成長させれば
良いため、ｐ型クラッド層よりも低温で成長させること
ができる。したがって、ｐ型電子閉じ込め層を形成する
ことにより、ｐ型クラッド層を活性層の上に直接形成す
る場合に比べて、Ｉｎを含む活性層の分解を抑制するこ
とができる。即ち、ｐ型電子閉じ込め層は、最終障壁層
と共に、Ｉｎを含む活性層の分解を防止する役割を果た
すこととなる。

【００１８】本発明の窒化物半導体素子に用いるｎ型不
純物としては、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｓ、Ｏ等が挙げら
れ、好ましくはＳｉ、Ｓｎである。また、ｐ型不純物と
しては、特に限定されないが、Ｂｅ、Ｚｎ、Ｍｎ、Ｃ
ｒ、Ｍｇ、Ｃａなどが挙げられ、好ましくはＭｇが用い
られる。

【００１９】尚、本明細書において、アンドープとは、
窒化物半導体成長時に、ドーパントとなるｐ型不純物、
ｎ型不純物などを添加しない状態で成長させることを指
し、例えば有機金属気相成長法において反応容器内に前
記ドーパントとなる不純物を供給しない状態で成長させ
ることを指す。

【００２０】

【発明の実施の形態】本発明の窒化物半導体素子に用い
る窒化物半導体としては、ＧａＮ、ＡｌＮ、もしくはＩ
ｎＮ、又はこれらの混晶である窒化ガリウム系化合物半
導体（Ｉｎ_xＡｌ_yＧａ_1-x-yＮ、０≦ｘ、０≦ｙ、ｘ＋
ｙ≦１）がある。その他に前記窒化ガリウム系化合物半
導体の一部を、Ｂ、Ｐで置換した、混晶でもよい。

【００２１】図１は、本発明に係る窒化物半導体レーザ
の一例を示す断面図である。ＧａＮ基板１０１上におい
て、Ｉｎ_xＧａ_1-xＮ（０≦ｘ＜１）から成る活性層１０
７が、ｎ型Ａｌ_yＧａ_1-yＮ（０≦ｙ＜１）層１０３〜１
０６（各層毎にｙの値は異なる）と、ｐ型Ａｌ_zＧａ_1-z
Ｎ（０≦ｚ＜１）層１０８〜１１１（各層毎にｚの値は
異なる）によって挟まれており、いわゆるダブルへテロ
構造が形成されている。

【００２２】活性層１０７は、Ｉｎ_x1Ｇａ_1-x1Ｎ井戸層
（０＜ｘ₁＜１）とＩｎ_x2Ｇａ_1-x2Ｎ障壁層（０≦ｘ₂＜
１、ｘ₁＞ｘ₂）が、障壁層-井戸層-障壁層の順に適当な
回数だけ交互に繰り返し積層されたＭＱＷ構造を有して
おり、活性層の両端はいずれも障壁層となっている。井
戸層はアンドープで形成されている。一方、ｐ型電子閉
じ込め層１０８に隣接した最終障壁層を除いて、全ての
障壁層にはＳｉ、Ｓｎ等のｎ型不純物がドープされてお
り、最終障壁層はアンドープで成長されている。また、
最終障壁層には、隣接するｐ型窒化物半導体層からＭｇ
等のｐ型不純物が拡散している。

【００２３】最終障壁層を除く障壁層にｎ型不純物がド
ープされていることにより、活性層中の初期電子濃度が
大きくなって井戸層への電子注入効率が高くなり、レー
ザの発光効率が向上する。一方、最終障壁層は、最もｐ
型層側にあるため井戸層への電子注入には寄与しない。
そこで、最終障壁層にｎ型不純物をドープせず、むしろ
ｐ型不純物をｐ型層からの拡散によって実質的にドープ
することにより、井戸層へのホール注入効率を高めるこ
とができる。また、最終障壁層にｎ型不純物をドープし
ないことにより、障壁層中に異なる型の不純物が混在し
てキャリアの移動度が低下することを防止できる。

【００２４】以下、図１に示す窒化物半導体レーザにつ
いて、構造の詳細について説明する。基板１０１として
は、ＧａＮを用いることが好ましいが、窒化物半導体と
異なる異種基板を用いても良い。異種基板としては、例
えば、Ｃ面、Ｒ面、及びＡ面のいずれかを主面とするサ
ファイア、スピネル（ＭｇＡ１₂Ｏ₄のような絶縁性基
板、ＳｉＣ（６Ｈ、４Ｈ、３Ｃを含む）、ＺｎＳ、Ｚｎ
Ｏ、ＧａＡｓ、Ｓｉ、及び窒化物半導体と格子整合する
酸化物基板等、窒化物半導体を成長させることが可能で
従来から知られており、窒化物半導体と異なる基板材料
を用いることができる。好ましい異種基板としては、サ
ファイア、スピネルが挙げられる。また、異種基板は、
オフアングルしていてもよく、この場合ステップ状にオ
フアングルしたものを用いると窒化ガリウムからなる下
地層が結晶性よく成長するため好ましい。更に、異種基
板を用いる場合には、異種基板上に素子構造形成前の下
地層となる窒化物半導体を成長させた後、異種基板を研
磨などの方法により除去して、窒化物半導体の単体基板
として素子構造を形成してもよく、また、素子構造形成
後に、異種基板を除去する方法でも良い。

【００２５】異種基板を用いる場合には、バッファ層
（低温成長層）、窒化物半導体（好ましくはＧａＮ）か
らなる下地層を介して、素子構造を形成すると、窒化物
半導体の成長が良好なものとなる。また、異種基板上に
設ける下地層（成長基板）として、その他に、ELOG(Epi
taxially Laterally Overgrowth)成長させた窒化物半導
体を用いると結晶性が良好な成長基板が得られる。ELOG
成長層の具体例としては、異種基板上に、窒化物半導体
層を成長させ、その表面に窒化物半導体の成長が困難な
保護膜を設けるなどして形成したマスク領域と、窒化物
半導体を成長させる非マスク領域を、ストライプ状に設
け、その非マスク領域から窒化物半導体を成長させるこ
とで、膜厚方向への成長に加えて、横方向への成長が成
されることにより、マスク領域にも窒化物半導体が成長
して成膜された層などがある。その他の形態では、異種
基板上に成長させた窒化物半導体層に開口部を設け、そ
の開口部側面から横方向への成長がなされて、成膜され
る層でもよい。

【００２６】基板１０１上には、バッファ層１０２を介
して、ｎ型窒化物半導体層であるｎ型コンタクト層１０
３、クラック防止層１０４、ｎ型クラッド層１０５、及
びｎ型光ガイド層１０６が形成されている。ｎ型クラッ
ド層１０５を除く他の層は、素子によっては省略するこ
ともできる。ｎ型窒化物半導体層は、少なくとも活性層
と接する部分において活性層よりも広いバンドギャップ
を有することが必要であり、そのためにＡｌを含む組成
であることが好ましい。また、各層は、ｎ型不純物をド
ープしながら成長させてｎ型としても良いし、アンドー
プで成長させてｎ型としても良い。

【００２７】ｎ型窒化物半導体層１０３〜１０６の上に
は、活性層１０７が形成されている。活性層１０７は、
前述の通り、Ｉｎ_x1Ｇａ_1-x2Ｎ井戸層（０＜ｘ₁＜１）
とＩｎ_x2Ｇａ_1-x2Ｎ障壁層（０≦ｘ₂＜１、ｘ₁＞ｘ₂）
が適当な回数だけ交互に繰り返し積層されたＭＱＷ構造
を有しており、活性層の両端はいずれも障壁層となって
いる。井戸層は、アンドープで形成されており、最終障
壁層を除く全ての障壁層はＳｉ、Ｓｎ等のｎ型不純物が
好ましくは１×１０¹⁷〜１×１０¹⁹ｃｍ^-3の濃度でドー
プして形成されている。

【００２８】最終障壁層は、アンドープで形成されてお
り、次に成長させるｐ型電子閉じ込め層１０８からの拡
散によってＭｇ等のｐ型不純物を１×１０¹⁶〜１×１０
¹⁹ｃｍ^-3含んでいる。尚、最終障壁層を成長させるとき
に、Ｍｇ等のｐ型不純物を１×１０¹⁹ｃｍ^-3以下の濃度
でドープしながら成長させても良い。また、最終障壁層
は、次にｐ型電子閉じ込め層１０８を成長させるときの
ガスエッチングによる分解の影響を抑制するために、他
の障壁層よりも厚く形成されている。最終障壁層の好適
な厚みは、ｐ型電子閉じ込め層１０８の成長条件によっ
て適宜変化するが、例えば、他の障壁層の好ましくは
１．１〜１０倍、より好ましくは１．１〜５倍の厚みに
成長させる。これにより、最終障壁層は、Ｉｎを含む活
性層の分解を防止する保護膜としての役割を果たす。

【００２９】最終障壁層の上には、ｐ型窒化物半導体層
として、ｐ型電子閉じ込め層１０８、ｐ型光ガイド層１
０９、ｐ型クラッド層１１０、ｐ型コンタクト層１１１
が形成されている。ｐ型クラッド層１１０を除く他の層
は、素子によっては省略することもできる。ｐ型窒化物
半導体層は、少なくとも活性層と接する部分において活
性層よりも広いバンドギャップを有することが必要であ
り、そのためにＡｌを含む組成であることが好ましい。
また、各層は、ｐ型不純物をドープしながら成長させて
ｐ型としても良いし、隣接する他の層からｐ型不純物を
拡散させてｐ型としても良い。

【００３０】ｐ型電子閉じ込め層１０８は、ｐ型クラッ
ド層１１０よりも高いＡｌ混晶比を持つｐ型窒化物半導
体から成り、好ましくはＡｌ_xＧａ_1-xＮ（０．１＜ｘ＜
０．５）なる組成を有する。また、Ｍｇ等のｐ型不純物
が高濃度で、好ましくは５×１０¹⁷〜１×１０¹⁹ｃｍ^-3
の濃度でドープされている。これにより、ｐ型電子閉じ
込め層１０８は、電子を活性層中に有効に閉じ込めるこ
とができ、レーザの閾値を低下させる。また、ｐ型電子
閉じ込め層１０８は、３０〜２００Å程度の薄膜で成長
させれば良く、薄膜であればｐ型光ガイド層１０９やｐ
型光クラッド層１１０よりも低温で成長させることがで
きる。したがって、ｐ型電子閉じ込め層１０８を形成す
ることにより、ｐ型光ガイド層１０９等を活性層の上に
直接形成する場合に比べて、Ｉｎを含む活性層１０７の
分解を抑制することができる。

【００３１】また、ｐ型電子閉じ込め層１０９は、アン
ドープで成長させた最終障壁層にｐ型不純物を拡散によ
って供給する役割を果たしており、両者は協働して、活
性層１０７を分解から保護すると共に、活性層１０７へ
のホール注入効率を高める役割を果たす。即ち、ＭＱＷ
活性層の最終層としてアンドープＩｎ_x2Ｇａ_1-x2Ｎ層
（０≦ｘ₂＜１）を他の障壁層よりも厚く形成し、その
上にＭｇ等のｐ型不純物を高濃度にドープしたｐ型Ａｌ
_xＧａ_1-xＮ（０．１＜ｘ＜０．５）から成る薄膜を低温
で成長させることにより、Ｉｎを含む活性層１０７が分
解から保護されると共に、ｐ型Ａｌ_xＧａ_1-xＮ層からア
ンドープＩｎ_x2Ｇａ_1-x2Ｎ層にＭｇ等のｐ型不純物が拡
散して活性層へのホール注入効率を向上することができ
る。

【００３２】ｐ型窒化物半導体層のうち、ｐ型光ガイド
層１０９の途中までリッジストライプが形成され、さら
に、保護膜１６１、１６２、ｐ型電極１２０、ｎ型電極
１２１、ｐパット電極１２２、及びｎパット電極１２３
が形成されて半導体レーザが構成されている。

【００３３】［実施例１］以下、実施例として、図１に
示すようなレーザ素子構造の窒化物半導体を用いたレー
ザ素子について、説明する。

【００３４】（基板１０１）基板として、異種基板に成
長させた窒化物半導体、本実施例ではＧａＮを厚膜（１
００μｍ）で成長させた後、異種基板を除去して、８０
μｍのＧａＮからなる窒化物半導体基板を用いる。基板
の詳しい形成方法は、以下の通りである。２インチφ、
Ｃ面を主面とするサファイアよりなる異種基板をＭＯＶ
ＰＥ反応容器内にセットし、温度を５００℃にして、ト
リメチルガリウム（ＴＭＧ）、アンモニア（ＮＨ₃）を
用い、ＧａＮよりなるバッファ層を２００Åの膜厚で成
長させ、その後、温度を上げて、アンドープのＧａＮを
１．５μｍの膜厚で成長させて、下地層とする。次に、
下地層表面にストライプ状のマスクを複数形成して、マ
スク開口部（窓部）から窒化物半導体、本実施例ではＧ
ａＮを選択成長させて、横方向の成長を伴った成長（Ｅ
ＬＯＧ）により成膜された窒化物半導体層を、さらに厚
膜で成長させて、異種基板、バッファ層、下地層を除去
して、窒化物半導体基板を得る。この時、選択成長時の
マスクは、ＳｉＯ₂からなり、マスク幅１５μｍ、開口
部（窓部）幅５μｍとする。

【００３５】（バッファ層１０２）窒化物半導体基板の
上に、バッファ層成長後、温度を１０５０℃にして、Ｔ
ＭＧ（トリメチルガリウム）、ＴＭＡ（トリメチルアル
ミニウム）、アンモニアを用い、Ａｌ_0.05Ｇａ_0.95Ｎよ
りなるバッファ層１０２を４μｍの膜厚で成長させる。
この層は、ＡｌＧａＮのｎ型コンタクト層と、ＧａＮか
らなる窒化物半導体基板との間で、バッファ層として機
能する。次に、窒化物半導体からなる下地層の上に、素
子構造となる各層を積層する。

【００３６】（ｎ型コンタクト層１０３）次に得られた
バッファ層１０２上にＴＭＧ、ＴＭＡ、アンモニア、不
純物ガスとしてシランガスを用い、１０５０℃でＳｉド
ープしたＡｌ_0.05Ｇａ_0.95Ｎよりなるｎ型コンタクト層
１０３を４μｍの膜厚で成長させる。

【００３７】（クラック防止層１０４）次に、ＴＭＧ、
ＴＭＩ（トリメチルインジウム）、アンモニアを用い、
温度を８００℃にしてＩｎ_0.06Ｇａ_0.94Ｎよりなるクラ
ック防止層１０４を０．１５μｍの膜厚で成長させる。
なお、このクラック防止層は省略可能である。

【００３８】（ｎ型クラッド層１０５）次に、温度を１
０５０℃にして、原料ガスにＴＭＡ、ＴＭＧ及びアンモ
ニアを用い、アンドープのＡｌ_0.05Ｇａ_0.95Ｎよりなる
Ａ層を２５Åの膜厚で成長させ、続いて、ＴＭＡを止
め、不純物ガスとしてシランガスを用い、Ｓｉを５×１
０ ¹⁸／ｃｍ³ドープしたＧａＮよりなるＢ層を２５Åの
膜厚で成長させる。そして、この操作をそれぞれ２００
回繰り返してＡ層とＢ層の積層し、総膜厚１μｍの多層
膜（超格子構造）よりなるｎ型クラッド層１０６を成長
させる。この時、アンドープＡｌＧａＮのＡｌ混晶比と
しては、０．０５以上０．３以下の範囲であれば、十分
にクラッド層として機能する屈折率差を設けることがで
きる。

【００３９】（ｎ型光ガイド層１０６）次に、同様の温
度で、原料ガスにＴＭＧ及びアンモニアを用い、アンド
ープのＧａＮよりなるｎ型光ガイド層１０６を０．１５
μｍの膜厚で成長させる。また、ｎ型不純物をドープし
てもよい。

【００４０】（活性層１０７）次に、温度を８００℃に
して、原料ガスにＴＭＩ（トリメチルインジウム）、Ｔ
ＭＧ及びアンモニアを用い、不純物ガスとしてシランガ
スを用い、Ｓｉを５×１０¹⁸／ｃｍ³ドープしたＩｎ
_0.05Ｇａ_0.95Ｎよりなる障壁層（Ｂ）を１４０Åの膜厚
で、シランガスを止め、アンドープのＩｎ_0.1Ｇａ_0.9Ｎ
よりなる井戸層（Ｗ）を４０Åの膜厚で、この障壁層
（Ｂ）、井戸層（Ｗ）を、（Ｂ）／（Ｗ）／（Ｂ）／
（Ｗ）の順に積層する。最後に最終障壁層として、原料
ガスにＴＭＩ（トリメチルインジウム）、ＴＭＧ及びア
ンモニアを用い、アンドープのＩｎ_0.05Ｇａ_0.95Ｎを成
長させる。活性層１０７は、総膜厚約５００Åの多重量
子井戸構造（ＭＱＷ）となる。

【００４１】（ｐ型電子閉込め層１０８）次に、同様の
温度で、原料ガスにＴＭＡ、ＴＭＧ及びアンモニアを用
い、不純物ガスとしてＣｐ₂Ｍｇ（シクロペンタジエニ
ルマグネシウム）を用い、Ｍｇを１×１０¹⁹／ｃｍ³ド
ープしたＡｌ_0.3Ｇａ_0.7Ｎよりなるｐ型電子閉込層１０
８を１００Åの膜厚で成長させる。この層は、特に設け
られていなくても良いが、設けることで電子閉込めとし
て機能し、閾値の低下に寄与するものとなる。

【００４２】（ｐ型光ガイド層１０９）次に、温度を１
０５０℃にして、原料ガスにＴＭＧ及びアンモニアを用
い、アンドープのＧａＮよりなるｐ型光ガイド層１０９
を０．１５μｍの膜厚で成長させる。このｐ型光ガイド
層１０９は、アンドープとして成長させるが、ｐ型電子
閉込め層１０８、ｐ型クラッド層１０９等の隣接層から
のＭｇの拡散により、Ｍｇ濃度が５×１０¹⁶／ｃｍ³と
なりｐ型を示す。またこの層は成長時に意図的にＭｇを
ドープしても良い。

【００４３】（ｐ型クラッド層１１０）続いて、１０５
０℃でアンドープＡｌ_0.05Ｇａ_0.95Ｎよりなる層を２５
Åの膜厚で成長させ、続いてＴＭＡを止め、Ｃｐ₂Ｍｇ
を用いて、ＭｇドープＧａＮよりなる層を２５Åの膜厚
で成長させ、それを９０回繰り返して総膜厚０．４５μ
ｍの超格子層よりなるｐ型クラッド層１１０を成長させ
る。ｐ型クラッド層は少なくとも一方がＡｌを含む窒化
物半導体層を含み、互いにバンドギャップエネルギーが
異なる窒化物半導体層を積層した超格子で作製した場
合、不純物はいずれか一方の層に多くドープして、いわ
ゆる変調ドープを行うと結晶性が良くなる傾向にある
が、両方に同じようにドープしても良い。クラッド層１
１０は、Ａｌを含む窒化物半導体層、好ましくはＡｌ_X
Ｇａ_1-XＮ（０＜X＜１）を含む超格子構造とすることが
望ましく、さらに好ましくはＧａＮとＡｌＧａＮとを積
層した超格子構造とする。ｐ側クラッド層１１０を超格
子構造とすることによって、クラッド層全体のＡｌ混晶
比を上げることができるので、クラッド層自体の屈折率
が小さくなり、さらにバンドギャップエネルギーが大き
くなるので、閾値を低下させる上で非常に有効である。
さらに、超格子としたことにより、クラッド層自体に発
生するピットが超格子にしないものよりも少なくなるの
で、ショートの発生も低くなる。

【００４４】（ｐ型コンタクト層１１１）最後に、１０
５０℃で、ｐ型クラッド層１１０の上に、Ｍｇを１×１
０²⁰／cm ³ドープしたｐ型ＧａＮよりなるｐ型コンタク
ト層１１１を１５０Åの膜厚で成長させる。ｐ型コンタ
クト層１１１はｐ型のＩｎ_XＡｌ_YＧａ_1-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１２０と最も
好ましいオーミック接触が得られる。コンタクト層１１
１は電極を形成する層であるので、１×１０¹⁷／cm³以
上の高キャリア濃度とすることが望ましい。１×１０¹⁷
／cm³よりも低いと電極と好ましいオーミックを得るの
が難しくなる傾向にある。さらにコンタクト層の組成を
ＧａＮとすると、電極材料と好ましいオーミックが得ら
れやすくなる。反応終了後、反応容器内において、ウエ
ハを窒素雰囲気中、７００℃でアニーリングを行い、ｐ
型層を更に低抵抗化する。

【００４５】以上のようにして窒化物半導体を成長させ
各層を積層した後、ウエハを反応容器から取り出し、最
上層のｐ型コンタクト層の表面にＳｉＯ₂よりなる保護
膜を形成して、ＲＩＥ（反応性イオンエッチング）を用
いＳｉＣｌ₄ガスによりエッチングし、図１に示すよう
に、ｎ電極を形成すべきｎ型コンタクト層１０３の表面
を露出させる。このように窒化物半導体を深くエッチン
グするには保護膜としてＳｉＯ₂が最適である。

【００４６】次に上述したストライプ状の導波路領域と
して、リッジストライプを形成する。まず、最上層のｐ
型コンタクト層（上部コンタクト層）のほぼ全面に、Ｐ
ＶＤ装置により、Ｓｉ酸化物（主として、ＳｉＯ₂）よ
りなる第１の保護膜１６１を０．５μｍの膜厚で形成し
た後、第１の保護膜１６１の上に所定の形状のマスクを
かけ、ＲＩＥ（反応性イオンエッチング）装置により、
ＣＦ₄ガスを用い、フォトリソグラフィー技術によりス
トライプ幅１．６μｍの第１の保護膜１６１とする。こ
の時、リッジストライプの高さ（エッチング深さ）は、
ｐ型コンタクト層１１１、およびｐ型クラッド層１０
９、ｐ型光ガイド層１１０の一部をエッチングして、ｐ
型光ガイド層１０９の膜厚が０．１μｍとなる深さまで
エッチングして、形成する。

【００４７】次に、リッジストライプ形成後、第１の保
護膜１６１の上から、Ｚｒ酸化物（主としてＺｒＯ₂）
よりなる第２の保護膜１６２を、第１の保護膜１６１の
上と、エッチングにより露出されたｐ型光ガイド層１０
９の上に０．５μｍの膜厚で連続して形成する。

【００４８】第２の保護膜１６２形成後、ウエハを６０
０℃で熱処理する。このようにＳｉＯ₂以外の材料を第
２の保護膜として形成した場合、第２の保護膜成膜後
に、３００℃以上、好ましくは４００℃以上、窒化物半
導体の分解温度以下（１２００℃）で熱処理することに
より、第２の保護膜が第１の保護膜の溶解材料（フッ
酸）に対して溶解しにくくなるため、この工程を加える
ことがさらに望ましい。

【００４９】次に、ウエハをフッ酸に浸漬し、第１の保
護膜１６１をリフトオフ法により除去する。このことに
より、ｐ型コンタクト層１１１の上に設けられていた第
１の保護膜１６１が除去されて、ｐ型コンタクト層が露
出される。以上のようにして、図１に示すように、リッ
ジストライプの側面、及びそれに連続する平面（ｐ型光
ガイド層１０９の露出面）に第２の保護膜１６２が形成
される。

【００５０】このように、ｐ型コンタクト層１１２の上
に設けられた第１の保護膜１６１が、除去された後、図
１に示すように、その露出したｐ型コンタクト層１１１
の表面にＮｉ／Ａｕよりなるｐ電極１２０を形成する。
但しｐ電極１２０は１００μｍのストライプ幅として、
図１に示すように、第２の保護膜１６２の上に渡って形
成する。第２の保護膜１６２形成後、既に露出させたｎ
型コンタクト層１０３の表面にはＴｉ／Ａｌよりなるス
トライプ状のｎ電極１２１をストライプと平行な方向で
形成する。

【００５１】次に、ｎ電極を形成するためにエッチング
して露出された面でｐ，ｎ電極に、取り出し電極を設け
るため所望の領域にマスクし、ＳｉＯ₂とＴｉＯ₂よりな
る誘電体多層膜１６４を設けた後、ｐ，ｎ電極上にＮｉ
−Ｔｉ−Ａｕ（１０００Å−１０００Å−８０００Å）
よりなる取り出し（パット）電極１２２，１２３をそれ
ぞれ設けた。この時、活性層１０７の幅は、２００μｍ
の幅（共振器方向に垂直な方向の幅）であり、共振器面
（反射面側）にもＳｉＯ₂とＴｉＯ₂よりなる誘電体多層
膜が設けられる。

【００５２】以上のようにして、ｎ電極とｐ電極とを形
成した後、ストライプ状の電極に垂直な方向で、窒化物
半導体のＭ面（ＧａＮのＭ面、（1 1- 0 0）など）でバ
ー状に分割して、更にバー状のウエハを分割してレーザ
素子を得る。この時、共振器長は、６５０μｍである。

【００５３】室温においてしきい値２．８ｋＡ／ｃ
ｍ²、５〜３０ｍＷの出力において発振波長４０５ｎｍ
の連続発振のレーザ素子が得られる。得られるレーザ素
子の素子寿命は、６０℃、５ｍＷの連続発振において、
５０００〜６０００時間となる。これは、室温におい
て、１０万時間近い素子寿命に相当する。また、逆方向
耐圧としては、約４５Ｖが得られる。

【００５４】［実施例２］実施例１において、活性層中
の障壁層の内、活性層とｐ型電子閉込め層との界面に位
置する障壁層（最終障壁層）を、Ｍｇを１×１０¹⁸／ｃ
ｍ³ドープして、形成する他は、同様にしてレーザ素子
を得る。得られるレーザ素子は、実施例１に比べて、前
記最後の障壁層により多くのＭｇがドープされたものと
なる。また、その特性は、素子寿命、逆方向耐圧特性に
おいて、ほぼ同等なものが得られる。

【００５５】［比較例１］実施例１において、最終障壁
層に１×１０¹⁷ｃｍ^-3の濃度でＳｉドープとする他は、
同様にしてレーザ素子を得る。得られるレーザ素子の素
子寿命は、６０℃、５ｍＷ出力での連続発振において、
３０００〜４０００時間となる。また、得られるレーザ
素子の逆方向耐圧は、約３６Ｖとなる。

【００５６】［比較例２］実施例１において、最終障壁
層に１×１０¹⁸ｃｍ^-3の濃度でＳｉドープとする他は、
同様にしてレーザ素子を得る。得られるレーザ素子の素
子寿命は、６０℃、５ｍＷ出力での連続発振において、
２０００〜３０００時間となる。また、得られるレーザ
素子の逆方向耐圧は、約２９Ｖとなる。

【００５７】［比較例３］実施例１において、最終障壁
層に１×１０¹⁹ｃｍ^-3の濃度でＳｉドープとする他は、
同様にしてレーザ素子を得る。得られるレーザ素子の素
子寿命は、６０℃、５ｍＷ出力での連続発振において、
１０００〜１５００時間となる。また、得られるレーザ
素子の逆方向耐圧は、約１９Ｖとなる。

【００５８】実施例１及び比較例１〜３において得られ
た寿命特性及び逆方向耐圧の測定結果をグラフ化して、
図２及び図３に示す。グラフに示すように、最終障壁層
へのＳｉのドープ量が少なくなるに従って、寿命特性及
び逆耐圧特性が向上している。全ての障壁層にＳｉを均
一ドープした時（Ｓｉドープ量１０¹⁸ｃｍ^-3）を基準と
すると、寿命は２倍以上、逆耐圧特性は約１．５倍に向
上している。

【００５９】得られるレーザ素子について、そのいくつ
かを無作為に抜き取り、ＳＩＭＳ（二次イオン質量分析
法）などにより分析したところ、活性層中の障壁層の
内、ｐ型電子閉込め層との界面に位置する障壁層（最終
障壁層）に、Ｍｇが検出される。従って、比較例で得ら
れるレーザ素子の一部、若しくは全部において、最終障
壁層に、ＳｉとＭｇがドープされた状態を有するものと
なり、このことが、実施例１，２で得られるレーザ素子
と寿命特性及び逆耐圧特性と異ならしめている原因と考
えられる。

【００６０】

【発明の効果】本発明の窒化物半導体素子は、ライフ特
性（素子寿命）に優れ、また、従来問題とされてきた窒
化物半導体を用いた素子における脆弱な逆方向耐圧特性
を大幅に向上したものとなる。また、本発明の窒化物半
導体素子で、レーザ素子とした場合においても、同様な
特性の向上が得られる。またレーザ素子において、変調
特性（応答速度）においても、向上が観られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態を説明する模式断面図。

【図２】本発明の実施例及び比較例において得られた
寿命特性のグラフである。

【図３】本発明の実施例及び比較例において得られた
逆耐圧特性のグラフである。

【符号の簡単な説明】

１０１・・・基板（ＧａＮ基板）１０２・・・バッファ層１０３・・・ｎ型コンタクト層１０４・・・クラック防止層１０５・・・ｎ型クラッド層１０６・・・ｎ型光ガイド層１０７・・・活性層１０８・・・ｐ型電子閉込め層１０９・・・ｐ型光ガイド層１１０・・・ｐ型クラッド層１１１・・・ｐ型コンタクト層１２０・・・ｐ電極１２１・・・ｎ電極１２２・・・ｐパッド電極１２３・・・ｎパッド電極１６３・・・第３の保護膜１６４・・・絶縁膜

フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01S 5/00 - 5/50 H01L 33/00

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】Ｉｎを含む窒化物半導体からなる井戸層
と窒化物半導体からなる障壁層とを交互に積層した量子
井戸構造を有する活性層を、ｐ型窒化物半導体層とｎ型
窒化物半導体層とで挟んだ構造を有する窒化物半導体素
子において、前記活性層の最外側にあって前記ｐ型窒化物半導体層に
隣接した最終障壁層を除く全ての障壁層が、ｎ型不純物
を含んでおり、前記最終障壁層が、ｎ型不純物を実質的に含まないこと
を特徴とする窒化物半導体素子。
【請求項２】前記最終障壁層が、ｐ型又はｉ型である
ことを特徴とする請求項１記載の窒化物半導体素子。
【請求項３】前記最終障壁層が、ｐ型不純物を含んで
いることを特徴とする請求項１記載の窒化物半導体素
子。
【請求項４】前記最終障壁層が、ｐ型不純物を５×１
０¹⁶ｃｍ^-3以上１×１０¹⁹ｃｍ^-3以下含んでいることを
特徴とする請求項１記載の窒化物半導体素子。
【請求項５】前記ｎ型窒化物半導体層、前記活性層、
及び前記ｐ型窒化物半導体層の順に積層されたことを特
徴とする請求項１記載の窒化物半導体素子。
【請求項６】前記最終障壁層が、不純物をドープせず
に成長させたものであって、前記ｐ型窒化物半導体層か
らの拡散によりｐ型不純物を含むことを特徴とする請求
項３記載の窒化物半導体素子。
【請求項７】前記障壁層が、Ｉｎを含む窒化物半導体
から成り、前記ｐ型窒化物半導体層のうち少なくとも前
記活性層に隣接する層が、Ａｌを含む窒化物半導体から
成ることを特徴とする請求項１記載の窒化物半導体素
子。
【請求項８】前記最終障壁層が他の障壁層よりも厚く
形成されたことを特徴とする請求項７記載の窒化物半導
体素子。
【請求項９】前記ｎ型窒化物半導体層が、Ａｌを含む
窒化物半導体を有するｎ型クラッド層を有し、前記ｐ型
窒化物半導体層がＡｌを含む窒化物半導体を有するｐ型
クラッド層を有することを特徴とする請求項１記載の窒
化物半導体素子。
【請求項１０】前記ｐ型クラッド層と活性層との間に、
ｐ型クラッド層と異なるＡｌ混晶比のＡｌを含む窒化物
半導体からなるｐ型層を有することを特徴とする請求項
９記載の窒化物半導体素子。
【請求項１１】前記ｐ型不純物がＭｇであり、前記ｎ
型不純物がＳｉ又はＳｎであることを特徴とする請求項
１記載の窒化物半導体素子。