JP3767031B2 - 半導体発光素子およびその製造方法 - Google Patents
半導体発光素子およびその製造方法 Download PDFInfo
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、表示素子やフルカラーディスプレイ、そして光ディスクの光源に用いる窒化物を用いた発光素子に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
次世代高密度情報処理技術のキーデバイスとして、レーザの短波長化が可能な、Ｎを含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体は注目を浴びている。
【０００３】
従来よりＮを含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体より構成されるレーザ構造として、図１７に示されている構造が知られている。この構造のキャビティ長は１ｍｍ、ストライプ幅２０μｍで、活性層がＭＱＷ構造であるダブルヘテロ構造を有することを特徴としている。この構造により発振波長４１０ｎｍ、しきい値電圧１７〜４０Ｖ、しきい値電流０．２〜２Ａ、しきい値電流密度４〜１０ｋＡ／ｃｍ2、デューティ０．１％の室温パルス発振が実現している(Shuji Nakamura et al.;Japanese Journal of Applied Physics Vol.35(1996)pp.L74ーL76.、ibid.;Japanese Journal of Applied Physics Vol.35(1996)pp.L217ーL220.、ibid.;Applied Physics Letters Vol.68(1996)pp.2105ー2107.、特開平７−１６２０３８号公報)。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
従来のＮを含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体より構成されるレーザ構造に関する技術には、次にあげる２つの問題があった。
【０００５】
１つ目は、上記図１７に示すようなレーザ構造は、ストライプ幅が２０μｍと広く、電流狭窄が困難であり、そのためにしきい値電流が０．２〜２Ａと非常に大きくなり、レーザの室温連続発振は困難であった。
【０００６】
２つ目は、上記図１７に示すようなレーザ構造は、ストライプ幅が２０μｍと広く、横方向の屈折率差がつかず、横モード制御ができない。そのため、光情報記録・再生用のレーザとしての単一横モード発振を実現することはできなかった。
【０００７】
そこで本発明では、電流狭窄を施してしきい値電流が従来より低い、Ｎを含有するＩＩＩ−Ｖ族化合物より構成される半導体発光素子を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
発明者らは、上記問題点を解決する、Ｎを含むＩＩＩ−Ｖ族化合物からなるレーザ構造及びそれを製造する技術として、以下（１）〜（３）に示す技術を考案した。
【０００９】
（１）ＳｉＣ基板のような、導電性の基板に対してあらかじめＺｎＯ等の、基板に対して格子定数が近い絶縁物結晶を、幅５〜１０μｍ程度の電流注入領域以外の部分に積層し、その上にＮを含むＩＩＩ−Ｖ族化合物からなるダブルヘテロ構造を製造する。そうすれば、幅５〜１０μｍ程度の電流注入領域以外の部分には電流が流れず、電流狭窄が実現し、レーザのしきい値電流が低下する。
【００１１】
（２）ＳｉＣ基板のような、導電性の基板に対してあらかじめ逆の導電性を持った、Ｎを含むＩＩＩ−Ｖ族化合物を幅５〜１０μｍ程度の電流注入領域以外の部分に積層し、その上にＮを含むＩＩＩ−Ｖ族化合物からなるダブルヘテロ構造を製造する。そうすれば、幅５〜１０μｍ程度の電流注入領域以外の部分には電流が流れず、電流狭窄が実現し、レーザのしきい値電流が低下する。
【００１２】
（３）ＳｉＣ基板のような、導電性の基板に対してあらかじめＺｎＯ等の、Ｎを含むＩＩＩ−Ｖ族化合物または基板に対して格子定数が近い絶縁物結晶を、幅５〜１０μｍ程度の電流注入領域以外の部分に積層し、その上にＮを含むＩＩＩ−Ｖ族化合物からなるダブルヘテロ構造を製造する。さらにドライエッチングにより幅５〜１０μｍ程度の電流注入領域以外の部分を絶縁物結晶まで取り除き、その上に前記ダブルヘテロ構造とは逆の導電性プロファイルを持ち、かつダブルヘテロ構造の実効屈折率よりも小さい屈折率を持ったＮを含むＩＩＩ−Ｖ族化合物を積層する。そうすれば、幅５〜１０μｍ程度の電流注入領域以外の部分には電流が流れず、電流狭窄が実現し、レーザのしきい値電流が低下する。また、屈折率導波型レーザなので安定な単一横モード発振レーザが実現する。
【００１３】
本発明のレーザ構造の作製は、図５に示されている有機金属気相エピタキシャル装置を用い、有機金属気相エピタキシャル成長法により行われるものである。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本発明の、半導体発光素子、その製造方法及び素子の特性について、図面を参照しながら説明する。
【００１５】
（実施の形態１）
実施の形態１を、図１、図５、図６を用いて説明する。まず最初にアンドープＳｉＣ電流狭窄層１０２をｎ型ＳｉＣ（０００１）基板１０１上に積層する方法を説明する。
【００１６】
ｎ型ＳｉＣ（０００１）基板１０１をＣＶＤ装置内に投入し、層厚１０００ÅのＳｉＯ2６０１をＣＶＤ法によりｎ型ＳｉＣ（０００１）基板１０１上全面にわたって積層する。ＣＶＤ装置としては、光ＣＶＤ装置を用いてもよく、またプラズマＣＶＤ装置を用いてもよい。
【００１７】
次にＳｉＯ2６０１を全面に積層されたｎ型ＳｉＣ（０００１）基板１０１に対してＳｉＯ2６０１上全面にレジスト６０２を塗布する。
【００１８】
レジスト６０２を塗布されたｎ型ＳｉＣ（０００１）基板１０１に対して幅１０μｍのマスク６０３をかぶせ、光を照射してマスク６０３に覆われていない部分のレジストを化学変化させて取り除く。その後、マスクを取り外しＨＦ：ＮＨ4Ｆ＝１：１０の水溶液を用い、レジストが取り除かれた部分のＳｉＯ２６０１を取り除く。その後アセトンおよびＯ2プラズマによりレジスト６０２を取り除く。このようにして幅１０μｍのストライプ状のＳｉＯ2６０１がｎ型ＳｉＣ（０００１）基板１０１上に積層される。
【００１９】
次に有機溶媒による洗浄及び前処理を施され、幅１０μｍのストライプ状のＳｉＯ2６０１が積層されたｎ型ＳｉＣ（０００１）基板１０１をスパッタ装置内に投入し、基板温度を３００℃とし、ＳｉＣに電子線を照射してＳｉＣの分子線強度が１０-7Ｔｏｒｒになるようする。その後、ＳｉＣのビームを基板に照射し、アンドープＳｉＣ電流狭窄層１０２を１０００Å積層する。その後、基板１０１を室温に戻し、ＳｉＣ層１０２が積層された基板１０１をスパッタ装置の外へ取り出す。ＳｉＯ2とＳｉＣは格子定数の違いが大きいのでＳｉＯ2の上にＳｉＣはほとんど積層されない。このＳｉＣ層を積層する方法は、従来より知られた方法である。
【００２０】
ＳｉＣ層１０２が積層された基板１０１に対して、フッ酸によってＳｉＯ2層６０１を取り除く。
【００２１】
ＳｉＣ層１０２が積層された基板１０１を有機溶媒による洗浄及び前処理を施し、今度は基板１０１を炭素製の基板ホルダ５０１上に置き、有機金属気相エピタキシャル成長装置の成長室５０９内に投入する。ｎ型ＳｉＣ（０００１）基板１０１に対して有機溶媒による洗浄及び前処理を行う。
【００２２】
次に成長室５０９内を圧力７０Ｔｏｒｒの水素で満たし、水素雰囲気中でｎ型ＳｉＣ（０００１）基板１０１を炭素製の基板ホルダ５０１ごとヒータ５０８で１０９０℃まで加熱し、表面に付着している吸着ガスや酸化物、水分子等を取り除く。その後ｎ型ＳｉＣ（０００１）基板１０１の温度を１０００℃まで下げ、トリメチルアルミニウム、アンモニア、シランのガス供給ラインのバルブ５０３、５０５、５０７を開け、トリメチルアルミニウム５．５ｓｃｃｍ、アンモニア２．５ｌ／ｍｉｎ、シラン１２．５ｓｃｃｍを流し、ｎ型ＡｌＮバッファ層１０３を３００Å積層する。
【００２３】
ｎ型ＡｌＮバッファ層１０３を積層した後、ｎ型ＳｉＣ（０００１）基板１０１の温度を１０３０℃まで上げ、トリメチルガリウム、トリメチルアルミニウム、アンモニア、シランのガス供給ラインのバルブ５０２、５０３、５０５、５０７を開け、トリメチルガリウム２．７ｓｃｃｍ、トリメチルアルミニウム８．７ｓｃｃｍ、アンモニア２．５ｌ／ｍｉｎ、シラン１２．５ｓｃｃｍを流し、層厚１．５μｍのｎ型Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎ１０４を積層する。
【００２４】
ｎ型Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎ１０４を積層した後、トリメチルアルミニウム及びシランのガス供給ライン５０３、５０７を閉じ、トリメチルガリウム、アンモニアのガス供給ラインのバルブ５０２、５０５を開け、トリメチルガリウム２．７ｓｃｃｍ、アンモニア２．５ｌ／ｍｉｎを流し、アンドープＧａＮ光ガイド層１０５を１０００Å積層する。
【００２５】
アンドープＧａＮ光ガイド層１０５を積層した後、ｎ型ＳｉＣ（０００１）基板１０１の温度を６８０℃まで下げ、トリメチルガリウム、トリメチルインジウム、アンモニアのガス供給ラインのバルブ５０２、５０４、５０５を開け、トリメチルガリウム２．７ｓｃｃｍ、トリメチルインジウム２７ｓｃｃｍ、アンモニア１０ｌ／ｍｉｎを流し、アンドープＧａ0.9Ｉｎ0.1Ｎ活性層１０６を１００Å積層する。
【００２６】
アンドープＧａ0.9Ｉｎ0.1Ｎ活性層１０６を１００Å積層した後、トリメチルインジウムのガス供給ラインのバルブ５０４を閉じ、ｎ型ＳｉＣ（０００１）基板１０１の温度を１０３０℃まで上げ、トリメチルガリウム、アンモニアのガス供給ラインのバルブ５０２、５０５を開け、トリメチルガリウム２．７ｓｃｃｍ、アンモニア２．５ｌ／ｍｉｎを流し、アンドープＧａＮ光ガイド層１０７を１０００Å積層する。
【００２７】
アンドープＧａＮ光ガイド層１０７を１０００Å積層した後、トリメチルガリウム、トリメチルアルミニウム、アンモニア、シクロペンタジエニルマグネシウムのガス供給ラインのバルブ５０２、５０３、５０５、５０６を開け、トリメチルガリウム２．７ｓｃｃｍ、トリメチルアルミニウム８．７ｓｃｃｍ、アンモニア２．５ｌ／ｍｉｎ、シクロペンタジエニルマグネシウム５．０ｓｃｃｍを流し、ｐ型Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎクラッド層１０８を１．０μｍ積層する。
【００２８】
ｐ型Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎクラッド層１０８を積層した後、トリメチルアルミニウムのガス供給ラインのバルブ５０３を閉じ、トリメチルガリウム、シクロペンタジエニルマグネシウムのガス供給ラインのバルブ５０２、５０６を開け、トリメチルガリウム２．７ｓｃｃｍ、アンモニア２．５ｌ／ｍｉｎ、シクロペンタジエニルマグネシウム５．０ｓｃｃｍを流し、ｐ型ＧａＮコンタクト層１０９を１０００Å積層する。
【００２９】
その後、水素のガス供給ラインのバルブのみを開け、圧力７０Ｔｏｒｒの水素雰囲気中でＳｉＣ（０００１）基板１０１の温度を７００℃に設定し、１時間アニールを行い、ｐ型のドーパントであるマグネシウムを活性化する。アニール終了後、ＳｉＣ（０００１）基板１０１の温度を室温まで戻し、レーザ構造が積層されたＳｉＣ（０００１）基板１０１を有機金属気相エピタキシャル成長装置の外へ取り出す。
【００３０】
次にｐ型ＧａＮコンタクト層が積層された基板１０１に幅１０μｍの領域を残して厚さ１０００ÅのＳｉＯ2絶縁層１１０を、ｐ型ＧａＮコンタクト層１０９の上に積層する方法を、図７を用いて説明する。
【００３１】
ｎ型ＳｉＣ（０００１）基板１０１をＣＶＤ装置内に投入し、層厚１０００ÅのＳｉＯ2１１０をＣＶＤ法によりｐ型ＧａＮコンタクト層１０９上全面にわたって積層する。ＣＶＤ装置としては、光ＣＶＤ装置を用いてもよく、またプラズマＣＶＤ装置を用いてもよい。
【００３２】
次にＳｉＯ2１１０を全面に積層されたｎ型ＳｉＣ（０００１）基板１０１に対してＳｉＯ2１１０上全面にレジスト７０１を塗布する。
【００３３】
レジスト７０１を塗布されたｎ型ＳｉＣ（０００１）基板１０１に対して幅１０μｍのすきまが開いているマスク７０２をかぶせ、光を照射してマスク７０２に覆われていない部分のレジストを化学変化させて取り除く。その後、マスクを取り外しＨＦ：ＮＨ4Ｆ＝１：１０の水溶液を用い、レジストが取り除かれた部分のＳｉＯ２１１０を取り除く。その後アセトンおよびＯ2プラズマによりレジスト７０１を取り除く。このようにしてｐ型ＧａＮコンタクト層１０９上に幅１０μｍの領域を残して厚さ１０００ÅのＳｉＯ2１１０が積層される。
【００３４】
最後にレーザ構造が積層されたＳｉＣ基板１０１に対して、基板１０１裏面にチタン１１１、金１１２を、ｐ型ＧａＮコンタクト層１０９の表面に厚さ１０００Åのニッケル１１３及び金１１４を蒸着させ、基板１０１をキャビティ長１ｍｍにへき開してレーザを完成させる。
【００３５】
本発明の、上記レーザの特性を以下に述べる。
まず光学的特性について述べる。レーザの発振波長は４００ｎｍである。端面の反射率はフロント、リアとも２２％である。またレーザの内部損失は１５ｃｍ-1、共振器における損失は２０ｃｍ-1である。
【００３６】
次に電気的特性について述べる。ｐ型及びｎ型Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎクラッド層１０４、１０８のキャリア密度は１×１０18／ｃｍ3である。移動度はｐ型及びｎ型Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎクラッド層１０４、１０８それぞれ１０ｃｍ2／Ｖ・ｓ、２５０ｃｍ2／Ｖ・ｓであり、十分抵抗率の小さいｐ型及びｎ型クラッド層１０４、１０８が製造されている。また、ｐ型ＧａＮコンタクト層１０９とニッケル１１３の間でのオーム性接触が実現し、さらに裏面のｎ型ＳｉＣ基板１０１とチタン１１１との間にもオーム性接触が実現している。レーザの電流−電圧−光出力特性は図１２の太線のようになり、細線に示す従来のものより特性が良い。しきい値電流は９５ｍＡと、従来のレーザ構造よりも小さくなっている。これはＳｉＣ基板側をＳｉＣ層１０２で電流狭窄をおこなったためである。
【００３７】
なお、ＳｉＣ層１０２の代わりにＺｎＯ層を用い、分子線エピタキシャル成長法によってＧａＮ系レーザ構造を作製しても同様な効果が得られる。さらに図１１に示すようにＺｎＯ層はＧａＮ系に格子整合するのでＳｉＣ層１０２を使うよりも欠陥密度が減少し、ＧａＮ系レーザ内部損失が１０ｃｍ-1とＳｉＣ層１０２の場合に比べて小さくなり、しきい値電流が８５ｍＡとＳｉＣ層１０２の場合に比べてさらに小さくなる。さらにＺｎＯ層に対しては王水を用いたウェットエッチングが容易にできるので、エッチングによるダメージがＳｉＣ層１０２の場合に比べてさらに小さくなる。
【００３８】
なお、ＳｉＣ基板１０１の代わりに他の導電性基板、例えばＳｉ基板またはＧａＡｓ基板を用いても同様な効果が得られる。また、ＳｉＯ２絶縁層１１０の代わりに他の酸化物、例えばＡｌ2Ｏ3、ＺｎＯまたはＭｇＡｌ2Ｏ4を用いても同様な効果が得られる。
【００３９】
（参考の形態１）
参考の形態１を、図２、図５、図８を用いて説明する。まず最初にスパッタ装置内において層厚１μｍのＺｎＯ層８０１をｎ型ＳｉＣ（０００１）基板２０１に積層し、その後スパッタ装置より取り出した基板２０１のＺｎＯ層８０１の上に幅１０μｍの領域にレジスト８０２を塗布し、レジストでおおわれていないＺｎＯ層８０１をＨＣｌ：ＨＮＯ3＝３：１の水溶液によって取り除き、その後レジストを除去する。その後５００ｅＶに加速された水素イオンを基板２０１に打ち込み、領域２０２を作製する。
【００４０】
そしてＨＣｌ：ＨＮＯ3＝３：１の水溶液によってＺｎＯ層８０１を取り除く。ＺｎＯ層をマスクに用いるのは、ＺｎＯがＳｉＣ（０００１）基板２０１に格子定数が近く、良質で、かつイオン打ち込みに耐えるような厚いマスクが得られるからである。
【００４１】
次に基板２０１を炭素製の基板ホルダ５０１上に置き、有機金属気相エピタキシャル成長装置の成長室５０９内に投入する。ｎ型ＳｉＣ（０００１）基板２０１に対して有機溶媒による洗浄及び前処理を行う。
【００４２】
次にダブルヘテロ構造２０３〜２０９およびＳｉＯ2層２１０、電極２１１〜２１４を作製する。ダブルヘテロ構造２０３〜２０９を作製する方法は、実施の形態１に同じである。
【００４３】
本発明の、上記レーザの特性を以下に述べる。
まず光学的特性について述べる。レーザの発振波長は４００ｎｍである。端面の反射率はフロント、リアとも２２％である。またレーザの内部損失は１５ｃｍ-1、共振器における損失は２０ｃｍ-1である。
【００４４】
次に電気的特性について述べる。ｐ型及びｎ型Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎクラッド層２０４、２０８のキャリア密度は１×１０18／ｃｍ3である。移動度はｐ型及びｎ型Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎクラッド層２０４、２０８それぞれ１０ｃｍ2／Ｖ・ｓ、２５０ｃｍ2／Ｖ・ｓであり、十分抵抗率の小さいｐ型及びｎ型クラッド層２０４、２０８が製造されている。
【００４５】
また、ｐ型ＧａＮコンタクト層２０９とニッケル２１３の間でのオーム性接触が実現し、さらに裏面のｎ型ＳｉＣ基板２０１とチタン２１１との間にもオーム性接触が実現している。レーザの電流−電圧−光出力特性は図１３の太線のようになり、細線に示す従来のものより特性が良い。しきい値電流は９５ｍＡと、従来のレーザ構造よりも小さくなっている。これはＳｉＣ基板２０１の、幅１０μｍの電流を注入する以外の部分２０２が水素イオン打ち込みによって高抵抗化され、電流狭窄が実現しているためである。
【００４６】
なお、ＳｉＣ基板２０１の代わりに他の導電性基板、例えばＳｉ基板またはＧａＡｓ基板を用いても同様な効果が得られる。また、ＳｉＯ2絶縁層２１０の代わりに他の酸化物、例えばＡｌ2Ｏ3、ＺｎＯまたはＭｇＡｌ2Ｏ4を用いても同様な効果が得られる。
【００４７】
（参考の形態２）
参考の形態２を、図３、図５を用いて説明する。まず最初にｎ型ＳｉＣ（０００１）基板３０１に対して、有機溶媒による洗浄及び前処理を施し、基板３０１を炭素製の基板ホルダ５０１上に置き、有機金属気相エピタキシャル成長装置の成長室５０９内に投入する。ｎ型ＳｉＣ（０００１）基板３０１に対して有機溶媒による洗浄及び前処理を行う。
【００４８】
次に成長室５０９内を圧力７０Ｔｏｒｒの水素で満たし、水素雰囲気中でｎ型ＳｉＣ（０００１）基板３０１を炭素製の基板ホルダ５０１ごとヒータ５０８で１０９０℃まで加熱し、表面に付着している吸着ガスや酸化物、水分子等を取り除く。その後ｎ型ＳｉＣ（０００１）基板３０１をの温度を１０００℃まで下げ、トリメチルアルミニウム、アンモニア、シクロペンタジエニルマグネシウムのガス供給ラインのバルブ５０３、５０５、５０６を開け、トリメチルアルミニウム５．５ｓｃｃｍ、アンモニア２．５ｌ／ｍｉｎ、シクロペンタジエニルマグネシウム１２．５ｓｃｃｍを流し、ｐ型ＡｌＮバッファ層３０２を３００Å積層する。その後基板３０１を室温まで冷却し、有機金属気相エピタキシャル成長装置の外に取り出す。
【００４９】
次にｐ型ＡｌＮバッファ層３０２を幅１０μｍにわたってドライエッチングする方法を、図９を用いて説明する。ｐ型ＡｌＮバッファ層３０２が積層されたｎ型ＳｉＣ（０００１）基板３０１に対して、スパッタにより幅１０μｍのストライプ状にＺｎＯ層９０１を積層し、今度はドライエッチング装置内にてＺｎＯ層９０１が積層されていない部分のｐ型ＡｌＮをＨＣｌガスを用いてエッチングを施して取り除く。その後基板３０１をドライエッチング装置の外に取り出し、ＺｎＯ層９０１をＨＣｌ：ＨＮＯ3＝３：１の水溶液によって取り除く。幅１０μｍのストライプ状にＺｎＯを積層する方法は、実施の形態１と同様な方法である。
【００５０】
ＺｎＯ層９０１が取り除かれた基板３０１に対して再び有機溶媒による洗浄及び前処理を施し、今度は基板３０１を炭素製の基板ホルダ５０１上に置き、有機金属気相エピタキシャル成長装置の成長室５０９内に投入する。ｎ型ＳｉＣ（０００１）基板３０１に対して有機溶媒による洗浄及び前処理を行う。
【００５１】
次にダブルヘテロ構造３０３〜３０９およびＳｉＯ2層３１０、電極３１１〜３１４を作製する。ダブルヘテロ構造３０３〜３０９を作製する方法は、実施の形態１に同じである。
【００５２】
本発明の、上記レーザの特性を以下に述べる。
まず光学的特性について述べる。レーザの発振波長は４００ｎｍである。端面の反射率はフロント、リアとも２２％である。またレーザの内部損失は１５ｃｍ-1、共振器における損失は２０ｃｍ-1である。
【００５３】
次に電気的特性について述べる。ｐ型及びｎ型Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎクラッド層３０４、３０８のキャリア密度は１×１０18／ｃｍ3である。移動度はｐ型及びｎ型Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎクラッド層３０４、３０８それぞれ１０ｃｍ2／Ｖ・ｓ、２５０ｃｍ2／Ｖ・ｓであり、十分抵抗率の小さいｐ型及びｎ型クラッド層３０４、３０８が製造されている。
【００５４】
また、ｐ型ＧａＮコンタクト層３０９とニッケル３１３の間でのオーム性接触が実現し、さらに裏面のｎ型ＳｉＣ基板３０１とチタン３１１との間にもオーム性接触が実現している。レーザの電流−電圧−光出力特性は図１４の太線のようになり、細線に示す従来のものより特性が良い。しきい値電流は９５ｍＡと、従来のレーザ構造よりも小さくなっている。これはｎ型ＳｉＣ基板側をｐ型ＡｌＮで電流狭窄をおこなったためである。
【００５５】
なお、ＳｉＣ基板３０１の代わりに他の導電性基板、例えばＳｉ基板またはＧａＡｓ基板を用いても同様な効果が得られる。また、ＳｉＯ2絶縁層３１０の代わりに他の酸化物、例えばＡｌ2Ｏ3、ＺｎＯまたはＭｇＡｌ2Ｏ4を用いても同様な効果が得られる。
【００５６】
（参考の形態３）
参考の形態３を、図４、図５、図１０を用いて説明する。まず最初にｎ型ＳｉＣ（０００１）基板４０１に対して、有機溶媒による洗浄及び前処理を施し、基板４０１を炭素製の基板ホルダ５０１上に置き、有機金属気相エピタキシャル成長装置の成長室５０９内に投入する。ｎ型ＳｉＣ（０００１）基板４０１に対して有機溶媒による洗浄及び前処理を行う。
【００５７】
次に成長室５０９内を圧力７０Ｔｏｒｒの水素で満たし、水素雰囲気中でｎ型ＳｉＣ（０００１）基板４０１を炭素製の基板ホルダ５０１ごとヒータ５０８で１０９０℃まで加熱し、表面に付着している吸着ガスや酸化物、水分子等を取り除く。その後ｎ型ＳｉＣ（０００１）基板４０１の温度を１０００℃まで下げ、トリメチルアルミニウム、アンモニア、シランのガス供給ラインのバルブ５０３、５０５、５０７を開け、トリメチルアルミニウム５．５ｓｃｃｍ、アンモニア２．５ｌ／ｍｉｎ、シラン１２．５ｓｃｃｍを流し、ｎ型ＡｌＮバッファ層４０２を３００Å積層する。その後基板４０１を室温まで冷却し、有機金属気相エピタキシャル成長装置の外に取り出す。
【００５８】
次にダブルヘテロ構造４０３〜４０８を作製する。ダブルヘテロ構造４０３〜４０８を作製する方法は、実施の形態１に同じである。
【００５９】
ダブルヘテロ構造４０３〜４０８が積層されたｎ型ＳｉＣ（０００１）基板４０１に対して、スパッタにより幅１０μｍのストライプ状の部分にＺｎＯからなるマスクを積層し、今度はドライエッチング装置内にてＺｎＯが積層されていない部分のダブルヘテロ構造４０３〜４０８を、ＨＣｌガスを用いてｎ型ＧａＮ層の途中、残し厚み１．０μｍになるまでエッチングを施して取り除く。その後基板４０１をドライエッチング装置の外に取り出し、ＺｎＯマスクをＨＣｌ：ＨＮＯ3＝３：１の水溶液によって取り除く。ＺｎＯマスクを用いてドライエッチングを行う方法は、参考の形態２に同じである。
【００６０】
次に埋め込み再成長に関する手順を、図１０を用いて説明する。ＺｎＯマスクが取り除かれた基板４０１に対して再び有機溶媒による洗浄及び前処理を施し、今度は基板４０１を炭素製の基板ホルダ５０１上に置き、有機金属気相エピタキシャル成長装置の成長室５０９内に投入する。
【００６１】
その後基板温度を１０３０℃に設定し、トリメチルガリウム、トリメチルアルミニウム、アンモニア、シクロペンタジエニルマグネシウムのガス供給ラインのバルブ５０２、５０３、５０５、５０６を開け、トリメチルガリウム３．７ｓｃｃｍ、トリメチルアルミニウム８．７ｓｃｃｍ、アンモニア２．５ｌ／ｍｉｎ、シクロペンタジエニルマグネシウム５．０ｓｃｃｍを流し、層厚０．６μｍのｐ型Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ｎ４０９を、ダブルヘテロ構造４０３〜４０８の、活性層４０５の途中あたりまで積層する。
【００６２】
その後、シクロペンタジエニルマグネシウムのガス供給ラインのバルブ５０６を閉じ、トリメチルガリウム、トリメチルアルミニウム、アンモニア、シランのガス供給ラインのバルブ５０２、５０３、５０５、５０７を開け、トリメチルガリウム３．７ｓｃｃｍ、トリメチルアルミニウム８．７ｓｃｃｍ、アンモニア２．５ｌ／ｍｉｎ、シラン１２．５ｓｃｃｍを流し、層厚１．１μｍのｎ型Ａｌ0.3Ｇａ07Ｎ４１０を積層する。
【００６３】
その後、水素のガス供給ラインのバルブのみを開け、圧力７０Ｔｏｒｒの水素雰囲気中でＳｉＣ（０００１）基板４０１の温度を７００℃に設定し、１時間アニールを行い、ｐ型のドーパントであるマグネシウムを活性化する。アニール終了後、ＳｉＣ（０００１）基板４０１の温度を室温まで戻し、レーザ構造が積層されたＳｉＣ（０００１）基板４０１を有機金属気相エピタキシャル成長装置の外へ取り出す。
【００６４】
次にレーザ構造が積層された基板４０１に、実施の形態１と同様に幅５μｍの領域を残して厚さ１０００ÅのＳｉＯ2絶縁層４１１を積層する。
【００６５】
最後にレーザ構造が積層されたＳｉＣ基板４０１に対して、基板４０１裏面にチタン４１２および金４１３、ｐ型ＧａＮコンタクト層４０８の表面に厚さ１０００Åのニッケル４１４及び金４１５を蒸着させ、基板４０１をキャビティ長１ｍｍにへき開してレーザを完成させる。
【００６６】
本発明の、上記レーザの特性を以下に述べる。
まず光学的特性について述べる。レーザの発振波長は４００ｎｍである。端面の反射率はフロント、リアとも２２％である。またレーザの内部損失は２０ｃｍ-1、共振器における損失は２０ｃｍ-1である。
【００６７】
次に電気的特性について述べる。ｐ型及びｎ型Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎクラッド層４０３、４０７のキャリア密度は１×１０18／ｃｍ3である。移動度はｐ型及びｎ型Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎクラッド層４０３、４０７それぞれ１０ｃｍ2／Ｖ・ｓ、２５０ｃｍ2／Ｖ・ｓであり、十分抵抗率の小さいｐ型及びｎ型クラッド層４０３、４０７が製造されている。
【００６８】
また、ｐ型ＧａＮコンタクト層４０８とニッケル４１４の間でのオーム性接触が実現し、さらに裏面のｎ型ＳｉＣ基板４０１とチタン４１２との間にもオーム性接触が実現している。レーザの電流−電圧−光出力特性は図１５の太線のようになり、細線に示す従来のものより特性が良い。しきい値電流は１０５ｍＡと、従来のレーザ構造よりも小さくなっている。これはｎ型ＳｉＣ基板側をｐ型ＡｌＮで電流狭窄をおこなったためである。また、レーザ発振の、水平横モードのファーフィールドパターンは図１６のようになり、単一横モード閉じ込めレーザが実現していることがわかるが、これはｐ型およびｎ型Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ｎ層４０９、４１０による埋め込みの効果である。
【００６９】
なお、ＳｉＣ基板４０１の代わりに他の導電性基板、例えばＳｉ基板またはＧａＡｓ基板を用いても同様な効果が得られる。また、ＳｉＯ2絶縁層４１１の代わりに他の酸化物、例えばＡｌ2Ｏ3、ＺｎＯまたはＭｇＡｌ2Ｏ4を用いても同様な効果が得られる。また、ｎ型Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ｎ層４１０の代わりにアンドープＡｌ0.3Ｇａ0.7Ｎ層を用いた場合、アンドープＡｌ0.3Ｇａ0.7Ｎが高抵抗またはｎ型の導電性を示すので、上記と同様な効果が得られる。
【００７０】
また、上記ＺｎＯが積層されていない部分のダブルヘテロ構造４０３〜４０８を残し厚み１．０μｍになるまでエッチングを施して取り除く代わりに、ＺｎＯが積層されていない部分のダブルヘテロ構造４０３〜４０８をすべて取り除き、その取り除いた部分にアンドープＡｌ0.3Ｇａ0.7Ｎ層を積層しても同様な効果が得られる。
【００７１】
以上説明した実施形態１の発光素子は、紫〜青色の発光を示すことから、ディスプレイ等の表示装置や、短波長の光源が必要とされる光ディスク装置の光源に用いることができるものである。
【００７２】
【発明の効果】
本発明の、レーザ構造及びその製造方法により、従来のレーザ構造よりもしきい値電流が低下し、単一横モード閉じ込めが実現し、素子としての信頼性の高い、歩留まり率の良いものが得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の、第１の実施の形態の発光素子に関する構造断面図
【図２】 本発明の、第１の参考の形態の発光素子に関する構造断面図
【図３】 本発明の、第２の参考の形態の発光素子に関する構造断面図
【図４】 本発明の、第３の参考の形態の発光素子に関する構造断面図
【図５】 本発明の半導体発光素子を作製する、有機金属気相エピタキシャル装置の構造断面図
【図６】 本発明の、第１の実施の形態における発光素子のプロセスに関する図
【図７】 本発明の、第１の実施の形態における発光素子に関する、ＳｉＯ2絶縁層形成の手順に関する図
【図８】 本発明の、第１の参考の形態における発光素子のプロセスに関する図
【図９】 本発明の、第２の参考の形態における発光素子に関する、ドライエッチングに関する図
【図１０】 本発明の、第３の参考の形態における発光素子の埋め込み再成長に関する図
【図１１】 ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体のバンドギャップと格子定数との関係、およびよく用いられる基板の格子定数を表す図
【図１２】 本発明の、第１の実施の形態の発光素子に関する電流−電圧−光出力特性を表す図
【図１３】 本発明の、第１の参考の形態の発光素子に関する電流−電圧−光出力特性を表す図
【図１４】 本発明の、第２の参考の形態の発光素子に関する電流−電圧−光出力特性を表す図
【図１５】 本発明の、第３の参考の形態の発光素子に関する電流−電圧−光出力特性を表す図
【図１６】 本発明の、第３の参考の形態の発光素子に関する、レーザ発振時のファーフィールドパターンを表す図
【図１７】 従来の半導体発光素子に関する構造断面図
【符号の説明】
１０１ ｎ型ＳｉＣ基板
１０２ アンドープＳｉＣ電流狭窄層
２０１ ｎ型ＳｉＣ基板
２０２ ｎ型ＳｉＣ基板の水素打ち込み領域
３０１ ｎ型ＳｉＣ基板
３０２ ｐ型ＡｌＮバッファ層
４０１ ｎ型ＳｉＣ基板
４０９ ｐ型Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ｎ層
４１０ ｎ型Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ｎ層
【発明の属する技術分野】
本発明は、表示素子やフルカラーディスプレイ、そして光ディスクの光源に用いる窒化物を用いた発光素子に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
次世代高密度情報処理技術のキーデバイスとして、レーザの短波長化が可能な、Ｎを含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体は注目を浴びている。
【０００３】
従来よりＮを含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体より構成されるレーザ構造として、図１７に示されている構造が知られている。この構造のキャビティ長は１ｍｍ、ストライプ幅２０μｍで、活性層がＭＱＷ構造であるダブルヘテロ構造を有することを特徴としている。この構造により発振波長４１０ｎｍ、しきい値電圧１７〜４０Ｖ、しきい値電流０．２〜２Ａ、しきい値電流密度４〜１０ｋＡ／ｃｍ2、デューティ０．１％の室温パルス発振が実現している(Shuji Nakamura et al.;Japanese Journal of Applied Physics Vol.35(1996)pp.L74ーL76.、ibid.;Japanese Journal of Applied Physics Vol.35(1996)pp.L217ーL220.、ibid.;Applied Physics Letters Vol.68(1996)pp.2105ー2107.、特開平７−１６２０３８号公報)。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
従来のＮを含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体より構成されるレーザ構造に関する技術には、次にあげる２つの問題があった。
【０００５】
１つ目は、上記図１７に示すようなレーザ構造は、ストライプ幅が２０μｍと広く、電流狭窄が困難であり、そのためにしきい値電流が０．２〜２Ａと非常に大きくなり、レーザの室温連続発振は困難であった。
【０００６】
２つ目は、上記図１７に示すようなレーザ構造は、ストライプ幅が２０μｍと広く、横方向の屈折率差がつかず、横モード制御ができない。そのため、光情報記録・再生用のレーザとしての単一横モード発振を実現することはできなかった。
【０００７】
そこで本発明では、電流狭窄を施してしきい値電流が従来より低い、Ｎを含有するＩＩＩ−Ｖ族化合物より構成される半導体発光素子を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
発明者らは、上記問題点を解決する、Ｎを含むＩＩＩ−Ｖ族化合物からなるレーザ構造及びそれを製造する技術として、以下（１）〜（３）に示す技術を考案した。
【０００９】
（１）ＳｉＣ基板のような、導電性の基板に対してあらかじめＺｎＯ等の、基板に対して格子定数が近い絶縁物結晶を、幅５〜１０μｍ程度の電流注入領域以外の部分に積層し、その上にＮを含むＩＩＩ−Ｖ族化合物からなるダブルヘテロ構造を製造する。そうすれば、幅５〜１０μｍ程度の電流注入領域以外の部分には電流が流れず、電流狭窄が実現し、レーザのしきい値電流が低下する。
【００１１】
（２）ＳｉＣ基板のような、導電性の基板に対してあらかじめ逆の導電性を持った、Ｎを含むＩＩＩ−Ｖ族化合物を幅５〜１０μｍ程度の電流注入領域以外の部分に積層し、その上にＮを含むＩＩＩ−Ｖ族化合物からなるダブルヘテロ構造を製造する。そうすれば、幅５〜１０μｍ程度の電流注入領域以外の部分には電流が流れず、電流狭窄が実現し、レーザのしきい値電流が低下する。
【００１２】
（３）ＳｉＣ基板のような、導電性の基板に対してあらかじめＺｎＯ等の、Ｎを含むＩＩＩ−Ｖ族化合物または基板に対して格子定数が近い絶縁物結晶を、幅５〜１０μｍ程度の電流注入領域以外の部分に積層し、その上にＮを含むＩＩＩ−Ｖ族化合物からなるダブルヘテロ構造を製造する。さらにドライエッチングにより幅５〜１０μｍ程度の電流注入領域以外の部分を絶縁物結晶まで取り除き、その上に前記ダブルヘテロ構造とは逆の導電性プロファイルを持ち、かつダブルヘテロ構造の実効屈折率よりも小さい屈折率を持ったＮを含むＩＩＩ−Ｖ族化合物を積層する。そうすれば、幅５〜１０μｍ程度の電流注入領域以外の部分には電流が流れず、電流狭窄が実現し、レーザのしきい値電流が低下する。また、屈折率導波型レーザなので安定な単一横モード発振レーザが実現する。
【００１３】
本発明のレーザ構造の作製は、図５に示されている有機金属気相エピタキシャル装置を用い、有機金属気相エピタキシャル成長法により行われるものである。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本発明の、半導体発光素子、その製造方法及び素子の特性について、図面を参照しながら説明する。
【００１５】
（実施の形態１）
実施の形態１を、図１、図５、図６を用いて説明する。まず最初にアンドープＳｉＣ電流狭窄層１０２をｎ型ＳｉＣ（０００１）基板１０１上に積層する方法を説明する。
【００１６】
ｎ型ＳｉＣ（０００１）基板１０１をＣＶＤ装置内に投入し、層厚１０００ÅのＳｉＯ2６０１をＣＶＤ法によりｎ型ＳｉＣ（０００１）基板１０１上全面にわたって積層する。ＣＶＤ装置としては、光ＣＶＤ装置を用いてもよく、またプラズマＣＶＤ装置を用いてもよい。
【００１７】
次にＳｉＯ2６０１を全面に積層されたｎ型ＳｉＣ（０００１）基板１０１に対してＳｉＯ2６０１上全面にレジスト６０２を塗布する。
【００１８】
レジスト６０２を塗布されたｎ型ＳｉＣ（０００１）基板１０１に対して幅１０μｍのマスク６０３をかぶせ、光を照射してマスク６０３に覆われていない部分のレジストを化学変化させて取り除く。その後、マスクを取り外しＨＦ：ＮＨ4Ｆ＝１：１０の水溶液を用い、レジストが取り除かれた部分のＳｉＯ２６０１を取り除く。その後アセトンおよびＯ2プラズマによりレジスト６０２を取り除く。このようにして幅１０μｍのストライプ状のＳｉＯ2６０１がｎ型ＳｉＣ（０００１）基板１０１上に積層される。
【００１９】
次に有機溶媒による洗浄及び前処理を施され、幅１０μｍのストライプ状のＳｉＯ2６０１が積層されたｎ型ＳｉＣ（０００１）基板１０１をスパッタ装置内に投入し、基板温度を３００℃とし、ＳｉＣに電子線を照射してＳｉＣの分子線強度が１０-7Ｔｏｒｒになるようする。その後、ＳｉＣのビームを基板に照射し、アンドープＳｉＣ電流狭窄層１０２を１０００Å積層する。その後、基板１０１を室温に戻し、ＳｉＣ層１０２が積層された基板１０１をスパッタ装置の外へ取り出す。ＳｉＯ2とＳｉＣは格子定数の違いが大きいのでＳｉＯ2の上にＳｉＣはほとんど積層されない。このＳｉＣ層を積層する方法は、従来より知られた方法である。
【００２０】
ＳｉＣ層１０２が積層された基板１０１に対して、フッ酸によってＳｉＯ2層６０１を取り除く。
【００２１】
ＳｉＣ層１０２が積層された基板１０１を有機溶媒による洗浄及び前処理を施し、今度は基板１０１を炭素製の基板ホルダ５０１上に置き、有機金属気相エピタキシャル成長装置の成長室５０９内に投入する。ｎ型ＳｉＣ（０００１）基板１０１に対して有機溶媒による洗浄及び前処理を行う。
【００２２】
次に成長室５０９内を圧力７０Ｔｏｒｒの水素で満たし、水素雰囲気中でｎ型ＳｉＣ（０００１）基板１０１を炭素製の基板ホルダ５０１ごとヒータ５０８で１０９０℃まで加熱し、表面に付着している吸着ガスや酸化物、水分子等を取り除く。その後ｎ型ＳｉＣ（０００１）基板１０１の温度を１０００℃まで下げ、トリメチルアルミニウム、アンモニア、シランのガス供給ラインのバルブ５０３、５０５、５０７を開け、トリメチルアルミニウム５．５ｓｃｃｍ、アンモニア２．５ｌ／ｍｉｎ、シラン１２．５ｓｃｃｍを流し、ｎ型ＡｌＮバッファ層１０３を３００Å積層する。
【００２３】
ｎ型ＡｌＮバッファ層１０３を積層した後、ｎ型ＳｉＣ（０００１）基板１０１の温度を１０３０℃まで上げ、トリメチルガリウム、トリメチルアルミニウム、アンモニア、シランのガス供給ラインのバルブ５０２、５０３、５０５、５０７を開け、トリメチルガリウム２．７ｓｃｃｍ、トリメチルアルミニウム８．７ｓｃｃｍ、アンモニア２．５ｌ／ｍｉｎ、シラン１２．５ｓｃｃｍを流し、層厚１．５μｍのｎ型Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎ１０４を積層する。
【００２４】
ｎ型Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎ１０４を積層した後、トリメチルアルミニウム及びシランのガス供給ライン５０３、５０７を閉じ、トリメチルガリウム、アンモニアのガス供給ラインのバルブ５０２、５０５を開け、トリメチルガリウム２．７ｓｃｃｍ、アンモニア２．５ｌ／ｍｉｎを流し、アンドープＧａＮ光ガイド層１０５を１０００Å積層する。
【００２５】
アンドープＧａＮ光ガイド層１０５を積層した後、ｎ型ＳｉＣ（０００１）基板１０１の温度を６８０℃まで下げ、トリメチルガリウム、トリメチルインジウム、アンモニアのガス供給ラインのバルブ５０２、５０４、５０５を開け、トリメチルガリウム２．７ｓｃｃｍ、トリメチルインジウム２７ｓｃｃｍ、アンモニア１０ｌ／ｍｉｎを流し、アンドープＧａ0.9Ｉｎ0.1Ｎ活性層１０６を１００Å積層する。
【００２６】
アンドープＧａ0.9Ｉｎ0.1Ｎ活性層１０６を１００Å積層した後、トリメチルインジウムのガス供給ラインのバルブ５０４を閉じ、ｎ型ＳｉＣ（０００１）基板１０１の温度を１０３０℃まで上げ、トリメチルガリウム、アンモニアのガス供給ラインのバルブ５０２、５０５を開け、トリメチルガリウム２．７ｓｃｃｍ、アンモニア２．５ｌ／ｍｉｎを流し、アンドープＧａＮ光ガイド層１０７を１０００Å積層する。
【００２７】
アンドープＧａＮ光ガイド層１０７を１０００Å積層した後、トリメチルガリウム、トリメチルアルミニウム、アンモニア、シクロペンタジエニルマグネシウムのガス供給ラインのバルブ５０２、５０３、５０５、５０６を開け、トリメチルガリウム２．７ｓｃｃｍ、トリメチルアルミニウム８．７ｓｃｃｍ、アンモニア２．５ｌ／ｍｉｎ、シクロペンタジエニルマグネシウム５．０ｓｃｃｍを流し、ｐ型Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎクラッド層１０８を１．０μｍ積層する。
【００２８】
ｐ型Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎクラッド層１０８を積層した後、トリメチルアルミニウムのガス供給ラインのバルブ５０３を閉じ、トリメチルガリウム、シクロペンタジエニルマグネシウムのガス供給ラインのバルブ５０２、５０６を開け、トリメチルガリウム２．７ｓｃｃｍ、アンモニア２．５ｌ／ｍｉｎ、シクロペンタジエニルマグネシウム５．０ｓｃｃｍを流し、ｐ型ＧａＮコンタクト層１０９を１０００Å積層する。
【００２９】
その後、水素のガス供給ラインのバルブのみを開け、圧力７０Ｔｏｒｒの水素雰囲気中でＳｉＣ（０００１）基板１０１の温度を７００℃に設定し、１時間アニールを行い、ｐ型のドーパントであるマグネシウムを活性化する。アニール終了後、ＳｉＣ（０００１）基板１０１の温度を室温まで戻し、レーザ構造が積層されたＳｉＣ（０００１）基板１０１を有機金属気相エピタキシャル成長装置の外へ取り出す。
【００３０】
次にｐ型ＧａＮコンタクト層が積層された基板１０１に幅１０μｍの領域を残して厚さ１０００ÅのＳｉＯ2絶縁層１１０を、ｐ型ＧａＮコンタクト層１０９の上に積層する方法を、図７を用いて説明する。
【００３１】
ｎ型ＳｉＣ（０００１）基板１０１をＣＶＤ装置内に投入し、層厚１０００ÅのＳｉＯ2１１０をＣＶＤ法によりｐ型ＧａＮコンタクト層１０９上全面にわたって積層する。ＣＶＤ装置としては、光ＣＶＤ装置を用いてもよく、またプラズマＣＶＤ装置を用いてもよい。
【００３２】
次にＳｉＯ2１１０を全面に積層されたｎ型ＳｉＣ（０００１）基板１０１に対してＳｉＯ2１１０上全面にレジスト７０１を塗布する。
【００３３】
レジスト７０１を塗布されたｎ型ＳｉＣ（０００１）基板１０１に対して幅１０μｍのすきまが開いているマスク７０２をかぶせ、光を照射してマスク７０２に覆われていない部分のレジストを化学変化させて取り除く。その後、マスクを取り外しＨＦ：ＮＨ4Ｆ＝１：１０の水溶液を用い、レジストが取り除かれた部分のＳｉＯ２１１０を取り除く。その後アセトンおよびＯ2プラズマによりレジスト７０１を取り除く。このようにしてｐ型ＧａＮコンタクト層１０９上に幅１０μｍの領域を残して厚さ１０００ÅのＳｉＯ2１１０が積層される。
【００３４】
最後にレーザ構造が積層されたＳｉＣ基板１０１に対して、基板１０１裏面にチタン１１１、金１１２を、ｐ型ＧａＮコンタクト層１０９の表面に厚さ１０００Åのニッケル１１３及び金１１４を蒸着させ、基板１０１をキャビティ長１ｍｍにへき開してレーザを完成させる。
【００３５】
本発明の、上記レーザの特性を以下に述べる。
まず光学的特性について述べる。レーザの発振波長は４００ｎｍである。端面の反射率はフロント、リアとも２２％である。またレーザの内部損失は１５ｃｍ-1、共振器における損失は２０ｃｍ-1である。
【００３６】
次に電気的特性について述べる。ｐ型及びｎ型Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎクラッド層１０４、１０８のキャリア密度は１×１０18／ｃｍ3である。移動度はｐ型及びｎ型Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎクラッド層１０４、１０８それぞれ１０ｃｍ2／Ｖ・ｓ、２５０ｃｍ2／Ｖ・ｓであり、十分抵抗率の小さいｐ型及びｎ型クラッド層１０４、１０８が製造されている。また、ｐ型ＧａＮコンタクト層１０９とニッケル１１３の間でのオーム性接触が実現し、さらに裏面のｎ型ＳｉＣ基板１０１とチタン１１１との間にもオーム性接触が実現している。レーザの電流−電圧−光出力特性は図１２の太線のようになり、細線に示す従来のものより特性が良い。しきい値電流は９５ｍＡと、従来のレーザ構造よりも小さくなっている。これはＳｉＣ基板側をＳｉＣ層１０２で電流狭窄をおこなったためである。
【００３７】
なお、ＳｉＣ層１０２の代わりにＺｎＯ層を用い、分子線エピタキシャル成長法によってＧａＮ系レーザ構造を作製しても同様な効果が得られる。さらに図１１に示すようにＺｎＯ層はＧａＮ系に格子整合するのでＳｉＣ層１０２を使うよりも欠陥密度が減少し、ＧａＮ系レーザ内部損失が１０ｃｍ-1とＳｉＣ層１０２の場合に比べて小さくなり、しきい値電流が８５ｍＡとＳｉＣ層１０２の場合に比べてさらに小さくなる。さらにＺｎＯ層に対しては王水を用いたウェットエッチングが容易にできるので、エッチングによるダメージがＳｉＣ層１０２の場合に比べてさらに小さくなる。
【００３８】
なお、ＳｉＣ基板１０１の代わりに他の導電性基板、例えばＳｉ基板またはＧａＡｓ基板を用いても同様な効果が得られる。また、ＳｉＯ２絶縁層１１０の代わりに他の酸化物、例えばＡｌ2Ｏ3、ＺｎＯまたはＭｇＡｌ2Ｏ4を用いても同様な効果が得られる。
【００３９】
（参考の形態１）
参考の形態１を、図２、図５、図８を用いて説明する。まず最初にスパッタ装置内において層厚１μｍのＺｎＯ層８０１をｎ型ＳｉＣ（０００１）基板２０１に積層し、その後スパッタ装置より取り出した基板２０１のＺｎＯ層８０１の上に幅１０μｍの領域にレジスト８０２を塗布し、レジストでおおわれていないＺｎＯ層８０１をＨＣｌ：ＨＮＯ3＝３：１の水溶液によって取り除き、その後レジストを除去する。その後５００ｅＶに加速された水素イオンを基板２０１に打ち込み、領域２０２を作製する。
【００４０】
そしてＨＣｌ：ＨＮＯ3＝３：１の水溶液によってＺｎＯ層８０１を取り除く。ＺｎＯ層をマスクに用いるのは、ＺｎＯがＳｉＣ（０００１）基板２０１に格子定数が近く、良質で、かつイオン打ち込みに耐えるような厚いマスクが得られるからである。
【００４１】
次に基板２０１を炭素製の基板ホルダ５０１上に置き、有機金属気相エピタキシャル成長装置の成長室５０９内に投入する。ｎ型ＳｉＣ（０００１）基板２０１に対して有機溶媒による洗浄及び前処理を行う。
【００４２】
次にダブルヘテロ構造２０３〜２０９およびＳｉＯ2層２１０、電極２１１〜２１４を作製する。ダブルヘテロ構造２０３〜２０９を作製する方法は、実施の形態１に同じである。
【００４３】
本発明の、上記レーザの特性を以下に述べる。
まず光学的特性について述べる。レーザの発振波長は４００ｎｍである。端面の反射率はフロント、リアとも２２％である。またレーザの内部損失は１５ｃｍ-1、共振器における損失は２０ｃｍ-1である。
【００４４】
次に電気的特性について述べる。ｐ型及びｎ型Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎクラッド層２０４、２０８のキャリア密度は１×１０18／ｃｍ3である。移動度はｐ型及びｎ型Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎクラッド層２０４、２０８それぞれ１０ｃｍ2／Ｖ・ｓ、２５０ｃｍ2／Ｖ・ｓであり、十分抵抗率の小さいｐ型及びｎ型クラッド層２０４、２０８が製造されている。
【００４５】
また、ｐ型ＧａＮコンタクト層２０９とニッケル２１３の間でのオーム性接触が実現し、さらに裏面のｎ型ＳｉＣ基板２０１とチタン２１１との間にもオーム性接触が実現している。レーザの電流−電圧−光出力特性は図１３の太線のようになり、細線に示す従来のものより特性が良い。しきい値電流は９５ｍＡと、従来のレーザ構造よりも小さくなっている。これはＳｉＣ基板２０１の、幅１０μｍの電流を注入する以外の部分２０２が水素イオン打ち込みによって高抵抗化され、電流狭窄が実現しているためである。
【００４６】
なお、ＳｉＣ基板２０１の代わりに他の導電性基板、例えばＳｉ基板またはＧａＡｓ基板を用いても同様な効果が得られる。また、ＳｉＯ2絶縁層２１０の代わりに他の酸化物、例えばＡｌ2Ｏ3、ＺｎＯまたはＭｇＡｌ2Ｏ4を用いても同様な効果が得られる。
【００４７】
（参考の形態２）
参考の形態２を、図３、図５を用いて説明する。まず最初にｎ型ＳｉＣ（０００１）基板３０１に対して、有機溶媒による洗浄及び前処理を施し、基板３０１を炭素製の基板ホルダ５０１上に置き、有機金属気相エピタキシャル成長装置の成長室５０９内に投入する。ｎ型ＳｉＣ（０００１）基板３０１に対して有機溶媒による洗浄及び前処理を行う。
【００４８】
次に成長室５０９内を圧力７０Ｔｏｒｒの水素で満たし、水素雰囲気中でｎ型ＳｉＣ（０００１）基板３０１を炭素製の基板ホルダ５０１ごとヒータ５０８で１０９０℃まで加熱し、表面に付着している吸着ガスや酸化物、水分子等を取り除く。その後ｎ型ＳｉＣ（０００１）基板３０１をの温度を１０００℃まで下げ、トリメチルアルミニウム、アンモニア、シクロペンタジエニルマグネシウムのガス供給ラインのバルブ５０３、５０５、５０６を開け、トリメチルアルミニウム５．５ｓｃｃｍ、アンモニア２．５ｌ／ｍｉｎ、シクロペンタジエニルマグネシウム１２．５ｓｃｃｍを流し、ｐ型ＡｌＮバッファ層３０２を３００Å積層する。その後基板３０１を室温まで冷却し、有機金属気相エピタキシャル成長装置の外に取り出す。
【００４９】
次にｐ型ＡｌＮバッファ層３０２を幅１０μｍにわたってドライエッチングする方法を、図９を用いて説明する。ｐ型ＡｌＮバッファ層３０２が積層されたｎ型ＳｉＣ（０００１）基板３０１に対して、スパッタにより幅１０μｍのストライプ状にＺｎＯ層９０１を積層し、今度はドライエッチング装置内にてＺｎＯ層９０１が積層されていない部分のｐ型ＡｌＮをＨＣｌガスを用いてエッチングを施して取り除く。その後基板３０１をドライエッチング装置の外に取り出し、ＺｎＯ層９０１をＨＣｌ：ＨＮＯ3＝３：１の水溶液によって取り除く。幅１０μｍのストライプ状にＺｎＯを積層する方法は、実施の形態１と同様な方法である。
【００５０】
ＺｎＯ層９０１が取り除かれた基板３０１に対して再び有機溶媒による洗浄及び前処理を施し、今度は基板３０１を炭素製の基板ホルダ５０１上に置き、有機金属気相エピタキシャル成長装置の成長室５０９内に投入する。ｎ型ＳｉＣ（０００１）基板３０１に対して有機溶媒による洗浄及び前処理を行う。
【００５１】
次にダブルヘテロ構造３０３〜３０９およびＳｉＯ2層３１０、電極３１１〜３１４を作製する。ダブルヘテロ構造３０３〜３０９を作製する方法は、実施の形態１に同じである。
【００５２】
本発明の、上記レーザの特性を以下に述べる。
まず光学的特性について述べる。レーザの発振波長は４００ｎｍである。端面の反射率はフロント、リアとも２２％である。またレーザの内部損失は１５ｃｍ-1、共振器における損失は２０ｃｍ-1である。
【００５３】
次に電気的特性について述べる。ｐ型及びｎ型Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎクラッド層３０４、３０８のキャリア密度は１×１０18／ｃｍ3である。移動度はｐ型及びｎ型Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎクラッド層３０４、３０８それぞれ１０ｃｍ2／Ｖ・ｓ、２５０ｃｍ2／Ｖ・ｓであり、十分抵抗率の小さいｐ型及びｎ型クラッド層３０４、３０８が製造されている。
【００５４】
また、ｐ型ＧａＮコンタクト層３０９とニッケル３１３の間でのオーム性接触が実現し、さらに裏面のｎ型ＳｉＣ基板３０１とチタン３１１との間にもオーム性接触が実現している。レーザの電流−電圧−光出力特性は図１４の太線のようになり、細線に示す従来のものより特性が良い。しきい値電流は９５ｍＡと、従来のレーザ構造よりも小さくなっている。これはｎ型ＳｉＣ基板側をｐ型ＡｌＮで電流狭窄をおこなったためである。
【００５５】
なお、ＳｉＣ基板３０１の代わりに他の導電性基板、例えばＳｉ基板またはＧａＡｓ基板を用いても同様な効果が得られる。また、ＳｉＯ2絶縁層３１０の代わりに他の酸化物、例えばＡｌ2Ｏ3、ＺｎＯまたはＭｇＡｌ2Ｏ4を用いても同様な効果が得られる。
【００５６】
（参考の形態３）
参考の形態３を、図４、図５、図１０を用いて説明する。まず最初にｎ型ＳｉＣ（０００１）基板４０１に対して、有機溶媒による洗浄及び前処理を施し、基板４０１を炭素製の基板ホルダ５０１上に置き、有機金属気相エピタキシャル成長装置の成長室５０９内に投入する。ｎ型ＳｉＣ（０００１）基板４０１に対して有機溶媒による洗浄及び前処理を行う。
【００５７】
次に成長室５０９内を圧力７０Ｔｏｒｒの水素で満たし、水素雰囲気中でｎ型ＳｉＣ（０００１）基板４０１を炭素製の基板ホルダ５０１ごとヒータ５０８で１０９０℃まで加熱し、表面に付着している吸着ガスや酸化物、水分子等を取り除く。その後ｎ型ＳｉＣ（０００１）基板４０１の温度を１０００℃まで下げ、トリメチルアルミニウム、アンモニア、シランのガス供給ラインのバルブ５０３、５０５、５０７を開け、トリメチルアルミニウム５．５ｓｃｃｍ、アンモニア２．５ｌ／ｍｉｎ、シラン１２．５ｓｃｃｍを流し、ｎ型ＡｌＮバッファ層４０２を３００Å積層する。その後基板４０１を室温まで冷却し、有機金属気相エピタキシャル成長装置の外に取り出す。
【００５８】
次にダブルヘテロ構造４０３〜４０８を作製する。ダブルヘテロ構造４０３〜４０８を作製する方法は、実施の形態１に同じである。
【００５９】
ダブルヘテロ構造４０３〜４０８が積層されたｎ型ＳｉＣ（０００１）基板４０１に対して、スパッタにより幅１０μｍのストライプ状の部分にＺｎＯからなるマスクを積層し、今度はドライエッチング装置内にてＺｎＯが積層されていない部分のダブルヘテロ構造４０３〜４０８を、ＨＣｌガスを用いてｎ型ＧａＮ層の途中、残し厚み１．０μｍになるまでエッチングを施して取り除く。その後基板４０１をドライエッチング装置の外に取り出し、ＺｎＯマスクをＨＣｌ：ＨＮＯ3＝３：１の水溶液によって取り除く。ＺｎＯマスクを用いてドライエッチングを行う方法は、参考の形態２に同じである。
【００６０】
次に埋め込み再成長に関する手順を、図１０を用いて説明する。ＺｎＯマスクが取り除かれた基板４０１に対して再び有機溶媒による洗浄及び前処理を施し、今度は基板４０１を炭素製の基板ホルダ５０１上に置き、有機金属気相エピタキシャル成長装置の成長室５０９内に投入する。
【００６１】
その後基板温度を１０３０℃に設定し、トリメチルガリウム、トリメチルアルミニウム、アンモニア、シクロペンタジエニルマグネシウムのガス供給ラインのバルブ５０２、５０３、５０５、５０６を開け、トリメチルガリウム３．７ｓｃｃｍ、トリメチルアルミニウム８．７ｓｃｃｍ、アンモニア２．５ｌ／ｍｉｎ、シクロペンタジエニルマグネシウム５．０ｓｃｃｍを流し、層厚０．６μｍのｐ型Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ｎ４０９を、ダブルヘテロ構造４０３〜４０８の、活性層４０５の途中あたりまで積層する。
【００６２】
その後、シクロペンタジエニルマグネシウムのガス供給ラインのバルブ５０６を閉じ、トリメチルガリウム、トリメチルアルミニウム、アンモニア、シランのガス供給ラインのバルブ５０２、５０３、５０５、５０７を開け、トリメチルガリウム３．７ｓｃｃｍ、トリメチルアルミニウム８．７ｓｃｃｍ、アンモニア２．５ｌ／ｍｉｎ、シラン１２．５ｓｃｃｍを流し、層厚１．１μｍのｎ型Ａｌ0.3Ｇａ07Ｎ４１０を積層する。
【００６３】
その後、水素のガス供給ラインのバルブのみを開け、圧力７０Ｔｏｒｒの水素雰囲気中でＳｉＣ（０００１）基板４０１の温度を７００℃に設定し、１時間アニールを行い、ｐ型のドーパントであるマグネシウムを活性化する。アニール終了後、ＳｉＣ（０００１）基板４０１の温度を室温まで戻し、レーザ構造が積層されたＳｉＣ（０００１）基板４０１を有機金属気相エピタキシャル成長装置の外へ取り出す。
【００６４】
次にレーザ構造が積層された基板４０１に、実施の形態１と同様に幅５μｍの領域を残して厚さ１０００ÅのＳｉＯ2絶縁層４１１を積層する。
【００６５】
最後にレーザ構造が積層されたＳｉＣ基板４０１に対して、基板４０１裏面にチタン４１２および金４１３、ｐ型ＧａＮコンタクト層４０８の表面に厚さ１０００Åのニッケル４１４及び金４１５を蒸着させ、基板４０１をキャビティ長１ｍｍにへき開してレーザを完成させる。
【００６６】
本発明の、上記レーザの特性を以下に述べる。
まず光学的特性について述べる。レーザの発振波長は４００ｎｍである。端面の反射率はフロント、リアとも２２％である。またレーザの内部損失は２０ｃｍ-1、共振器における損失は２０ｃｍ-1である。
【００６７】
次に電気的特性について述べる。ｐ型及びｎ型Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎクラッド層４０３、４０７のキャリア密度は１×１０18／ｃｍ3である。移動度はｐ型及びｎ型Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎクラッド層４０３、４０７それぞれ１０ｃｍ2／Ｖ・ｓ、２５０ｃｍ2／Ｖ・ｓであり、十分抵抗率の小さいｐ型及びｎ型クラッド層４０３、４０７が製造されている。
【００６８】
また、ｐ型ＧａＮコンタクト層４０８とニッケル４１４の間でのオーム性接触が実現し、さらに裏面のｎ型ＳｉＣ基板４０１とチタン４１２との間にもオーム性接触が実現している。レーザの電流−電圧−光出力特性は図１５の太線のようになり、細線に示す従来のものより特性が良い。しきい値電流は１０５ｍＡと、従来のレーザ構造よりも小さくなっている。これはｎ型ＳｉＣ基板側をｐ型ＡｌＮで電流狭窄をおこなったためである。また、レーザ発振の、水平横モードのファーフィールドパターンは図１６のようになり、単一横モード閉じ込めレーザが実現していることがわかるが、これはｐ型およびｎ型Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ｎ層４０９、４１０による埋め込みの効果である。
【００６９】
なお、ＳｉＣ基板４０１の代わりに他の導電性基板、例えばＳｉ基板またはＧａＡｓ基板を用いても同様な効果が得られる。また、ＳｉＯ2絶縁層４１１の代わりに他の酸化物、例えばＡｌ2Ｏ3、ＺｎＯまたはＭｇＡｌ2Ｏ4を用いても同様な効果が得られる。また、ｎ型Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ｎ層４１０の代わりにアンドープＡｌ0.3Ｇａ0.7Ｎ層を用いた場合、アンドープＡｌ0.3Ｇａ0.7Ｎが高抵抗またはｎ型の導電性を示すので、上記と同様な効果が得られる。
【００７０】
また、上記ＺｎＯが積層されていない部分のダブルヘテロ構造４０３〜４０８を残し厚み１．０μｍになるまでエッチングを施して取り除く代わりに、ＺｎＯが積層されていない部分のダブルヘテロ構造４０３〜４０８をすべて取り除き、その取り除いた部分にアンドープＡｌ0.3Ｇａ0.7Ｎ層を積層しても同様な効果が得られる。
【００７１】
以上説明した実施形態１の発光素子は、紫〜青色の発光を示すことから、ディスプレイ等の表示装置や、短波長の光源が必要とされる光ディスク装置の光源に用いることができるものである。
【００７２】
【発明の効果】
本発明の、レーザ構造及びその製造方法により、従来のレーザ構造よりもしきい値電流が低下し、単一横モード閉じ込めが実現し、素子としての信頼性の高い、歩留まり率の良いものが得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の、第１の実施の形態の発光素子に関する構造断面図
【図２】 本発明の、第１の参考の形態の発光素子に関する構造断面図
【図３】 本発明の、第２の参考の形態の発光素子に関する構造断面図
【図４】 本発明の、第３の参考の形態の発光素子に関する構造断面図
【図５】 本発明の半導体発光素子を作製する、有機金属気相エピタキシャル装置の構造断面図
【図６】 本発明の、第１の実施の形態における発光素子のプロセスに関する図
【図７】 本発明の、第１の実施の形態における発光素子に関する、ＳｉＯ2絶縁層形成の手順に関する図
【図８】 本発明の、第１の参考の形態における発光素子のプロセスに関する図
【図９】 本発明の、第２の参考の形態における発光素子に関する、ドライエッチングに関する図
【図１０】 本発明の、第３の参考の形態における発光素子の埋め込み再成長に関する図
【図１１】 ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体のバンドギャップと格子定数との関係、およびよく用いられる基板の格子定数を表す図
【図１２】 本発明の、第１の実施の形態の発光素子に関する電流−電圧−光出力特性を表す図
【図１３】 本発明の、第１の参考の形態の発光素子に関する電流−電圧−光出力特性を表す図
【図１４】 本発明の、第２の参考の形態の発光素子に関する電流−電圧−光出力特性を表す図
【図１５】 本発明の、第３の参考の形態の発光素子に関する電流−電圧−光出力特性を表す図
【図１６】 本発明の、第３の参考の形態の発光素子に関する、レーザ発振時のファーフィールドパターンを表す図
【図１７】 従来の半導体発光素子に関する構造断面図
【符号の説明】
１０１ ｎ型ＳｉＣ基板
１０２ アンドープＳｉＣ電流狭窄層
２０１ ｎ型ＳｉＣ基板
２０２ ｎ型ＳｉＣ基板の水素打ち込み領域
３０１ ｎ型ＳｉＣ基板
３０２ ｐ型ＡｌＮバッファ層
４０１ ｎ型ＳｉＣ基板
４０９ ｐ型Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ｎ層
４１０ ｎ型Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ｎ層
Claims (1)
- 導電性を有する基板と、前記基板と接するように１０００Å以下の層厚に積層された絶縁層と、前記絶縁層を一部除去した領域と、前記絶縁層を除去した領域の上に、Ｎを含むIII−Ｖ族化合物より成るダブルへテロ構造を有し、前記絶縁層としてＳｉＣ又はＺｎＯを用いることを特徴とする半導体発光素子。
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