JP3835384B2

JP3835384B2 - Nitride semiconductor device

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Publication number: JP3835384B2
Application number: JP2002268261A
Authority: JP
Inventors: 慎一長濱; 雅之妹尾; 修二中村
Original assignee: Nichia Corp
Current assignee: Nichia Corp
Priority date: 1997-01-09
Filing date: 2002-09-13
Publication date: 2006-10-18
Anticipated expiration: 2017-12-16
Also published as: JP2003101160A; JP3374737B2; JP4816434B2; JP2003017746A; JPH10335757A; JP2007067454A; JP4378070B2

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
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、太陽電池、光センサー等の受光素子、又はトランジスタ等の電子デバイスに使用される窒化物半導体（Ｉｎ_ＸＡｌ_ＹＧａ_{１−Ｘ−Ｙ}Ｎ、０≦Ｘ、０≦Ｙ、Ｘ＋Ｙ≦１）よりなる素子に関する。なお、本明細書において使用する一般式Ｉｎ_ＸＧａ_１−ＸＮ、Ａｌ_ＹＧａ_１−ＹＮ等は単に窒化物半導体層の組成式を示すものであって、異なる層が例えば同一の一般式で示されていても、それらの層のＸ値、Ｙ値が一致していることまで示すものではない。
【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。これらの各種デバイスに使用される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-Quantum- Well）のＩｎＧａＮよりなる活性層が挟まれた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。
【０００３】
また、本出願人は、最近この材料を用いてパルス電流下、室温での４１０ｎｍのレーザ発振を世界で初めて発表した（例えば、Jpn.J.Appl.Phys. Vol35 (1996) pp.L74-76）。このレーザ素子はパルス幅２μｓ、パルス周期２ｍｓの条件で、閾値電流６１０ｍＡ、閾値電流密度８．７ｋＡ／cm^２、４１０ｎｍの発振を示す。さらにまた、閾値電流が低い改良したレーザ素子を、Appl.Phys.Lett.，Vol.69，No.10，2 Sep. 1996，p.1477-1479において発表した。このレーザ素子は、ｐ型窒化物半導体層の一部にリッジストライプが形成された構造を有しており、パルス幅１μｓ、パルス周期１ｍｓ、デューティー比０．１％で、閾値電流１８７ｍＡ、閾値電流密度３ｋＡ／cm^２、４１０ｎｍの発振を示す。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
窒化物半導体よりなる青色、緑色ＬＥＤは順方向電流（Ｉｆ）２０ｍＡで、順方向電圧（Ｖｆ）が３．４Ｖ〜３．６Ｖあり、ＧａＡｌＡｓ系の半導体よりなる赤色ＬＥＤに比べて２Ｖ以上高いため、さらなるＶｆの低下が望まれている。また、ＬＤでは閾値での電流、電圧が未だ高く、室温で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、さらに電力効率の高い素子を実現する必要がある。
【０００５】
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ＬＤ素子の閾値での電流、電圧を低下させることにより連続発振を実現し、またＬＥＤ素子ではＶｆを低下させ、信頼性が高く、電力効率に優れた窒化物半導体素子を実現することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、窒化物半導体素子について、活性層を挟んだｐ型層、及び／又はｎ型層を改良すべく鋭意検討した結果、活性層を除くｐ型層、及び／又はｎ型層に超格子層を用いることにより、超格子層を用いた層の結晶性を良好にでき、前記問題を解決できることを新たに見いだし本発明を成すに至った。
【０００７】
すなわち、本発明に係る第１の窒化物半導体素子は、サファイア基板のＣ面上又はＧａＮ基板上に、ｎ型窒化物半導体層領域を介して設けられた活性層と、ｐ側光ガイド層、ｐ側クラッド層及びｐ側コンタクト層が積層されてなり前記活性層上に設けられたｐ型窒化物半導体層領域と、を有する窒化物半導体素子であって、
前記ｐ側クラッド層は、ｐ側光ガイド層よりも活性層から離れた位置に有し、１０Å以上で１００Å以下の膜厚を有し、Ｉｎ _ＸＧａ _１−ＸＮ（０≦Ｘ＜１）で表される窒化物半導体からなる第１の層と、該第１の層と組成が異なりかつ１０Å以上で１００Å以下の膜厚を有し、Ａｌ _ＹＧａ _１−ＹＮ（０＜Ｙ＜１）で表される窒化物半導体からなる第２の層とが積層された超格子層を有し、
前記第１の層及び前記第２の層にドープされたｐ型不純物の濃度が互いに異なり、かつ第２の層の不純物濃度を大きくしたことを特徴とする。
これによって、前記超格子層からなるｐ型窒化物半導体層の抵抗値を極めて低くできるので、窒化物半導体素子の電力効率を高くすることができる。
また、本発明に係る第１の窒化物半導体素子において、前記超格子層は、１００Å以下の膜厚を有する窒化物半導体からなる第１の層と該第１の層と組成が異なりかつ１００Å以下の膜厚を有する窒化物半導体からなる第２の層とが積層されているので、前記超格子層の結晶性を良くできる。
ｐ型のクラッド層に超格子構造を適用することによる閾値電流、電圧を低げる効果は大きく、本発明では、閾値電流、電圧を顕著に低下させることができる。
【０００８】
また、本発明の第１の窒化物半導体素子において、前記第１の層、及び第２の層の膜厚は、上述のように、７０Å以下であることが好ましい。
【０００９】
また、本発明に係る第２の窒化物半導体素子は、サファイア基板のＣ面上又はＧａＮ基板上に、ｎ型窒化物半導体層領域を介して設けられた活性層と、ｐ側光ガイド層、ｐ側クラッド層及びｐ側コンタクト層が積層されてなり前記活性層上に設けられたｐ型窒化物半導体層領域と、を有する窒化物半導体素子であって、
前記ｎ型窒化物半導体層領域が、１０Å以上で１００Å以下の膜厚を有し、Ｉｎ _ＸＧａ _１−ＸＮ（０≦Ｘ＜１）で表される窒化物半導体からなる第１の層と、該第１の層と組成が異なりかつ１０Å以上で１００Å以下の膜厚を有し、Ａｌ _ＹＧａ _１−ＹＮ（０＜Ｙ＜１）で表される窒化物半導体からなる第２の層とが積層された超格子層を含み、かつ前記ｐ側クラッド層が、１０Å以上で１００Å以下の膜厚を有し、Ｉｎ _ＸＧａ _１−ＸＮ（０≦Ｘ＜１）で表される窒化物半導体からなる第３の層と、該第３の層と組成が異なりかつ１０Å以上で１００Å以下の膜厚を有し、Ａｌ _ＹＧａ _１−ＹＮ（０＜Ｙ＜１）で表される窒化物半導体からなる第４の層とが積層された超格子層を有し、
前記第３の層及び前記第４の層にドープされたｐ型不純物の濃度が互いに異なり、かつ第４の層の不純物濃度を大きくしたことを特徴とする。
【００１０】
また、本発明の第２の窒化物半導体素子において、前記第３の層、及び第４の層の膜厚は、上述のように、７０Å以下であることが好ましい。
【００１１】
さらに、本発明の第２の窒化物半導体素子において、前記ｎ型窒化物半導体領域に形成された超格子層は、ｎ側クラッド層であってもよい。
【００１２】
またさらに、前記第１及び第２の窒化物半導体素子において、前記活性層に接して、Ａｌを含む窒化物半導体よりなるｐ側キャップ層を有し、そのｐ側キャップ層よりも活性層から離れた位置に、前記ｐ側キャップ層よりもバンドギャップエネルギーが小さいｐ側光ガイド層を設けるようにすることが好ましい。
【００１３】
また、前記第１及び第２の窒化物半導体素子において、ｐ電極を形成するための前記ｐ側コンタクト層の膜厚を５００Å以下に設定することが好ましい。このように、ｐ側コンタクト層を薄く形成することにより、該ｐ側コンタクト層の厚さ方向の抵抗値を下げることができる。
【００１４】
また、前記第１及び第２の窒化物半導体素子において、前記ｐ側コンタクト層の膜厚を３００Å以下に設定することがさらに好ましい。また、該ｐ側コンタクト層の膜厚の下限は、該ｐ型コンタクト層の下の半導体層を露出させないように、１０Å以上に設定することが好ましい。
【００１５】
また、前記第１及び第２の窒化物半導体素子において、前記ｐ側光ガイド層は互いに組成の異なる２つの層が積層された超格子層であってもよく、そのｐ側光ガイド層の２つの層は、互いにｐ型不純物濃度が異なっていてもよい。
また、前記ｐ側光ガイド層の２つの層において、バンドギャップエネルギーが大きい層のｐ型不純物濃度を大きくしてもよい。
【００１６】
前記第１及び第２の窒化物半導体素子において、前記ｐ側光ガイド層はＧａＮであってもよいし、ＩｎＧａＮであってもよい。
【００１７】
前記第１及び第２の窒化物半導体素子では、前記ｐ側クラッド層及び該ｐ側クラッド層よりｐ側コンタクト層側に形成されている層において、共振方向に峰状のリッジ部が形成されていてもよい。
前記第１及び第２の窒化物半導体素子において、前記活性層がインジウムを含む窒化物半導体を有していてもよい。
【００１８】
また、本発明の第１及び第２の窒化物半導体素子において、前記第１の層、及び第２の層の膜厚は、上述のように、７０Å以下であることが好ましいが、さらに好ましくは４０Å以下に設定する。また、本発明では、前記第１の層、及び第２の層の膜厚は１０Å以上に設定する。この範囲内に設定することにより、従来では成長させにくかったＡｌ _ＹＧａ _１−ＹＮ（０＜Ｙ≦１）等の窒化物半導体層が結晶性良く形成することができる。
特に、ｐ電極と活性層との間にあるｐ型窒化物半導体層の内の少なくとも一層、及び／又はｎ電極が形成される電流注入層としてのｎ側コンタクト層と活性層との間にあるｎ型窒化物半導体層の内の少なくとも一層を超格子層とする場合に、その超格子層を構成する第１の層、及び第２の層を前記膜厚に設定することによる効果が大きい。
【００１９】
なお、本発明において、導電型を決定する不純物としては、窒化物半導体にドープされる周期律表第４Ａ族、４Ｂ族、第６Ａ族、第６Ｂ族に属するｎ型不純物と、１Ａ、１Ｂ族、２Ａ族、２Ｂ族に属するｐ型不純物とがある（以下、本明細書において、適宜ｎ型不純物、ｐ型不純物と記する。）。
さらに、上述したように、第１の層と第２の層とでバンドギャップエネルギーが異なる場合には、バンドギャップエネルギーの大きい方の層の不純物濃度を大きくすることが望ましい。これによって、ｐ型窒化物半導体層側に超格子層を形成した場合の変調ドープによる高出力化が期待できる。
本発明では、ｎ側コンタクト層が超格子層であってもよい。ｎ側コンタクト層である超格子層を構成する２つの層でバンドギャップエネルギーが互いに異なり、バンドギャップエネルギーの大きい方の層の不純物濃度を大きくすることにより、後述するＨＥＭＴに類似したような効果により電力効率を向上させることができる。例えば、レーザ素子では、さらに閾値電圧、閾値電流が低下する傾向にある。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明に係る実施の形態の窒化物半導体素子について説明する。
実施形態１．
図１は、本発明に係る実施形態１の窒化物半導体素子の構造を示す模式的な断面図であり、該窒化物半導体素子は、基本的な構造として、サファイアよりなる基板１の上に、ＧａＮよりなるバッファ層２、Ｓｉドープｎ型ＧａＮよりなるｎ側コンタクト層３、単一量子井戸構造のＩｎＧａＮよりなる活性層４、互いに組成の異なる第１の層と第２の層とが積層された超格子層よりなるｐ側クラッド層５、ＭｇドープＧａＮよりなるｐ側コンタクト層６とが順に積層されているＬＥＤ素子である。なお、実施形態１の窒化物半導体素子において、ｐ側コンタクト層６表面のほぼ全面には、透光性の全面電極７が形成され、全面電極７の表面にはボンディング用のｐ電極８が設けられており、さらにｐ側コンタクト層６より窒化物半導体層の一部をエッチング除去して露出されたｎ側コンタクト層２の表面にはｎ電極９が設けられている。
【００２１】
ここで、実施形態１の窒化物半導体素子は、例えばｐ型不純物としてＭｇをドープしたＩｎ_ＸＧａ_１−ＸＮ（０≦Ｘ≦１）よりなる膜厚３０オングストローム（Å）の第１の層と、同じくｐ型不純物としてＭｇを第１の層と同量でドープしたｐ型Ａｌ_ＹＧａ_１−ＹＮ（０≦Ｙ≦１）よりなる膜厚３０オングストロームの第２の層とが積層された超格子層で構成された低い抵抗値を有するｐ側クラッド層５を備えているので、Ｖｆを低くできる。このように超格子層をｐ層側に形成する場合は、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｃｄ、Ｂｅ等のｐ型不純物を第１の層、及び／又は第２の層にドープしてｐ型の導電型を有する超格子層とする。積層順としては、第１＋第２＋第１・・・、若しくは第２＋第１＋第２・・・の順でも良く、少なくとも合計２層以上積層する。
【００２２】
尚、超格子層を構成する窒化物半導体よりなる第１の層及び第２の層は、Ｉｎ_ＸＧａ_１−ＸＮ（０≦Ｘ≦１）よりなる層及びＡｌ_ＹＧａ_１−ＹＮ（０≦Ｙ≦１）よりなる層に限定されるわけではなく、互いに組成が異なる窒化物半導体で構成されていれば良い。また、第１の層と第２の層とのバンドギャップエネルギーが異なっていても、同一でもかまわない。例えば、第１の層をＩｎ_ＸＧａ_１−ＸＮ（０≦Ｘ≦１）で構成し、第２の層をＡｌ_ＹＧａ_１−ＹＮ（０＜Ｙ≦１）で構成すると、第２の層のバンドギャップエネルギーが必ず第１の層よりも大きくなるが、第１の層をＩｎ_ＸＧａ_１−ＸＮ（０≦Ｘ≦１）で構成し、第２の層をＩｎ_ＺＡｌ_１−ＺＮ（０＜Ｚ≦１）で構成すれば、第１の層と第２の層とは組成が異なるがバンドギャップエネルギーが同一の場合もあり得る。また第１の層をＡｌ_ＹＧａ_１−ＹＮ（０≦Ｙ≦１）で構成し、第２の層をＩｎ_ＺＡｌ_１−ＺＮ（０＜Ｚ≦１）で構成すれば、同様に第１の層と第２の層とは組成が異なるがバンドギャップエネルギーが同一の場合もあり得る。すなわち、本発明は、後述する作用を有する超格子層であれば、第１の層と第２の層のバンドギャップエネルギーが同じであっても、異なっていても良い。以上のように、ここで言う超格子層とは、組成の異なる極めて薄い層が積層されたものであって、各層の厚さが十分薄いために、格子不整に伴う欠陥が発生することなく積層された層のことをいい、量子井戸構造を含む広い概念である。また、この超格子層は、内部に欠陥は有しないが、通常、格子不整に伴う歪みを有するので歪み超格子とも呼ばれる。本発明において、第１の層、第２の層のＮ（窒素）を一部Ａｓ、Ｐ等のV族元素で置換してもＮが存在している限り窒化物半導体に含まれる。
【００２３】
本発明において、超格子層を構成する第１の層、第２の層の膜厚は、１００オングストロームよりも厚いと、第１の層及び第２の層が弾性歪み限界以上の膜厚となり、該膜中に微少なクラック、あるいは結晶欠陥が入りやすくなるので、１００オングストローム以下の膜厚に設定することが好ましい。また、第１の層、第２の層の膜厚の下限は特に限定されず１原子層以上であればよい。しかしながら、本発明では、第１の層、第２の層の膜厚は、１００オングストロームであると窒化物半導体の臨界（弾性歪み）限界膜厚に十分に達しておらず、弾性歪み限界膜厚以下にして窒化物半導体の結晶欠陥をより少なくするため７０オングストローム以下に設定することが好ましく、さらに好ましくはより薄く設定し、４０オングストローム〜１０オングストロームに設定することが最も好ましい。また、本発明では、１０オングストローム以下（１原子層又は２原子層）に設定してもよいが、１０オングストローム以下に設定すると、例えば、５００オングストローム以上の膜厚のクラッド層を超格子層で形成する場合、積層数が多くなるり、製造工程上、形成時間及び手間がかかるので、第１の層、第２の層の膜厚は、１０オングストロームより厚く設定することが好ましい。
【００２４】
図１に示す本実施形態１の窒化物半導体素子の場合、超格子層よりなるｐ型クラッド層５は、活性層４と電流注入層であるｐ側コンタクト層６との間に形成されて、キャリア閉じ込め層として作用している。このように、特に超格子層をキャリア閉じ込め層とする場合には、超格子層の平均バンドギャップエネルギーを活性層よりも大きくする必要がある。窒化物半導体では、ＡｌＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＡｌＮ等のＡｌを含む窒化物半導体が、比較的大きなバンドギャップエネルギーを有するので、キャリア閉じ込め層としてこれらの層が用いられる。しかし、従来のようにＡｌＧａＮ単一で厚膜を成長させると結晶成長中にクラックが入りやすい性質を有している。
【００２５】
そこで、本発明では、超格子層の第１の層、及び第２の層の内の少なくとも一方を少なくともＡｌを含む窒化物半導体、好ましくはＡｌ_ＹＧａ_１−ＹＮ（０＜Ｙ≦１）を弾性歪み限界以下の膜厚で形成して超格子層を構成することにより、クラックの少ない非常に結晶性の良い超格子層を成長形成させ、しかもバンドギャップエネルギーが大きな層を形成している。この場合さらに好ましくは、第１の層にＡｌを含まない窒化物半導体層を１００オングストローム以下の膜厚で成長させると、Ａｌを含む窒化物半導体よりなる第２の層を成長させる際のバッファ層としても作用し、第２の層にクラックを入りにくくする。そのため第１の層と第２の層とを積層してもクラックのない結晶性のよい超格子層を形成できる。従って、本実施形態１では、超格子層をＩｎ_ＸＧａ_１−ＸＮ（０≦Ｘ≦１）からなる第１の層（第２の層）とＡｌ_ＹＧａ_１−ＹＮ（０≦Ｙ≦１、Ｘ≠Ｙ＝０）からなる第２の層（第１の層）とすることが好ましい。
【００２６】
また、本実施形態１の窒化物半導体素子において、超格子層であるｐ側クラッド層５を構成する第１の層及び第２の層の内の少なくとも一方の層には、キャリア濃度を調整するために、該層の導電型をｐ型に設定するｐ型の不純物がドープされることが好ましい。また、第１の層と第２の層とにｐ型の不純物をドープする場合、第１の層と第２の層とで異なる濃度でドープてもよく、さらに、第１の層と第２の層とのバンドギャップエネルギーが異なる場合には、バンドギャップエネルギーが大きな層の方を高濃度とすることが望ましい。なぜなら、第１の層、第２の層にそれぞれ異なる濃度で不純物をドープすると、変調ドーピングによる量子効果によって、一方の層のキャリア濃度が実質的に高くなり超格子層全体の抵抗値を低下させることができるからである。このように、本発明では、第１の層と、第２の層の両方に不純物を異なる濃度でそれぞれドープしても良いし、第１の層、第２の層のいずれか一方に不純物をドープしても良い。
【００２７】
なお、第１の層及び第２の層にドープされる不純物濃度は、特に本発明はこれに限定されないが、ｐ型不純物で通常、１×１０^１６／ｃｍ^３〜１×１０^２２／ｃｍ^３、さらに好ましくは１×１０^１７／ｃｍ^３〜１×１０^２１／ｃｍ^３、最も好ましくは１×１０^１８／ｃｍ^３〜２×１０^２０／ｃｍ^３の範囲に調整することが望ましい。１×１０^１６／ｃｍ^３よりも少ないとＶｆ、閾値電圧を低下させる効果が得られにくく、１×１０^２２／ｃｍ^３よりも多いと超格子層の結晶性が悪くなる傾向にあるからである。またｎ型不純物も同様の範囲に調整することが望ましい。理由は同じである。
【００２８】
しかしながら、本発明では、超格子層には、第１の層及び第２の層に導電型を決定する不純物がドープされていなくてもよい。この不純物がドープされない超格子層は、ｎ型窒化物半導体層領域であれば活性層と基板との間におけるいずれの層であってもよく、一方、ｐ型窒化物半導体層領域であれば、キャリア閉じ込め層（光閉じ込め層）と、活性層との間におけるいずれの層であってもよい。
【００２９】
以上のように構成された超格子層は、第１の層、及び第２の層を弾性歪み限界以下の膜厚にして積層して形成しているので、結晶の格子欠陥を低下させることができ、かつ微少なクラックを減少させることができ、結晶性を飛躍的に良くすることができる。この結果、結晶性をあまり損なうことなく、不純物のドープ量を多くでき、これによって、ｎ型窒化物半導体層、ｐ型窒化物半導体層のキャリア濃度を増加させることができ、かつ該キャリアが結晶欠陥によって散乱されることなく移動できるので、超格子構造を有しないｐ型又はｎ型の窒化物半導体に比較して抵抗率を１桁以上低くすることができる。
【００３０】
従って、本実施形態１の窒化物半導体素子（ＬＥＤ素子）では、従来、低抵抗な窒化物半導体層を得ることが困難であったｐ層側（ｐ型半導体層領域（ｐ型クラッド層５とｐ型コンタクト層６とからなる領域））のｐ型クラッド層５を超格子層を用いて形成して、該ｐ型クラッド層５の抵抗値を低くすることにより、Ｖｆを低くすることができる。つまり、ｐ型窒化物半導体は、ｐ型結晶が非常に得られにくい半導体であり、得られたとしても、ｎ型窒化物半導体に比べて、通常抵抗率が２桁以上高い。そのためｐ型の超格子層をｐ層側に形成することにより、超格子層で構成されたｐ型層を極めて低抵抗にすることができ、Ｖｆの低下が顕著に現れる。従来、ｐ型結晶を得るため技術として、ｐ型不純物をドープした窒化物半導体層をアニーリングして、水素を除去することによりｐ型の窒化物半導体を作製する技術が知られている（特許第２５４０７９１号）。しかし、ｐ型の窒化物半導体が得られたといってもその抵抗率は、数Ω・ｃｍ以上もある。そこで、このｐ型層をｐ型の超格子層とすることにより結晶性が良くなり、我々の検討によると、該ｐ層の抵抗率を従来に比較して、１桁以上低くすることができ、Ｖｆの低下させる効果が顕著に現れる。
【００３１】
また、本実施形態１では、前記のように好ましくは第１の層（第２の層）をＩｎ_ＸＧａ_１−ＸＮ（０≦Ｘ≦１）とし、第２の層（第１の層）をＡｌ_ＹＧａ_１−ＹＮ（０≦Ｙ≦１、Ｘ≠Ｙ＝０）で構成することにより、結晶性のよいクラックのない超格子層を形成することができるので、素子寿命を向上させることができる。
【００３２】
次に、我々が以前に出願した特許公報を含む公知文献に開示された従来例と本発明とを比較して説明する。
まず、本発明に類似した技術として、我々は先に特開平８−２２８０４８号を提案した。この技術は活性層を挟むｎ型クラッド層の外側、及び／又はｐ型クラッド層の外側（つまり活性層からより離れた側）にレーザ光の光反射膜としてＡｌＧａＮ、ＧａＮ、ＩｎＧａＮ等よりなる多層膜を形成する技術である。この技術は光反射膜として多層膜を形成するので、その各層の膜厚がλ／４ｎ（ｎ:窒化物半導体の屈折率、λ：波長）で設計されるため非常に厚い。従って多層膜の各膜厚が弾性歪み限界以下の膜厚ではない。また、ＵＳＰ５，１４６，４６５号には活性層をＡｌ_ＸＧａ_１−ＸＮ／Ａｌ_ＹＧａ_１−ＹＮよりなるミラーで挟んだ構造のレーザ素子が記載されている。この技術も前技術と同様にＡｌＧａＮ／ＡｌＧａＮをミラーとして作用させるために、各層の膜厚を厚くしなければならない。さらにＡｌＧａＮのような硬い半導体をクラックなしに何層も積層することは非常に難しい。
【００３３】
一方、本実施形態では超格子層を構成するように第１と第２の層の各膜厚を、設定（好ましくは、両方とも１００オングストローム以下と臨界膜厚以下に設定する。）しており、前記技術とは異なる。本発明では超格子層を構成する窒化物半導体の歪み超格子による効果を利用し、結晶性を向上させて、Ｖｆを低下させている。
【００３４】
さらに、特開平５−１１０１３８、特開平５−１１０１３９号公報には薄膜のＡｌＮとＧａＮとを積層してＡｌ_ＹＧａ_１−ＹＮの結晶を得る方法が記載されている。この技術は、所定の混晶比のＡｌ_ＹＧａ_１−ＹＮの混晶を得るために、数十オングストロームの膜厚のＡｌＮ、ＧａＮを積層する技術であって本発明の技術とは異なる。しかもＩｎＧａＮよりなる活性層を有していないので、超格子層にクラックが入りやすい。また、特開平６−２１５１１号、６−２６８２５７号公報ではＧａＮとＩｎＧａＮ、若しくはＩｎＧａＮとＩｎＧａＮとを積層した多重量子井戸構造の活性層を有するダブルへテロ構造の発光素子が記載されている。本発明では活性層以外の層を多重量子井戸構造とする技術であり、この技術とも異なる。
【００３５】
さらに本発明の素子ではＩｎＧａＮのような、少なくともインジウムを含む窒化物半導体を活性層に備える場合に、超格子の効果が顕著に現れる。ＩｎＧａＮ活性層はバンドギャップエネルギーが小さく窒化物半導体素子の活性層としては最も適している。そのためＩｎ_ＸＧａ_１−ＸＮと、Ａｌ_ＹＧａ_１−ＹＮよりなる超格子層を、活性層を挟設する層として形成すると、活性層とバンドギャップエネルギー差、屈折率差を大きくできるため、該超格子層がレーザ素子を実現する際に非常に優れた光閉じ込め層として動作する（実施形態２の窒化物半導体素子に適用）。さらにＩｎＧａＮは結晶の性質が他のＡｌＧａＮのようなＡｌを含む窒化物半導体に比べて柔らかいので、ＩｎＧａＮを活性層とすると、積層した各窒化物半導体層全体にクラックが入りにくくなる。逆にＡｌＧａＮのような窒化物半導体を活性層とすると、その結晶の性質が硬いために結晶全体にクラックが入りやすくなる傾向にある。
【００３６】
さらにｐ側コンタクト層の膜厚を５００オングストローム以下、さらに好ましくは３００オングストローム以下、最も好ましくは２００オングストローム以下に調整することが望ましい。なぜなら、上述したように抵抗率が数Ω・cm以上もあるｐ型窒化物半導体層の膜厚を５００オングストローム以下に調整することにより、さらに抵抗率を低げることができるため、閾値での電流、電圧が低下する。またｐ型層から除去される水素の量を多くすることができ、さらに抵抗率を低下させることができる。
【００３７】
以上、詳述したように、本実施の形態１の窒化物半導体素子では、ｐ型クラッド層５を第１の層と第２の層とが積層された超格子層で構成しているので、該ｐ型クラッド層５を極めて低抵抗にでき、該素子のＶｆを低くできる。
【００３８】
以上の実施形態１では、ｐ側クラッド層５に超格子層を用いたが、本発明はこれに限らず、ｐ側コンタクト層６にｐ型の超格子層を用いてもよい。すなわち、電流（正孔）が注入されるｐ側コンタクト層６も例えばＩｎ_ＸＧａ_１−ＸＮよりなる第１の層と、Ａｌ_ＹＧａ_１−ＹＮよりなる第２の層とが積層されたｐ型の超格子層とすることもできる。ｐ型コンタクト層６を超格子層として、第１の層のバンドギャップエネルギーが第２の層よりも小さい場合、バンドギャップエネルギーが小さいＩｎ_ＸＧａ_１−ＸＮよりなる第１の層を最表面にしてｐ電極と接触する層とすることが好ましく、これによって、ｐ電極との接触抵抗が小さくなり好ましいオーミックが得られる。これはバンドギャップエネルギーが小さい第１の層の方が、第２の層よりもキャリア濃度の高い窒化物半導体層が得られやすい傾向にあるからである。また、本発明では、ｐ型窒化物半導体層領域に、上述のｐ側クラッド層及びｐ側コンタクト層以外のｐ型窒化物半導体層をさらに形成する場合は、該ｐ型窒化物半導体層を超格子層で構成してもよい。
【００３９】
以上の実施形態１では、ｐ側クラッド層５に超格子層を用いたが、本発明はｐ型窒化物半導体層領域に限らず、ｎ型窒化物半導体領域のｎ側コンタクト層３にｎ型の超格子層を用いてもよい。このように、ｎ側コンタクト層３を超格子層とする場合は、例えば、Ｓｉ、Ｇｅ等のｎ型不純物を第１の層及び／又は第２の層にドープして、ｎ型の導電型を有する超格子層を基板１と活性層４との間にｎ型コンタクト層３として形成することができる。この場合、特にｎ型コンタクト層３を不純物濃度が異なる超格子層とすると横方向の抵抗値が低下して、ＬＤでは閾値電圧、電流が低下する傾向にあることが確認された。
【００４０】
これは、バンドギャップエネルギーの大きな層の方に、多くｎ型不純物をドープした超格子層をｎ層側のコンタクト層として形成した場合について、以下のようなＨＥＭＴ（High-Electron-Mobility-Transistor）に類似した作用が出現した効果が推察される。ｎ型不純物がドープされたバンドギャップの大きい第１の層（第２の層）と、バンドギャップが小さいアンドープ｛（ｕｎｄｏｐｅ）；以下、不純物がドープされていない状態をアンドープという｝の第２の層（第１の層）とを積層した超格子層では、ｎ型不純物を添加した層と、アンドープの層とのヘテロ接合界面で、バンドギャップエネルギーの大きな層側が空乏化し、バンドギャップエネルギーの小さな層側の厚さ（１００オングストローム）前後の界面に電子（二次元電子ガス）が蓄積する。この二次元電子ガスがバンドギャップエネルギーの小さな層側にできるので、電子が走行するときに不純物による散乱を受けないため、超格子層の電子の移動度が高くなり、抵抗率が低下すると推察される。
【００４１】
また、本発明において、ｎ型窒化物半導体層領域にｎ側のクラッド層を設ける場合は、該ｎ側のクラッド層を超格子層としてもよい。ｎ型窒化物半導体層領域にｎ側コンタクト層及びｎ側クラッド層以外のｎ型窒化物半導体層を形成する場合は、該ｎ型窒化物半導体層を超格子層としてもよい。しかし、ｎ型窒化物半導体層領域に超格子層からなる窒化物半導体層を設ける場合、キャリア閉じ込め層としてのｎ側クラッド層、若しくは電流（電子）が注入されるｎ側コンタクト層３を超格子構造とすることが望ましいことはいうまでもない。
【００４２】
このように、超格子層を活性層４と基板１との間のｎ型窒化物半導体層領域にに設ける場合、超格子層を構成する第１の層、第２の層には不純物をドープしなくても良い。なぜなら窒化物半導体はアンドープでもｎ型になる性質があるからである。但し、ｎ層側に形成する場合においても上述のように、第１の層、第２の層にＳｉ、Ｇｅ等のｎ型不純物をドープして、不純物濃度の差を設ける方が望ましい。
【００４３】
以上のように、超格子層をｎ型窒化物半導体層領域に形成した場合の効果は、超格子層をｐ型窒化物半導体層領域に設けた場合と同様に、結晶性の向上が挙げられる。詳細に説明すると、ヘテロ接合を有する窒化物半導体素子の場合、通常ｎ型、ｐ型のキャリア閉じ込め層は、活性層よりもバンドギャップエネルギーが大きいＡｌＧａＮで構成される。ＡｌＧａＮは結晶成長が非常に難しく、例えば単一組成で０．５μｍ以上の膜厚で成長させようとすると、結晶中にクラックが入りやすくなる性質がある。しかしながら、本発明のように第１の層と、第２の層とを弾性歪み限界以下の膜厚で積層して超格子層とすると、単一の第１の層、第２の層のみで結晶性の良いものが得られるため、全体を膜厚の厚い超格子層としても結晶性が良いままでクラッド層が成長できる。そのため全体の窒化物半導体の結晶性が良くなってｎ型領域の移動度が大きくなるので、その超格子層をクラッド層とした素子でＶｆが低下する。さらに、超格子層にＳｉ、Ｇｅの不純物をドープして、超格子層をコンタクト層とした場合には前記したＨＥＭＴに類似した効果が顕著に現れてくるようになると思われ、閾値電圧、Ｖｆをさらに低下させることができる。
【００４４】
このように、本発明において、超格子層は、活性層を挟設するｎ型領域又はｐ型領域に形成されるキャリア閉じ込め層としてのクラッド層、活性層の光ガイド層、若しくは電極が接して形成される電流注入層として用いられるため、超格子層を構成する窒化物半導体の平均バンドギャップエネルギーが活性層よりも大きくなるように調整することが望ましい。
【００４５】
実施形態２．
次に、本発明に係る実施形態２について説明する。
図２は、本発明に係る実施形態２の窒化物半導体素子の構造を示す模式的な断面図（レーザ光の共振方向に垂直な断面）であり、該窒化物半導体素子は、例えば、Ｃ面を主面とするサファイヤ等の基板１０上に、ｎ型窒化物半導体層領域（ｎ側コンタクト層１２、クラック防止層１３、ｎ側クラッド層１４及びｎ側光ガイド層１５からなる。）とｐ型窒化物半導体領域（キャップ層１７、ｐ側光ガイド層１８、ｐ側クラッド層１９及びｐ側コンタクト層２０からなる。）とによって挟設された窒化物半導体からなる活性層１６を備えた窒化物半導体レーザダイオード素子である。
【００４６】
ここで、本実施形態２の窒化物半導体素子は、ｎ型窒化物半導体層領域におけるｎ側クラッド層１４を超格子層で形成し、かつｐ型窒化物半導体領域におけるｐ側クラッド層１９を超格子層で形成することにより、ＬＤ素子である窒化物半導体素子の閾値電圧を低く設定している。以下この図２を参照して本発明に係る実施形態２の窒化物半導体素子について詳細に説明する。
【００４７】
この実施形態２の窒化物半導体素子においては、まず、基板１０上にバッファ層１１と第２のバッファ層１１２を介してｎ側コンタクト層１２が形成され、さらにｎ側コンタクト層１２上に、クラック防止層１３、ｎ側クラッド層１４及びｎ側光ガイド層１５が積層されて、ｎ型窒化物半導体層領域が形成される。尚、クラック防止層１３の両側に露出されたｎ側コンタクト層１２の表面にはそれぞれ、ｎ側コンタクト層１２とオーミック接触するｎ側電極２３が形成され、該ｎ側電極２３上には、例えば、ワイヤーボンディング用のｎ側パッド電極が形成される。そして、ｎ側光ガイド層１５上に窒化物半導体からなる活性層１６が形成され、さらに該活性層１６上に、キャップ層１７、ｐ側光ガイド層１８、ｐ側クラッド層１９及びｐ側コンタクト層２０が積層されてｐ型窒化物半導体層領域が形成される。さらに、ｐ側コンタクト層２０上に該ｐ側コンタクト層２０とオーミック接触するｐ側電極２１が形成され、該ｐ側電極２１上には、例えば、ワイヤーボンディング用のｐ側パッド電極が形成される。なお、ｐ側コンタクト層２０とｐ側クラッド層１９の上部とによって、共振方向に長く伸びた峰状のリッジ部が構成され、該リッジ部を形成することによって、活性層１６において、光りを幅方向（共振方向に直交する方向）に閉じ込め、リッジ部（ストライプ状の電極）に垂直な方向で劈開された劈開面を用いて、リッジ部の長手方向に共振する共振器を作製してレーザ発振させる。
【００４８】
次に、実施形態２の窒化物半導体素子の各構成要素について説明する。
（基板１０）
基板１０にはＣ面を主面とするサファイアの他、Ｒ面、Ａ面を主面とするサファイア、その他、スピネル（ＭｇＡ１_２Ｏ_４）のような絶縁性の基板の他、ＳｉＣ（６Ｈ、４Ｈ、３Ｃを含む）、ＺｎＳ、ＺｎＯ、ＧａＡｓ、ＧａＮ等の半導体基板を用いることができる。
【００４９】
（バッファ層１１）
バッファ層１１は、例えばＡｌＮ、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ等を９００℃以下の温度で成長させて、膜厚数十オングストローム〜数百オングストロームに形成する。このバッファ層１１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するが、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。
【００５０】
（第２のバッファ層１１２）
第２のバッファ層１１２は、前記バッファ層１１の上に、前記バッファ層よりも高温で成長させた単結晶の窒化物半導体よりなる層であり、バッファ層１１よりも厚膜を有する。この第２のバッファ層１１２は次に成長させるｎ側コンタクト層１２よりもｎ型不純物濃度が少ない層とするか、若しくはｎ型不純物をドープしない窒化物半導体層、好ましくはＧａＮ層とすると、第２のバッファ層１１２の結晶性が良くなる。最も好ましくはｎ型不純物をアンドープのＧａＮとすると最も結晶性が良い窒化物半導体が得られる。従来のように負電極を形成するｎ側コンタクト層を数μｍ以上の膜厚で、高キャリア濃度の単一の窒化物半導体層で構成しようとすると、ｎ型不純物濃度の大きい層を成長させる必要がある。不純物濃度の大きい厚膜の層は結晶性が悪くなる傾向にある。このため結晶性の悪い層の上に、活性層等の他の窒化物半導体を成長させても、結晶欠陥を他の層が引き継ぐことになって結晶性の向上が望めない。そこで、ｎ側コンタクト層１２層を成長させる前に、不純物濃度が小さい、結晶性の良い第２のバッファ層１１２を成長させることにより、キャリア濃度が大きく結晶性の良いｎ側コンタクト層１２を成長させることができる。この第２のバッファ層１１２の膜厚は、０．１μｍ以上、さらに好ましくは０．５μｍ以上、最も好ましくは１μｍ以上、２０μｍ以下に調整することが望ましい。第２のバッファ層１１２が０．１μｍよりも薄いと、不純物濃度の大きいｎ型コンタクト層１２を厚く成長させなければならず、ｎ側コンタクト層１２の結晶性の向上があまり望めない傾向にある。また２０μｍよりも厚いと、第２のバッファ層１１２自体に結晶欠陥が多くなりやすい傾向にある。また第２のバッファ層１１２を厚く成長させる利点として、放熱性の向上が挙げられる。つまりレーザ素子を作製した場合に、第２のバッファ層１１２で熱が広がりやすくレーザ素子の寿命が向上する。さらにレーザ光の漏れ光が第２のバッファ層１１２内で広がって、楕円形に近いレーザ光が得やすくなる。なお、第２のバッファ層１１２は、基板にＧａＮ、ＳｉＣ、ＺｎＯ等の導電性基板を使用した場合には省略してもよい。
【００５１】
（ｎ側コンタクト層１２）
ｎ側コンタクト層１２は負電極を形成するコンタクト層として作用する層であり、０．２μｍ以上、４μｍ以下に調整することが望ましい。０．２よりも薄いと、後で負電極を形成する際に、この層を露出させるようにエッチングレートを制御するのが難しく、一方、４μｍ以上にすると不純物の影響で結晶性が悪くなる傾向にある。このｎ側コンタクト層１２の窒化物半導体にドープするｎ型不純物の範囲は１×１０^１７／ｃｍ^３〜１×１０^２１／ｃｍ^３の範囲、さらに好ましくは、１×１０^１８／ｃｍ^３〜１×１０^１９／ｃｍ^３に調整することが望ましい。１×１０^１７／ｃｍ^３よりも小さいとｎ電極の材料と好ましいオーミックが得られにくくなるので、レーザ素子では閾値電流、電圧の低下が望めず、１×１０^２１／ｃｍ^３よりも大きいと、素子自体のリーク電流が多くなったり、また結晶性も悪くなるため、素子の寿命が短くなる傾向にある。なおｎ側コンタクト層１２においては、ｎ電極２３とのオーミック接触抵抗を小さくするために、該ｎ側コンタクト層１２のキャリア濃度を上げる不純物の濃度を、ｎクラッド層１４よりも大きくすることが望ましい。なお、ｎ側コンタクト層１２は基板にＧａＮ、ＳｉＣ、ＺｎＯ等の導電性基板を使用し基板裏面側に負電極を設ける場合にはコンタクト層としてではなくバッファ層として作用する。
【００５２】
また、第２のバッファ層１１、及びｎ側コンタクト層１２の内の少なくとも一方の層を、超格子層とすることもできる。超格子層とすると、この層の結晶性が飛躍的に良くなり、閾値電流が低下する。好ましくは第２のバッファ層１１よりも膜厚が薄いｎ側コンタクト層１２の方を超格子層とする。ｎ側コンタクト層１２を互いにバンドギャップエネルギーが異なる第１の層と第２の層とが積層されてなる超格子構造とした場合においては、好ましくはバンドギャップエネルギーの小さな層を露出させてｎ電極２３を形成することにより、ｎ電極２３との接触抵抗が低くでき閾値を低下させることができる。なおｎ型窒化物半導体と好ましいオーミックが得られるｎ電極２３の材料としてはＡｌ，Ｔｉ，Ｗ，Ｓｉ，Ｚｎ，Ｓｎ，Ｉｎ等の金属若しくは合金が挙げられる。
【００５３】
また、ｎ型コンタクト層１２を不純物濃度が異なる超格子層とすることにより、実施形態１において説明したＨＥＭＴに類似した効果により横方向の抵抗値を低くでき、ＬＤ素子の閾値電圧、電流を低くすることができる。
【００５４】
（クラック防止層１３）
クラック防止層１３は、例えば、Ｓｉを５×１０^１８／ｃｍ^３ドープしたＩｎ_０．１Ｇａ_０．９Ｎからなり、例えば、５００オングストロームの膜厚を有する。このクラック防止層１３はＩｎを含むｎ型の窒化物半導体、好ましくはＩｎＧａＮを成長させて形成することにより、その上に形成されるＡｌを含む窒化物半導体層中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１３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１３は、本実施形態１のようにｎ側コンタクト層１２を超格子とする場合、または次に成長させるｎ側クラッド層１４を超格子層とする場合には省略してもよい。
【００５５】
（ｎ型超格子からなるｎ側クラッド層１４）
ｎ側クラッド層は、例えばＳｉを５×１０^１８／ｃｍ^３ドープしたｎ型Ａ１０．２Ｇａ０．８Ｎからなり、２０オングストロームの膜厚を有する第１の層、及びアンドープのＧａＮよりなり、２０オングストロームの膜厚を有する第２の層とが交互に積層された超格子層よりなり、全体で例えば０．５μｍの膜厚を有する。このｎ型クラッド層１４はキャリア閉じ込め層、及び光閉じ込め層として作用し、超格子層とした場合にはいずれか一方の層を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良好なキャリア閉じ込め層が成長できる。このｎ型クラッド層１４は単一の窒化物半導体で成長させることもできるが、超格子層とすることがクラックのない結晶性のよいキャリア閉じ込め層が形成できる。
【００５６】
（ｎ側光ガイド層１５）
ｎ側光ガイド層１５は、例えば、Ｓｉを５×１０^１８／ｃｍ^３ドープしたｎ型ＧａＮからなり、０．１μｍの膜厚を有する。このｎ側光ガイド層６は、活性層の光ガイド層として作用し、ＧａＮ、ＩｎＧａＮを成長させて形成することが望ましく、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。なお、この光ガイド層１５も超格子層にすることができる。ｎ側光ガイド層１５、ｎ側クラッド層１４を超格子層にする場合、超格子層を構成する窒化物半導体層の平均的なバンドギャップエネルギーは活性層よりも大きくする。超格子層とする場合には、第１の層及び第２の層の少なくとも一方にｎ型不純物をドープしてもよいし、またアンドープでも良い。また、この光ガイド層１５は、アンドープの窒化物半導体単独若しくはアンドープの窒化物半導体が積層された超格子でもよい。
【００５７】
（活性層１６）
活性層１６は、例えば、Ｓｉを８×１０^１８／ｃｍ^３でドープしたＩｎ_０．２Ｇａ_０．８Ｎよりなり、２５オングストロームの膜厚を有する井戸層と、Ｓｉを８×１０^１８／ｃｍ^３ドープしたＩｎ_０．０５１Ｇａ_０．９５Ｎよりなり、５０オングストロームの膜厚を有する障壁層とを交互に積層することにより、所定の膜厚を有する多重量子井戸構造（ＭＱＷ）で構成する。活性層１６においては、井戸層、障壁層両方に不純物をドープしても良く、いずれか一方にドープしてもよい。なおｎ型不純物をドープすると閾値が低下する傾向にある。また、このように活性層１６を多重量子井戸構造とする場合には必ずバンドギャップエネルギーの小さい井戸層と、井戸層よりもバンドギャップエネルギーが小さい障壁層とを積層するため、超格子層とは区別される。井戸層の厚さは、１００オングストローム以下、好ましくは７０オングストローム以下、最も好ましくは、５０オングストローム以下にする。障壁層の厚さは１５０オングストローム以下、好ましくは１００オングストローム以下、最も好ましくは７０オングストローム以下にする。
【００５８】
（ｐ側キャップ層１７）
ｐ側キャップ層１７は、活性層１６よりもバンドギャップエネルギーが大きい、例えば、Ｍｇを１×１０^２０／ｃｍ^３ドープしたｐ型Ａｌ_０．３Ｇａ_０．７Ｎよりなり、例えば、２００オングストロームの膜厚を有する。本実施形態２では、このように、キャップ層１７を用いることが好ましいが、このキャップ層は、薄い膜厚に形成されるので、本発明では、ｎ型不純物をドープしてキャリアが補償されたｉ型としても良い。ｐ側キャップ層１７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３００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側キャップ層１７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、ｐ側キャップ層１７の膜厚が、０．１μｍ以上であると、キャリアがこのエネルギーバリアとなるｐ型キャップ層１７をトンネル効果により通過できなくなるからであり、該トンネル効果によるキャリアの通過を考慮すると、上述したように５００オングストローム以下、さらには３００オングストローム以下に設定することが好ましい。
【００５９】
また、ｐ側キャップ層１７には、ＬＤ素子を発振しやすくするために、Ａｌの組成比が大きいＡｌＧａＮを用いて形成することが好ましく、該ＡｌＧａＮを薄く形成する程、ＬＤ素子は発振しやすくなる。例えば、Ｙ値が０．２以上のＡｌ_ＹＧａ_１−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側キャップ層１７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。
【００６０】
（ｐ側光ガイド層１８）
ｐ側光ガイド層１８は、バンドギャップエネルギーがｐ側キャップ層１７よりも小さい、例えば、Ｍｇを１×１０^２０／ｃｍ^３ドープしたｐ型ＧａＮよりなり、０．１μｍの膜厚を有する。このｐ側光ガイド層１８は、活性層１６の光ガイド層として作用し、ｎ側光ガイド層１５と同じくＧａＮ、ＩｎＧａＮで成長させて形成することが望ましい。また、この層はｐ側クラッド層１９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２００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。このｐ側光ガイド層は通常はＭｇ等のｐ型不純物をドープしてｐ型の導電型とするが、特に不純物をドープしなくても良い。なお、このｐ側光ガイド層を超格子層とすることもできる。超格子層とする場合には第１の層及び第２の層の少なくとも一方にｐ型不純物をドープしてもよいし、またアンドープでも良い。
【００６１】
（ｐ側クラッド層１９＝超格子層）
ｐ側クラッド層１９は、例えば、Ｍｇを１×１０^２０／ｃｍ^３ドープしたｐ型Ａｌ_０．２Ｇａ_０．８Ｎよりなり、例えば、２０オングストロームの膜厚を有する第１の層と、例えばＭｇを１×１０^２０／ｃｍ^３ドープしたｐ型ＧａＮよりなり、２０オングストロームの膜厚を有する第２の層とが交互に積層された超格子層からなる。このｐ側クラッド層１９は、ｎ側クラッド層１４と同じくキャリア閉じ込め層として作用し、特にｐ型層の抵抗率を低下させるための層として作用する。このｐ側クラッド層１９の膜厚も特に限定しないが、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以下で形成することが望ましい。
【００６２】
（ｐ側コンタクト層２０）
ｐ側コンタクト層２０は、ｐ側クラッド層１９の上に、例えば、Ｍｇを２×１０^２０／ｃｍ^３ドープしたｐ型ＧａＮよりなり、例えば、１５０オングストロームの膜厚を有する。このｐ側コンタクト層２０はｐ型のＩｎ_ＸＡｌ_ＹＧａ_{１−Ｘ−Ｙ}Ｎ（０≦Ｘ、０≦Ｙ、Ｘ＋Ｙ≦１）で構成することができ、好ましくは、上述のように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。さらにｐ側コンタクト層の膜厚を５００オングストローム以下、さらに好ましくは３００オングストローム以下、最も好ましくは２００オングストローム以下に調整することが望ましい。なぜなら、上述したように抵抗率が数Ω・ｃｍ以上もあるｐ型窒化物半導体層の膜厚を５００オングストローム以下に調整することにより、さらに抵抗率を低げることができるため、閾値での電流、電圧が低下する。またｐ型層から除去される水素の量を多くすることができ、さらに抵抗率を低下させることができる。
【００６３】
なお、本発明では、ｐ側コンタクト層２０も超格子層とすることもできる。超格子層とする場合には、特にバンドギャップエネルギーが異なる第１の層と第２の層とを積層し、第１＋第２＋第１＋第２＋・・・というように積層していき、最後にバンドギャップエネルギーが小さい方の層が露出するようにすると、ｐ電極２１と好ましいオーミック接触が得られる。ｐ電極２１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。
【００６４】
また、本実施形態２では、図２に示すようにｐ電極２１と、ｎ電極２３との間に露出した窒化物半導体層の表面にＳｉＯ_２よりなる絶縁膜２５が形成され、この絶縁膜２５に形成された開口部を介してｐ電極２１と電気的に接続されたｐパッド電極２２、及びｎ電極２３と接続されたｎパッド電極２４が形成される。このｐパッド電極２２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、ダイボンディングできるようにし、一方ｎパッド電極２４はｎ電極２３の剥がれを防止する。
【００６５】
以上の実施形態２の窒化物半導体素子は、第１の層、及び第２の層を弾性歪み限界以下の膜厚にして積層された超格子層である、結晶性のよいｐ型クラッド層１９を備えている。これによって、本実施形態２の窒化物半導体素子は、ｐ側クラッド層１９の抵抗値を、超格子構造を有しないｐ側クラッド層に比較して１桁以上低くすることができるので、閾値電圧、電流を低くすることができる。
【００６６】
また、本実施形態２の窒化物半導体素子ではｐ型Ａｌ_ＹＧａ_１−ＹＮを含むｐ側クラッド層１９に接して、バンドギャップエネルギーの小さい窒化物半導体をｐ側コンタクト層２０として、その膜厚を５００オングストローム以下と薄く形成することにより、実質的にｐ側コンタクト層２０のキャリア濃度が高くなりｐ電極と好ましいオーミックが得られて、素子の閾値電流、電圧を低くすることができる。さらに、ｎ側コンタクト層を成長させる前に、第２のバッファ層１１２を備えているので、第２のバッファ層１１２の上に成長させる窒化物半導体層の結晶性が良くなり、長寿命の素子を実現できる。好ましくは、第２のバッファ層１１２の上に成長させるｎ側コンタクト層を超格子とすると、横方向の抵抗値が低くなり、閾値電圧・閾値電流の低い素子が実現できる。
【００６７】
なお、本実施形態２のＬＤ素子ではＩｎＧａＮのような、少なくともインジウムを含む窒化物半導体を活性層１６に備える場合には、Ｉｎ_ＸＧａ_１−ＸＮと、Ａｌ_ＹＧａ_１−ＹＮとが交互に積層された超格子層を、活性層１６を挟設する層（ｎ側クラッド層１４及びｐ側クラッド層１９）として用いることが好ましい。これによって、活性層１６と該超格子層とのバンドギャップエネルギー差、屈折率差を大きくできるため、該超格子層をレーザ素子を実現する際に非常に優れた光閉じ込め層として動作させることができる。さらにＩｎＧａＮは結晶の性質が他のＡｌＧａＮのようなＡｌを含む窒化物半導体に比べて柔らかいので、ＩｎＧａＮを活性層とすると、積層した各窒化物半導体層全体にクラックが入りにくくなる。これによって、ＬＤ素子の寿命を長くすることができる。
【００６８】
本実施形態２のように量子井戸構造を有する活性層１６を有するダブルヘテロ構造の半導体素子の場合、その活性層１６に接して、活性層１６よりもバンドギャップエネルギーが大きい膜厚０．１μｍ以下の窒化物半導体よりなるｐ側キャップ層１７、好ましくはＡｌを含む窒化物半導体よりなるｐ側キャップ層１７を設け、そのｐ側キャップ層１７よりも活性層から離れた位置に、ｐ側キャップ層１７よりもバンドギャップエネルギーが小さいｐ側光ガイド層１８を設け、そのｐ側光ガイド層１８よりも活性層から離れた位置に、ｐ側光ガイド層１８よりもバンドギャップが大きい窒化物半導体、好ましくはＡｌを含む窒化物半導体を含む超格子構造を有するｐ側クラッド層１９を設けることは非常に好ましい。しかもｐ側キャップ層１７のバンドギャップエネルギーを大きくしてあるため、ｎ層から注入された電子が、このｐ側キャップ層１７で阻止されて閉じ込められ、電子が活性層をオーバーフローしないために、素子のリーク電流が少なくなる。
【００６９】
以上の実施形態２の窒化物半導体素子では、レーザ素子の構造として好ましい構造を示したが、本発明ではｎ型の超格子層は活性層１６から下のｎ型窒化物半導体層領域（ｎ型層側）に少なくとも１層有していれば良く、またｐ型の超格子層も活性層１６から上のｐ型窒化物半導体層領域（ｐ型層側）に少なくとも１層有していれば良く、素子構成は特に規定するものではない。但し、前記超格子層はｐ層側に形成する場合はキャリア閉じ込め層としてのｐ側クラッド層１９に形成し、ｎ層側に形成する場合はｎ電極２３が接した電流注入層としてのｎコンタクト層１２、またはキャリア閉じ込めとしてのｎクラッド層１４として形成することが素子のＶｆ、閾値を低下させる上で最も好ましい傾向にある。また、実施形態２の素子と同様の構成を、ＬＥＤ素子に適用できることはいうまでもない（ただし、ＬＥＤ素子では、リッジ部は必要ない）。
【００７０】
以上のように構成された実施形態２の窒化物半導体素子では、各層が形成された後、Ｈを含まない雰囲気、例えば、窒素雰囲気中で、４００℃以上、例えば７００℃でアニーリングを行うことが好ましく、これによって、ｐ型窒化物半導体層領域の各層をさらに低抵抗化することができるので、これによって、さらに閾値電圧を低くすることができる。
【００７１】
また、実施形態２の窒化物半導体素子では、ｐ側コンタクト層１２の表面にＮｉとＡｕよりなるｐ電極２１がストライプ状に形成され、このｐ電極２１に対して左右対称にｎ側コンタクト層を露出させて、そのｎ側コンタクト層表面のほぼ全面にｎ電極２３を設けている。このように、絶縁性基板を用いた場合ｐ電極２１の両側に左右対称にｎ電極２３を設ける構造は、閾値電圧を低くする上で非常に有利である。
【００７２】
なお、本実施形態２では、リッジ部（ストライプ状の電極）に垂直な方向で劈開した劈開面（共振器面）にＳｉＯ_２とＴｉＯ_２よりなる誘電体多層膜を形成してもよい。
【００７３】
このように、本発明において、超格子層は、活性層を挟設するｎ型領域又はｐ型領域に形成されるキャリア閉じ込め層としてのクラッド層、活性層の光ガイド層、若しくは電極が接して形成される電流注入層として用いられるため、超格子層を構成する窒化物半導体の平均バンドギャップエネルギーが活性層よりも大きくなるように調整することが望ましい。
【００７４】
【実施例】
以下、実施例において本発明を詳説する。
［実施例１］
本発明に係る実施例１は図２に示す窒化物半導体素子（ＬＤ素子）の作成例であり、以下の手順で作製される。
まず、サファイア（Ｃ面）よりなる基板１０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。
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（ＮＨ_３）とＴＭＧ（トリメチルガリウム）とを用い、基板１０上にＧａＮよりなる第１のバッファ層１１を約２００オングストロームの膜厚で成長させる。
【００７５】
バッファ層１１成長後、ＴＭＧのみ止めて、温度を１０５０℃まで上昇させる。１０５０℃になったら、同じく原料ガスにＴＭＧ、アンモニアガスを用い、キャリア濃度１×１０^１８／cm^３のアンドープＧａＮよりなる第２のバッファ層１１２を５μｍの膜厚で成長させる。第２のバッファ層はＩｎ_ＸＡｌ_ＹＧａ_{１−Ｘ−Ｙ}Ｎ（０≦X、０≦Y、X＋Y≦１）で構成でき、その組成は特に問うものではないが、好ましくはアンドープでＡｌ（Ｙ値）が０．１以下のＡｌ_ＹＧａ_１−ＹＮ、最も好ましくはアンドープのＧａＮとする。
続いて、１０５０℃でＴＭＧ、アンモニア、不純物ガスにシランガス（ＳｉＨ_４）を用い、Ｓｉを１×１０^１９／cm^３ドープしたｎ型ＧａＮよりなるｎ側コンタクト層１２を１μｍの膜厚で成長させる。このｎ側コンタクト層１２は超格子で形成するとさらに好ましい。
【００７６】
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、Ｓｉを５×１０^１８／cm^３ドープしたＩｎ_０．１Ｇａ_０．９Ｎよりなるクラック防止層１３を５００オングストロームの膜厚で成長させる。
そして温度を１０５０℃にして、ＴＭＡ、ＴＭＧ、アンモニア、シランガスを用い、Ｓｉを５×１０^１８／cm^３ドープしたｎ型Ａｌ_０．２Ｇａ_０．８Ｎよりなる第１の層を２０オングストロームの膜厚で成長させ、続いて、ＴＭＡ、シランを止め、アンドープＧａＮよりなる第２の層を２０オングストロームの膜厚で成長させる。そして、この操作をそれぞれ１００回繰り返し、総膜厚０．４μｍの超格子層よりなるｎ側クラッド層１４を成長させる。
【００７７】
続いて、１０５０℃でＳｉを５×１０^１８／cm^３ドープしたｎ型ＧａＮよりなるｎ側光ガイド層１５を０．１μｍの膜厚で成長させる。
次に、ＴＭＧ、ＴＭＩ、アンモニア、シランを用いて活性層１６を成長させる。活性層１６は温度を８００℃に保持して、まずＳｉを８×１０^１８／cm^３でドープしたＩｎ_０．２Ｇａ_０．８Ｎ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８×１０^１８／cm^３ドープしたＩｎ_０．０１Ｇａ_０．９９Ｎ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総膜厚１７５オングストロームの多重量子井戸構造（ＭＱＷ）の活性層１６を成長させる。
【００７８】
次に、温度を１０５０℃に上げ、原料ガスにＴＭＧ、ＴＭＡ、アンモニア、不純物ガスにＣｐ_２Ｍｇ（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く、Ｍｇを１×１０^２０／cm^３ドープしたｐ型Ａｌ_０．３Ｇａ_０．７Ｎよりなるｐ側キャップ層１７を３００オングストロームの膜厚で成長させる。
続いて、１０５０℃で、バンドギャップエネルギーがｐ側キャップ層１７よりも小さい、Ｍｇを１×１０^２０／cm^３ドープしたｐ型ＧａＮよりなるｐ側光ガイド層１８を０．１μｍの膜厚で成長させる。
【００７９】
続いて、ＴＭＡ、ＴＭＧ、アンモニア、Ｃｐ_２Ｍｇを用い、１０５０℃でＭｇを１×１０^２０／cm^３ドープしたｐ型Ａｌ_０．２Ｇａ_０．８Ｎよりなる第１の層を２０オングストロームの膜厚で成長させ、続いてＴＭＡのみを止め、Ｍｇを１×１０^２０／cm^３ドープしたｐ型ＧａＮよりなる第２の層を２０オングストロームの膜厚で成長させる。そしてこの操作をそれぞれ１００回繰り返し、総膜厚０．４μｍの超格子層よりなるｐ側クラッド層１９を形成する。
最後に、１０５０℃で、ｐ側クラッド層１９の上に、Ｍｇを２×１０^２０／cm^３ドープしたｐ型ＧａＮよりなるｐ側コンタクト層２０を１５０オングストロームの膜厚で成長させる。
【００８０】
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。
アニーリング後、ウェーハを反応容器から取り出し、図２に示すように、ＲＩＥ装置により最上層のｐ側コンタクト層２０と、ｐ側クラッド層１９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。
【００８１】
次にリッジ表面にマスクを形成し、図２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側コンタクト層１２の表面を露出させる。
次にｐ側コンタクト層２０のストライプリッジ最表面のほぼ全面にＮｉとＡｕよりなるｐ電極２１を形成する。一方、ＴｉとＡｌよりなるｎ電極２３をストライプ状のｎ側コンタクト層３のほぼ全面に形成する。
【００８２】
次に、図２に示すようにｐ電極２１と、ｎ電極２３との間に露出した窒化物半導体層の表面にＳｉＯ_２よりなる絶縁膜２５を形成し、この絶縁膜２５を介してｐ電極２１と電気的に接続したｐパッド電極２２、及びｎパッド電極２４を形成する。
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。
【００８３】
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。共振器面にＳｉＯ_２とＴｉＯ_２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２．９ｋＡ／cm^２、閾値電圧４．４Ｖで、発振波長４０５ｎｍの連続発振が確認され、５０時間以上の寿命を示した。
【００８４】
（比較例１）
一方、第２のバッファ層１１２を成長させず、さらにｎ側コンタクト層１２をＳｉを１×１０^１９／cm^３ドープしたｎ型ＧａＮ単一で５μｍ成長させ、ｎ側クラッド層１４をＳｉを１×１０^１９／cm^３ドープしたｎ型Ａｌ_０．２Ｇａ_０．８Ｎ単一で０．４μｍ成長させ、ｐ側クラッド層１９をＭｇを１×１０^２０／m^３ドープしたｐ型Ａｌ_０．２Ｇａ_０．８Ｎ単一で０．４μｍ成長させ、さらにｐ側コンタクト層２０をＭｇを２×１０^２０／cm^３ドープした単一のｐ型ＧａＮを０．２μｍ成長させる他は実施例１と同様にしてレーザ素子を得た。つまり基本構成として、表１に示すように構成する。
【００８５】
【表１】

【００８６】
このように構成した比較例のレーザ素子は、閾値電流密度７ｋＡ／cm^２で連続発振が確認されたが、閾値電圧は８．０Ｖ以上あり、数分で切れてしまった。
【００８７】
［実施例２］
実施例１において、ｎ側コンタクト層１２を、Ｓｉを２×１０^１９／cm^３ドープしたｎ型Ａｌ_０．０５Ｇａ_０．９５Ｎよりなる第１の層を３０オングストロームの膜厚で成長させ、続いて、アンドープのＧａＮよりなる第２の層を３０オングストロームの膜厚で成長させて、これを繰り返し、総膜厚１．２μｍの超格子構造とする。それ以外の構造は実施例１と同様の構造を有するレーザ素子としたところ、閾値電流密度２．７ｋＡ／cm^２、閾値電圧４．２Ｖで、寿命も６０時間以上を示した。
【００８８】
［実施例３］
実施例２において、ｎ側コンタクト層１２を構成する超格子において、第２の層をＳｉを１×１０^１８／cm^３ドープしたＧａＮとする他は、実施例２と同様の構造を有するレーザ素子を作製したところ、実施例２とほぼ同等の特性を有するレーザ素子が得られた。
【００８９】
［実施例４］
実施例１において、第２のバッファ層１１２を、Ｓｉを１×１０^１７／cm^３ドープしたＧａＮとして、４μｍ成長させる他は、実施例１と同様の構造を有するレーザ素子を作製したところ、閾値電流密度２．９ｋＡ／cm^２、閾値電圧４．５Ｖに上昇したが、寿命は５０時間以上を示した。
【００９０】
［実施例５］
実施例１において、ｎ側コンタクト層１２を、Ｓｉを２×１０^１９／cm^３ドープしたｎ型Ａｌ_０．２Ｇａ_０．８Ｎよりなる第１の層を６０オングストロームの膜厚で成長させ、続いて、Ｓｉを１×１０^１９／cm^３ドープしたＧａＮよりなる第２の層を４０オングストロームの膜厚で成長させて、順次これを繰り返し、総膜厚２μｍの超格子構造とする。そして、ｎ側クラッド層１４をＳｉを１×１０^１９／cm^３ドープしたｎ型Ａｌ_０．２Ｇａ_０．８Ｎ単一で０．４μｍ成長させる。それ以外の構造は実施例１と同様の構造を有するレーザ素子としたところ、閾値電流密度３．２ｋＡ／cm^２、閾値電圧４．８Ｖで、寿命も３０時間以上を示した。
【００９１】
［実施例６］
実施例６は、実施例１と比較して、以下の（１）、（２）が異なる他は、実施例１と同様に構成される。
（１）バッファ層１１成長後、ＴＭＧのみ止めて、温度を１０５０℃まで上昇させる。１０５０℃になったら、原料ガスにＴＭＡ、ＴＭＧ、アンモニア、シランを用い、Ｓｉを１×１０^１９／cm^３ドープしたｎ型Ａｌ_０．２Ｇａ_０．８Ｎよりなる第１の層を６０オングストロームの膜厚で成長させ、続いて、シラン、ＴＭＡを止めアンドープのＧａＮよりなる第２の層を４０オングストロームの膜厚で成長させる。そして第１層＋第２層＋第１層＋第２層＋・・・というように超格子層を構成し、それぞれ第１の層を５００層、第２の層を５００層交互に積層し、総膜厚５μｍの超格子よりなるｎ側コンタクト層１２を形成する。
（２）次に、実施例１と同様にして、Ｓｉを５×１０^１８／cm^３ドープしたＩｎ_０．１Ｇａ_０．９Ｎよりなるクラック防止層１３を５００オングストロームの膜厚で成長させる。
そして、温度を１０５０℃にして、ＴＭＡ、ＴＭＧ、アンモニア、シランを用い、Ｓｉを５×１０^１８／cm^３ドープしたｎ型Ａｌ_０．２Ｇａ_０．８Ｎよりなるｎ側クラッド層１４を０．５μｍの膜厚で成長させる。
後の、ｎ側クラッド層１４から上は、実施例１のレーザ素子と同様の構造を有するレーザ素子とする。つまり表１の基本構造において、ｎ側コンタクト層１２、及びｐ側クラッド層１９を超格子とし、ｐ側コンタクト層２０の膜厚を実施例１のように１５０オングストロームとするレーザ素子を作製する。このレーザ素子は閾値電流密度３．２ｋＡ／cm^２、閾値電圧４．８Ｖで、４０５ｎｍの連続発振が確認され、寿命も３０時間以上を示した。
【００９２】
さらに、実施例６の構造のＬＤ素子のｐ側コンタクト層の膜厚を順次変更した際、そのｐ側コンタクト層の膜厚と、ＬＤ素子の閾値電圧との関係を図３に示す。これはｐ側コンタクト層が、左から順にＡ（１０オングストローム以下）、Ｂ（１０オングストローム）、Ｃ（３０オングストローム）、Ｄ（１５０オングストローム、本実施例）、Ｅ（５００オングストローム）、Ｆ（０．２μｍ）、Ｇ（０．５μｍ）、Ｈ（０．８μｍ）の場合の閾値電圧を示している。この図に示すように、ｐ側コンタクト層の膜厚が５００オングストロームを超えると閾値電圧が次第に上昇する傾向にある。ｐ側コンタクト層２０の膜厚は５００オングストローム以下、さらに好ましくは３００オングストローム以下であることが望ましい。なお１０オングストローム以下（およそ１原子層、２原子層近く）になると、下部のｐ側クラッド層１９の表面が露出してくるため、ｐ電極のコンタクト抵抗が悪くなり、閾値電圧は上昇する傾向にある。しかしながら、本発明のＬＤ素子では超格子層を有しているために、閾値電圧が比較例のものに比べて大幅に低下している。
【００９３】
（比較例２）
表１の構成のレーザ素子において、ｎ側クラッド層１４をＳｉを１×１０^１９／cm^３ドープしたｎ型Ａｌ_０．２Ｇａ_０．８Ｎよりなる第１の層を１８０オングストロームの膜厚で成長させ、続いてアンドープのＧａＮよりなる第２の層を１２０オングストロームの膜厚で成長させ、総膜厚０．６μｍの多層膜とする。つまり第１の層と第２の層の膜厚を厚くした構造で構成してレーザ素子を作製したところ、閾値電流密度６．５ｋＡ／cm^２で連続発振が確認され、閾値電圧が７．５Ｖであった。なおこのレーザ素子は数分で切れてしまった。
【００９４】
［実施例７］
実施例６において、ｐ側クラッド層１９をＭｇを１×１０^２０／cm^３ドープしたＡｌ_０．２Ｇａ_０．８Ｎ、６０オングストロームよりなる第１の層と、Ｍｇを１×１０^２０／cm^３ドープしたｐ型ＧａＮ、４０オングストロームよりなる第２の層とを積層した総膜厚０．５μｍの超格子構造とする他は実施例６と同様のレーザ素子を作製する。つまり、実施例６のｐ側クラッド層１９を構成する超格子層の膜厚を変える他は同様にしてレーザ素子を作製したところ、閾値電圧が実施例６のレーザ素子に比較して若干上昇する傾向にあったが、２０時間以上の寿命を示した。
【００９５】
［実施例８］
実施例７において、さらにｎ側クラッド層１４をＳｉを１×１０^１９／cm^３ドープしたｎ型Ａｌ_０．２Ｇａ_０．８Ｎ、６０オングストロームよりなる第１の層と、Ｓｉを１×１０^１９／cm^３ドープしたｎ型ＧａＮ、４０オングストロームよりなる第２の層とを積層した総膜厚０．５μｍの超格子構造とする他は実施例７と同様のレーザ素子を作製する。つまり、実施例６のｎ側コンタクト層１２、ｐ側クラッド層１９に加えてｎ側クラッド層を超格子としたレーザ素子は、実施例６とほぼ同等の特性を有していた。
【００９６】
［実施例９］
実施例１において、第２のバッファ層１１２を成長させずに、表１に示すように、第１のバッファ層１１の上に、直接ｎ側コンタクト層１２としてＳｉを１×１０^１９／cm^３ドープしたｎ型ＧａＮ層を５μｍ成長させる。その他は、実施例１と同様の構造を有するレーザ素子とする。つまり、表１の基本構造において、ｎ側クラッド層１４を２０オングストロームのＳｉ（１×１０^１９／cm^３）ドープｎ型Ａｌ_０．２Ｇａ_０．８Ｎよりなる第１の層と、２０オングストロームのアンドープＧａＮよりなる第２の層とを積層してなる総膜厚０．４μｍの超格子構造とする。さらにｐ側クラッド層１９を２０オングストロームのＭｇ（１×１０^２０／cm^３）ドープｐ型Ａｌ_０．２Ｇａ_０．８Ｎよりなる第１の層と、２０オングストロームのＭｇ（１×１０^２０／cm^３）ドープｐ型ＧａＮよりなる第２の層とを積層してなる総膜厚０．４μｍの超格子構造とする。さらにまたｐ側コンタクト層２０を実施例１のように１５０オングストロームのＭｇ（２×１０^２０／cm^３）ドープｐ型ＧａＮとしたところ、閾値電流密度３．３ｋＡ／cm^２で、４０５ｎｍの連続発振が確認され、閾値電圧は５．０Ｖ、寿命も３０時間以上を示した。
【００９７】
［実施例１０］
実施例９において、ｎ側クラッド層１４の超格子を構成する第２の層を、Ｓｉを１×１０^１７／cm^３ドープしたＧａＮとする他は、実施例９と同様のレーザ素子を作製する。つまりバンドギャップエネルギーの大きい方の層に、Ｓｉを多くドープする他は、実施例９と同様にして作製したレーザ素子は、実施例９とほぼ同等の特性を示した。
【００９８】
［実施例１１］
実施例９において、ｎ側クラッド層１４を構成する第２の層を、Ｓｉを１×１０^１９／cm^３ドープしたｎ型Ｉｎ_０．０１Ｇａ_０．９９Ｎとする他は同様にしてレーザ素子を作製する。つまりｎ側クラッド層１４の超格子を構成する第２の層の組成をＩｎＧａＮとし、第１の層と第２の層との不純物濃度を同じにする他は、実施例９と同様にして作製したレーザ素子は、実施例９とほぼ同等の特性を示した。
【００９９】
［実施例１２］
実施例９において、ｎ側クラッド層１４を構成する第１の層（Ｓｉ：１×１０^１９／cm^３ドープＡｌ_０．２Ｇａ_０．８Ｎ）の膜厚を６０オングストロームとし、第２の層をＳｉを１×１０^１９／cm^３ドープした４０オングストロームのＧａＮとし、総膜厚０．５μｍの超格子構造とする。さらにｐ側クラッド層１９を構成する第１の層（Ｍｇ：１×１０^２０／cm^３ドープＡｌ_０．２Ｇａ_０．８Ｎ）の膜厚を６０オングストロームとし、第２の層（Ｍｇ：１×１０^２０／cm^３ドープ：ＧａＮ）の膜厚を４０オングストロームとし、総膜厚０．５μｍの超格子構造とする。つまりｎ側クラッド層１４を構成する第１の層と第２の層のドープ量を同じにして、膜厚を変化させ、ｐ側クラッド層１９を構成する第１の層と第２の層との膜厚を変化させる他は、実施例９と同様にしてレーザ素子を作製したところ、閾値電流密度３．４ｋＡ／cm^２で、４０５ｎｍの連続発振が確認され、閾値電圧は５．２Ｖ、寿命も２０時間以上を示した。
【０１００】
［実施例１３］
実施例１１において、ｎ側クラッド層１４を構成する第２の層（ＧａＮ）のＳｉ濃度を１×１０^１７／cm^３とする他は実施例１１と同様の構造を有するレーザ素子を作製したところ、実施例１１とほぼ同等の特性を有するレーザ素子が作製できた。
【０１０１】
［実施例１４］
実施例１１において、ｎ側クラッド層１４を構成する第２の層（ＧａＮ）をアンドープとする他は実施例１１と同様の構造を有するレーザ素子を作製したところ、実施例１１とほぼ同等の特性を有するレーザ素子が作製できた。
【０１０２】
［実施例１５］
実施例９において、ｎ側クラッド層１４をＳｉを１×１０^１９／cm^３ドープしたｎ型Ａｌ_０．２Ｇａ_０．８Ｎ単一で０．４μｍ成長させる他は同様にしてレーザ素子を作製する。つまり、表１の基本構造において、ｐ側クラッド層１９のみを実施例１のようにＭｇを１×１０^２０／cm^３ドープしたｐ型Ａｌ_０．２Ｇａ_０．８Ｎよりなる第１の層、２０オングストロームと、Ｍｇを１×１０^１９／cm^３ドープしたｐ型ＧａＮよりなる第２の層２０オングストロームとからなる総膜厚０．４μｍの超格子構造とし、さらに、ｐ側コンタクト層２０を実施例１のように１５０オングストロームのＭｇ（２×１０^２０／cm^３）ドープｐ型ＧａＮとしたところ、同じく閾値電流密度３．４ｋＡ／cm^２で、４０５ｎｍの連続発振が確認され、閾値電圧は５．１Ｖ、寿命は２０時間以上を示した。
【０１０３】
［実施例１６］
実施例１５において、ｐ側クラッド層１９を構成する超格子層の膜厚を第１の層（Ａｌ_０．２Ｇａ_０．８Ｎ）を６０オングストロームとし、第２の層（ＧａＮ）を４０オングストロームとして積層し、総膜厚０．５μｍとする他は実施例１４と同様のレーザ素子を得たところ、閾値電圧は若干上昇する傾向にあったが、寿命は２０時間以上あった。
【０１０４】
［実施例１７］
実施例９において、ｐ側クラッド層１９をＭｇを１×１０^２０／cm^３ドープしたｐ型Ａｌ_０．２Ｇａ_０．８Ｎ単一で０．４μｍ成長させる他は同様にしてレーザ素子を作製する。つまり、表１の基本構造において、ｎ側クラッド層１４のみを実施例１のようにＳｉを１×１０^１９／cm^３ドープしたｎ型Ａｌ_０．２Ｇａ_０．８Ｎよりなる第１の層、２０オングストロームと、アンドープのＧａＮよりなる第２の層２０オングストロームとからなる総膜厚０．４μｍの超格子構造とし、さらに、ｐ側コンタクト層２０を実施例１のように１５０オングストロームのＭｇ（２×１０^２０／cm^３）ドープｐ型ＧａＮとしたところ、同じく閾値電流密度３．５ｋＡ／cm^２で、４０５ｎｍの連続発振が確認され、閾値電圧は５．４Ｖ、寿命は１０時間以上を示した。
【０１０５】
［実施例１８］
実施例１７において、ｎ側クラッド層１４を構成する超格子層の膜厚を第１の層（Ａｌ_０．２Ｇａ_０．８Ｎ）を７０オングストロームとし、第２の層をＳｉを１×１０^１９／cm^３ドープしたＩｎ_０．０１Ｇａ_０．９９Ｎ、７０オングストロームとして積層し、総膜厚０．４９μｍとする他は実施例１７と同様のレーザ素子を得たところ、実施例１６に比べて閾値電圧が若干上昇する傾向にあったが、同じく１０時間以上の寿命を有するレーザ素子が得られた。
【０１０６】
［実施例１９］
実施例１７において、ｎ側クラッド層１４を構成する超格子層の膜厚を第１の層（Ａｌ_０．２Ｇａ_０．８Ｎ）を６０オングストロームとし、第２の層（アンドープＧａＮ）を４０オングストロームとして積層し、総膜厚０．５μｍとする他は実施例１６と同様のレーザ素子を得たところ、実施例１７に比べて閾値電圧が若干上昇する傾向にあったが、同じく１０時間以上の寿命を有するレーザ素子が得られた。
【０１０７】
［実施例２０］
実施例９において、さらにｎ側光ガイド層１５をアンドープのＧａＮよりなる第１の層、２０オングストロームと、アンドープのＩｎ_０．１Ｇａ_０．９Ｎよりなる第２の層、２０とを積層してなる総膜厚８００オングストロームの超格子層とする。それに加えて、ｐ側光ガイド層１８もアンドープのＧａＮよりなる第１の層、２０オングストロームと、アンドープのＩｎ_０．１Ｇａ_０．９Ｎよりなる第２の層、２０オングストロームとを積層してなる総膜厚８００オングストロームの超格子構造とする。つまり、表１の基本構造において、ｎ側クラッド層１４、ｎ側光ガイド層１５、ｐ側光ガイド層１８、及びｐ側クラッド層１９とを超格子構造とし、さらにまたｐ側コンタクト層２０を実施例１のように１５０オングストロームのＭｇ（２×１０^２０／cm^３）ドープｐ型ＧａＮとしたところ、閾値電流密度２．９ｋＡ／cm^２で、４０５ｎｍの連続発振が確認され、閾値電圧は４．４Ｖ、寿命も６０時間以上を示した。
【０１０８】
［実施例２１］
本実施例は図１のＬＥＤ素子を元に説明する。実施例１と同様にしてサファイアよりなる基板１の上にＧａＮよりなるバッファ層２を２００オングストロームの膜厚で成長させ、次いでＳｉを１×１０^１９／cm^３ドープしたｎ型ＧａＮよりなるコンタクト層を５μｍの膜厚で成長させ、次にＩｎ_０．４Ｇａ_０．６Ｎよりなる膜厚３０オングストロームの単一量子井戸構造よりなる活性層４を成長させる。
【０１０９】
（ｐ側超格子層）
次に、実施例１と同様にして、Ｍｇを１×１０^２０／cm^３ドープしたｐ型Ａｌ_０．２Ｇａ_０．８Ｎよりなる第１の層を２０オングストロームの膜厚で成長させ、続いてＭｇを１×１０^１９／cm^３ドープしたｐ型ＧａＮよりなる第２の層を２０オングストロームの膜厚で成長させ、総膜厚０．４μｍの超格子よりなるｐ側クラッド層５を成長させる。このｐ側クラッド層４の膜厚も特に限定しないが、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が望ましい。
【０１１０】
次にこのｐ側クラッド層５の上にＭｇを１×１０^２０／cm^３ドープしたｐ型ＧａＮ層を０．５μｍの膜厚で成長させる。成長後、ウェーハを反応容器から取り出し実施例１と同様にして、アニーリングを行った後、ｐ側コンタクト層６側からエッチングを行いｎ電極９を形成すべきｎ側コンタクト層３の表面を露出させる。最上層のｐ側コンタクト層６のほぼ全面に膜厚２００オングストロームのＮｉ−Ａｕよりなる透光性のｐ電極７を形成し、その全面電極７の上にＡｕよりなるｐパッド電極８を形成する。露出したｎ側コンタクト層の表面にもＴｉ−Ａｌよりなるｎ電極９を形成する。
【０１１１】
以上のようにして電極を形成したウェーハを３５０μｍ角のチップに分離してＬＥＤ素子としたところ、Ｉｆ２０ｍＡにおいて５２０ｎｍの緑色発光を示し、Ｖｆは３．２Ｖであった。これに対し、ｐ側クラッド層５を単一のＭｇドープＡｌ_０．２Ｇａ_０．８Ｎで構成したＬＥＤ素子のＶｆは３．４Ｖであった。さらに静電耐圧は本実施例の方が２倍以上の静電耐圧を有していた。
【０１１２】
［実施例２２］
実施例２１において、ｐ側クラッド層５を構成する超格子層を、第１の層の膜厚を５０オングストロームとし、第２の層をＭｇを１×１０^２０／cm^３ドープしたＧａＮ、５０オングストロームとして、それぞれ２５層積層し、総膜厚０．２５μｍの超格子とする他は同様にしてＬＥＤ素子を作成したところ、実施例２１とほぼ同等の特性を有するＬＥＤ素子が得られた。
【０１１３】
［実施例２３］
実施例２１において、ｐ側クラッド層５を構成する超格子層の厚さを、第１の層１００オングストローム、第２の層を７０オングストロームの膜厚として、総膜厚０．２５μｍの超格子とする他は同様にしてＬＥＤ素子を作成したところ、Ｖｆは３．４Ｖであったが、静電耐圧は従来のものよりも２０％以上優れていた。
【０１１４】
［実施例２４］
実施例２１において、ｎ側コンタクト層３を成長させる際、Ｓｉを２×１０^１９／cm^３ドープしたｎ型Ａｌ_０．２Ｇａ_０．８Ｎよりなる第１の層を６０オングストローム、アンドープのＧａＮよりなる第２の層を４０オングストロームの膜厚で成長させ、それぞれ第１の層を５００層、第２の層を５００層交互に積層し、総膜厚５μｍの超格子とする。その他は実施例１２と同様にしてＬＥＤ素子を作製したところ、同じくＩｆ２０ｍＡにおいて、Ｖｆは３．１Ｖに低下し、静電耐圧は従来に比較比較して２．５倍以上に向上した。
【０１１５】
［実施例２５］
実施例２３において、ｐ側クラッド層５を構成する超格子の第１の層（Ａｌ_０．２Ｇａ_０．８Ｎ）の膜厚を６０オングストロームとし、第２の層の膜厚を４０オングストロームとして、それぞれ２５層交互に積層して、総膜厚０．３μｍとする他は同様の構造を有するＬＥＤ素子を作製したところ、Ｖｆは３．２Ｖで、静電耐圧は従来の２倍以上であった。
【０１１６】
［実施例２６］
本実施例は図４に示すレーザ素子を基に説明する。図４も、図２と同様にレーザ光の共振方向に垂直な方向で素子を切断した際の断面図であるが、図２と異なるところは、基板１０にＧａＮよりなる基板１０１を用いているところと、第２のバッファ層１１２を成長させずに、ｎ型不純物をドープした第３のバッファ層１１３を成長させているところにある。この図４に示すレーザ素子は以下の方法によって得られる。
【０１１７】
まずサファイア基板上にＭＯＶＰＥ法、若しくはＨＶＰＥ法を用いて、Ｓｉを５×１０^１８／cm^３ドープしたＧａＮ層を厚さ３００μｍで成長させた後、サファイア基板を除去して厚さ３００μｍのＳｉドープＧａＮ基板１０１を作製する。ＧａＮ基板１０１は、このように窒化物半導体と異なる基板の上に、例えば１００μｍ以上の膜厚で成長させた後、その異種基板を除去することによって得られる。ＧａＮ基板１０１はアンドープでも良いし、またｎ型不純物をドープして作製しても良い。ｎ型不純物をドープする場合には通常１×１０^１７／cm^３〜１×１０^１９／cm^３の範囲で不純物をドープすると結晶性の良いＧａＮ基板が得られる。
【０１１８】
ＧａＮ基板１０１作製後、温度を１０５０℃にして、Ｓｉを３×１０^１８／cm^３ドープしたｎ型ＧａＮよりなる第３のバッファ層１１３を３μｍの膜厚で成長させる。なお第３のバッファ層１１３は図１、図２においてｎ側コンタクト層１４に相当する層であるが、電極を形成する層ではないので、ここではコンタクト層とは言わず、第３のバッファ層１１３という。なおＧａＮ基板１０１と第３のバッファ層１１３との間に、実施例１と同様にして低温で成長させる第１のバッファ層を成長させても良いが、第１のバッファ層を成長させる場合には、３００オングストローム以下にすることが望ましい。
【０１１９】
次に第３のバッファ層１１３の上に、実施例１と同様にＳｉを５×１０^１８／cm^３ドープしたＩｎ_０．１Ｇａ_０．９Ｎよりなるクラック防止層１３を５００オングストロームの膜厚で成長させる。
次に、Ｓｉを５×１０^１８／cm^３ドープしたｎ型Ａｌ_０．２Ｇａ_０．８Ｎよりなる第１の層、２０オングストロームと、Ｓｉを５×１０^１８／cm^３ドープしたＧａＮよりなる第２の層２０オングストロームとを１００回交互に積層した、総膜厚０．４μｍの超格子層よりなるｎ側クラッド層１４を成長させる。
次に実施例１と同様に、Ｓｉを５×１０^１８／cm^３ドープしたｎ型ＧａＮよりなるｎ側光ガイド層１５を０．１μｍの膜厚で成長させる。
【０１２０】
次に、アンドープＩｎ_０．２Ｇａ_０．８Ｎよりなる井戸層、２５オングストロームと、アンドープＧａＮよりなる障壁層５０オングストロームとを成長させ、交互に２回繰り返し、最後に井戸層を積層した総膜厚１７５オングストロームの多重量子井戸構造（ＭＱＷ）の活性層１６を成長させる。
【０１２１】
次に、実施例１と同様に、Ｍｇを１×１０^２０／cm^３ドープしたｐ型Ａｌ_０． _３Ｇａ_０．７Ｎよりなるｐ側キャップ層１７を３００オングストロームの膜厚で成長させ、Ｍｇを１×１０^２０／cm^３ドープしたｐ型ＧａＮよりなるｐ側光ガイド層１８を０．１μｍの膜厚で成長させる。
【０１２２】
次に実施例１と同様にして、Ｍｇを１×１０^２０／cm^３ドープしたｐ型Ａｌ_０．２Ｇａ_０．８Ｎよりなる第１の層、２０オングストロームと、Ｍｇを１×１０^２０／cm^３ドープしたｐ型ＧａＮよりなる第２の層、２０オングストロームよりなる、総膜厚０．４μｍの超格子層よりなるｐ側クラッド層１９を形成し、最後に、ｐ側クラッド層１９の上に、Ｍｇを２×１０^２０／cm^３ドープしたｐ型ＧａＮよりなるｐ側コンタクト層２０を１５０オングストロームの膜厚で成長させる。
【０１２３】
反応終了後、７００℃でアニーリングした後、実施例１と同様に、ＲＩＥ装置により最上層のｐ側コンタクト層２０と、ｐ側クラッド層１９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。
【０１２４】
次に、実施例１と同じくｐ側コンタクト層２０のストライプリッジ最表面のほぼ全面にＮｉとＡｕよりなるｐ電極２１を形成し、ＧａＮ基板１０１の裏面のほぼ全面に、ＴｉとＡｌよりなるｎ電極２３を形成する。
【０１２５】
次に、図４に示すようにｐ電極２１の面積を除く、ｐ側クラッド層１９のＳｉＯ_２よりなる絶縁膜２５を形成し、この絶縁膜２５を介して、ｐ電極２１と電気的に接続したｐパッド電極２２を形成する。
【０１２６】
電極形成後、ｐ電極２１に垂直な方向でＧａＮ基板１０１をバー状に劈開し、劈開面に共振器を作製する。なおＧａＮ基板の劈開面はＭ面とする。劈開面にＳｉＯ_２とＴｉＯ_２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、バーを切断して図４に示す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、ｐパッド電極２２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２．５ｋＡ／cm^２、閾値電圧４．０Ｖで、発振波長４０５ｎｍの連続発振が確認され、５００時間以上の寿命を示した。これは基板にＧａＮを使用したことにより、結晶欠陥の広がりが少なくなったことによる。
【０１２７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係る窒化物半導体素子は、活性層以外のｐ型窒化物半導体領域又はｎ型窒化物半導体領域において、超格子層を用いて構成しているので、電力効率を極めて良くすることができる。
すなわち、従来の窒化物半導体素子では、活性層を多重量子井戸構造とすることは提案されていたが、活性層を挟む、例えばクラッド層等は単一の窒化物半導体層で構成されているのが通常であった。しかし、本発明の窒化物半導体素子では量子効果が出現するような層を有する超格子層をクラッド層、若しくは電流を注入するコンタクト層として設けているため、クラッド層側の抵抗率を低くすることができる。これによって、例えばＬＤ素子の閾値電流、閾値電圧を低くでき、該素子を長寿命とすることができる。さらに従来のＬＥＤは静電気に弱かったが、本発明では静電耐圧に強い素子を実現できる。このようにＶｆ、閾値電圧が低くできるので、発熱量も少なくなり、該素子の信頼性も向上させることができる。本発明の窒化物半導体素子によれば、ＬＥＤ、ＬＤ等の発光素子はもちろんのこと、窒化物半導体を用いた太陽電池、光センサー、トランジスタ等に利用すると非常の効率の高いデバイスを実現することが可能となりその産業上の利用価値は非常に大きい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る実施形態１の窒化物半導体素子（ＬＥＤ素子）の構成を示す模式断面図である。
【図２】本発明に係る実施形態２の窒化物半導体素子（ＬＤ素子）の構成を示す模式断面図である。
【図３】本発明に係る実施例１のＬＤ素子におけるｐ側コンタクト層の膜厚と、閾値電圧との関係を示すグラフである。
【図４】本発明に係る実施例２６のＬＤ素子の模式断面図である。
【符号の説明】
１、１０・・・・基板、
２、１１・・・・バッファ層、
３、１２・・・・ｎ側コンタクト層、
１３・・・・クラック防止層、
１４・・・・ｎ側クラッド層（超格子層）、
１５・・・・ｎ側光ガイド層、
４、１６・・・・活性層、
１７・・・・キャップ層、
１８・・・・ｐ側光ガイド層、
５、１９・・・・ｐ側クラッド層（超格子層）、
６、２０・・・・ｐ側コンタクト層、
７、２１・・・・ｐ電極、
８、２２・・・・ｐパッド電極、
９、２３・・・・ｎ電極、
２４・・・・ｎパッド電極、
２５・・・・絶縁膜、
１０１・・・・ＧａＮ基板、
１１２・・・・第２のバッファ層、
１１３・・・・第３のバッファ層。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to nitride semiconductors (In) used in light emitting elements such as LEDs (light emitting diodes) and LD (laser diodes), light receiving elements such as solar cells and optical sensors, or electronic devices such as transistors._XAl_YGa_1-XYN, 0 ≦ X, 0 ≦ Y, X + Y ≦ 1). In addition, the general formula In used in this specification_XGa_1-XN, Al_YGa_1-YN or the like simply indicates the composition formula of the nitride semiconductor layer, and even if different layers are indicated by the same general formula, for example, the X value and the Y value of those layers are shown to be the same. It is not a thing.
[0002]
[Prior art]
Nitride semiconductors have just been put into practical use recently as full-color LED displays, traffic signals, and the like as materials for high-intensity blue LEDs and pure green LEDs. The LED used for these various devices has an active layer made of InGaN having a single quantum well structure (SQW) between an n-type nitride semiconductor layer and a p-type nitride semiconductor layer. It has a double heterostructure sandwiched between them. The wavelengths such as blue and green are determined by increasing or decreasing the In composition ratio of the InGaN active layer.
[0003]
Further, the present applicant recently announced the world's first 410 nm laser oscillation at room temperature under a pulse current using this material (for example, Jpn.J.Appl.Phys.Vol35 (1996) pp.L74-76). ). This laser element has a threshold current of 610 mA and a threshold current density of 8.7 kA / cm under the conditions of a pulse width of 2 μs and a pulse period of 2 ms.², 410 nm oscillation. Furthermore, an improved laser device with a low threshold current was published in Appl. Phys. Lett., Vol. 69, No. 10, 2 Sep. 1996, p.1477-1479. This laser device has a structure in which a ridge stripe is formed in a part of a p-type nitride semiconductor layer, and has a pulse width of 1 μs, a pulse period of 1 ms, a duty ratio of 0.1%, a threshold current of 187 mA, and a threshold current. Density 3kA / cm², 410 nm oscillation.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
Blue and green LEDs made of a nitride semiconductor have a forward current (If) of 20 mA and a forward voltage (Vf) of 3.4 V to 3.6 V, which is 2 V higher than a red LED made of a GaAlAs semiconductor. Further reduction of Vf is desired. In addition, the current and voltage at the threshold are still high in the LD, and in order to continuously oscillate at room temperature, it is necessary to realize an element with higher power efficiency that lowers the threshold current and voltage.
[0005]
Therefore, the object of the present invention is to realize continuous oscillation by lowering the current and voltage at the threshold value of the LD element mainly made of a nitride semiconductor, and to reduce Vf in the LED element and to have high reliability. The object is to realize a nitride semiconductor device having excellent power efficiency.
[0006]
[Means for Solving the Problems]
As a result of intensive studies to improve the p-type layer and / or the n-type layer sandwiching the active layer in the nitride semiconductor element, the present inventors have found that the p-type layer and / or the n-type layer excluding the active layer The present inventors have newly found that the use of a superlattice layer can improve the crystallinity of the layer using the superlattice layer and solve the above problems.
[0007]
  That is, the first nitride semiconductor device according to the present invention isAn active layer provided on the C surface of the sapphire substrate or on the GaN substrate via the n-type nitride semiconductor layer region;A p-side light guide layer, a p-side cladding layer, and a p-side contact layer are stacked.Provided on the active layerA p-type nitride semiconductor layer region, comprising:
  The p-side cladding layer ishaving a position farther from the active layer than the p-side light guide layer,Having a thickness of 10 mm or more and 100 mm or less,In _X Ga _1-X N (0 ≦ X <1)A first layer made of a nitride semiconductor, having a composition different from that of the first layer and having a thickness of 10 to 100 mm,Al _Y Ga _1-Y N (0 <Y <1)A superlattice layer laminated with a second layer made of a nitride semiconductor;
  The concentration of p-type impurities doped in the first layer and the second layer is different from each other, and the impurity concentration of the second layer is increased.It is characterized by that.
  As a result, the resistance value of the p-type nitride semiconductor layer made of the superlattice layer can be made extremely low, so that the power efficiency of the nitride semiconductor device can be increased.
  In the first nitride semiconductor device according to the present invention, the superlattice layer has a composition different from that of the first layer made of a nitride semiconductor having a thickness of 100 mm or less and the first layer, and has a composition of 100 mm or less. Since the second layer made of a nitride semiconductor having a thickness of 1 is laminated, the crystallinity of the superlattice layer can be improved.
  The effect of lowering the threshold current and voltage by applying the superlattice structure to the p-type cladding layer is great, and in the present invention, the threshold current and voltage can be significantly reduced.
[0008]
  Also, the first nitride semiconductor device of the present inventionIn this case, the film thicknesses of the first layer and the second layer are 70 mm or less as described above.It is preferable.
[0009]
  The second nitride semiconductor device according to the present invention isAn active layer provided on the C surface of the sapphire substrate or on the GaN substrate via the n-type nitride semiconductor layer region;A p-side light guide layer, a p-side cladding layer, and a p-side contact layer are stacked.Provided on the active layerA p-type nitride semiconductor layer region, comprising:
  The n-type nitride semiconductor layer region has a thickness of 10 to 100 mm; _X Ga _1-X A first layer made of a nitride semiconductor represented by N (0 ≦ X <1), a composition different from that of the first layer, and a film thickness of 10 to 100 mm; _Y Ga _1-Y Including a superlattice layer laminated with a second layer made of a nitride semiconductor represented by N (0 <Y <1), and the p-side cladding layer has a thickness of 10 to 100 mm. And In _X Ga _1-X A third layer made of a nitride semiconductor represented by N (0 ≦ X <1), a composition different from that of the third layer, and a film thickness of 10 to 100 mm; _Y Ga _1-Y A superlattice layer in which a fourth layer made of a nitride semiconductor represented by N (0 <Y <1) is stacked;
The concentration of the p-type impurity doped in the third layer and the fourth layer is different from each other, and the impurity concentration of the fourth layer is increased.It is characterized by that.
[0010]
  In the second nitride semiconductor device of the present invention,The film thickness of the third layer and the fourth layer is 70 mm or less as described above.It is preferable.
[0011]
  Furthermore, in the second nitride semiconductor device of the present invention,The superlattice layer formed in the n-type nitride semiconductor region may be an n-side cladding layer.
[0012]
  Furthermore, the first and second nitride semiconductor elements each have a p-side cap layer made of a nitride semiconductor containing Al in contact with the active layer, and separated from the active layer more than the p-side cap layer. It is preferable to provide a p-side light guide layer having a band gap energy smaller than that of the p-side cap layer.
[0013]
  In the first and second nitride semiconductor elements, it is preferable that the thickness of the p-side contact layer for forming the p-electrode is set to 500 mm or less. Thus, by forming the p-side contact layer thin, the resistance value in the thickness direction of the p-side contact layer can be lowered.
[0014]
  In the first and second nitride semiconductor elements, it is more preferable that the thickness of the p-side contact layer is set to 300 mm or less. The lower limit of the thickness of the p-side contact layer is preferably set to 10 mm or more so as not to expose the semiconductor layer under the p-type contact layer.
[0015]
  In the first and second nitride semiconductor elements, the p-side light guide layer may be a superlattice layer in which two layers having different compositions are stacked, and 2 of the p-side light guide layer. The two layers may have different p-type impurity concentrations.
Further, in the two layers of the p-side light guide layer, the p-type impurity concentration of the layer having a large band gap energy may be increased.
[0016]
  In the first and second nitride semiconductor elements, the p-side light guide layer may be GaN or InGaN.
[0017]
  In the first and second nitride semiconductor elements, a ridge-shaped ridge portion is formed in the resonance direction in the p-side cladding layer and the layer formed closer to the p-side contact layer than the p-side cladding layer. May be.
In the first and second nitride semiconductor elements, the active layer may include a nitride semiconductor containing indium.
[0018]
  In the first and second nitride semiconductor devices of the present invention, the film thicknesses of the first layer and the second layer are preferably 70 mm or less as described above, more preferably Set to 40 mm or less. In the present invention, the thicknesses of the first layer and the second layer are set to 10 mm or more. By setting it within this range, it was difficult to grow Al conventionally. _Y Ga _1-Y A nitride semiconductor layer such as N (0 <Y ≦ 1) can be formed with good crystallinity.
In particular, at least one of the p-type nitride semiconductor layers between the p electrode and the active layer and / or between the n-side contact layer and the active layer as a current injection layer in which the n electrode is formed. When at least one of the n-type nitride semiconductor layers is a superlattice layer, the effect of setting the first and second layers constituting the superlattice layer to the above-described film thickness is great.
[0019]
In the present invention, the impurities that determine the conductivity type include n-type impurities belonging to groups 4A, 4B, 6A, and 6B of the periodic table doped in the nitride semiconductor, and groups 1A and 1B. P-type impurities belonging to Group 2A and Group 2B (hereinafter referred to as n-type impurities and p-type impurities as appropriate in this specification).
Further, as described above, when the band gap energy is different between the first layer and the second layer, it is desirable to increase the impurity concentration of the layer having the larger band gap energy. As a result, high output by modulation doping can be expected when a superlattice layer is formed on the p-type nitride semiconductor layer side.
In the present invention, the n-side contact layer may be a superlattice layer. The band gap energy of the two layers constituting the superlattice layer that is the n-side contact layer is different from each other. By increasing the impurity concentration of the layer with the larger band gap energy, an effect similar to HEMT described later can be obtained. Power efficiency can be improved. For example, in a laser element, the threshold voltage and the threshold current tend to further decrease.
[0020]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
A nitride semiconductor device according to an embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings.
Embodiment 1. FIG.
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing the structure of a nitride semiconductor device according to a first embodiment of the present invention. The nitride semiconductor device has a basic structure on a substrate 1 made of sapphire. A buffer layer 2 made of GaN, an n-side contact layer 3 made of Si-doped n-type GaN, an active layer 4 made of InGaN having a single quantum well structure, and a first layer and a second layer having different compositions are laminated. In this LED element, a p-side cladding layer 5 made of a superlattice layer and a p-side contact layer 6 made of Mg-doped GaN are sequentially laminated. In the nitride semiconductor device of the first embodiment, a light-transmitting full-surface electrode 7 is formed on almost the entire surface of the p-side contact layer 6, and a bonding p-electrode 8 is provided on the surface of the full-surface electrode 7. Furthermore, an n-electrode 9 is provided on the surface of the n-side contact layer 2 exposed by etching away a part of the nitride semiconductor layer from the p-side contact layer 6.
[0021]
Here, the nitride semiconductor device of Embodiment 1 is, for example, an In doped with Mg as a p-type impurity._XGa_1-XA first layer made of N (0 ≦ X ≦ 1) with a thickness of 30 angstroms (Å) and p-type Al doped with Mg as the p-type impurity in the same amount as the first layer_YGa_1-YSince the p-side cladding layer 5 having a low resistance value composed of a superlattice layer formed by laminating a second layer of N (0 ≦ Y ≦ 1) having a thickness of 30 Å is provided, Vf is reduced. it can. When the superlattice layer is formed on the p-layer side in this way, the p-type conductivity type is obtained by doping the first layer and / or the second layer with p-type impurities such as Mg, Zn, Cd, and Be. A superlattice layer having The order of stacking may be the order of first + second + first... Or second + first + second..., And a total of at least two layers are stacked.
[0022]
The first layer and the second layer made of a nitride semiconductor constituting the superlattice layer are made of In_XGa_1-XN (0 ≦ X ≦ 1) layer and Al_YGa_1-YThe layer is not limited to a layer made of N (0 ≦ Y ≦ 1), and may be composed of nitride semiconductors having different compositions. Further, the band gap energy of the first layer and the second layer may be different or the same. For example, the first layer may be In_XGa_1-XN (0 ≦ X ≦ 1), and the second layer is made of Al_YGa_1-YWhen N (0 <Y ≦ 1), the band gap energy of the second layer is always larger than that of the first layer._XGa_1-XN (0 ≦ X ≦ 1), and the second layer is In_ZAl_1-ZIf N (0 <Z ≦ 1), the first layer and the second layer may have the same bandgap energy although the compositions are different. Also, the first layer is made of Al_YGa_1-YN (0 ≦ Y ≦ 1), and the second layer is In_ZAl_1-ZIf N (0 <Z ≦ 1), the first layer and the second layer may have the same bandgap energy although the compositions are different. That is, in the present invention, the band gap energy of the first layer and the second layer may be the same as or different from each other as long as the superlattice layer has an action described later. As described above, the superlattice layer referred to here is a laminate of extremely thin layers having different compositions, and each layer is sufficiently thin so that no defects due to lattice irregularities occur. This is a broad concept including a quantum well structure. This superlattice layer does not have a defect inside, but usually has a strain associated with lattice irregularity, and is also called a strained superlattice. In the present invention, even if N (nitrogen) in the first layer and the second layer is partially substituted with a group V element such as As or P, it is included in the nitride semiconductor as long as N is present.
[0023]
In the present invention, if the thickness of the first layer and the second layer constituting the superlattice layer is thicker than 100 angstroms, the first layer and the second layer have a thickness equal to or greater than the elastic strain limit. It is preferable to set the film thickness to 100 angstroms or less because minute cracks or crystal defects are likely to enter the film. Moreover, the minimum of the film thickness of a 1st layer and a 2nd layer is not specifically limited, What is necessary is just one atomic layer or more. However, in the present invention, if the film thickness of the first layer and the second layer is 100 angstroms, the critical (elastic strain) limit film thickness of the nitride semiconductor is not sufficiently reached, and the elastic strain limit film thickness is not reached. In order to reduce the number of crystal defects in the nitride semiconductor, it is preferably set to 70 angstroms or less, more preferably set to be thinner, and most preferably set to 40 angstroms to 10 angstroms. In the present invention, the thickness may be set to 10 angstroms or less (one atomic layer or two atomic layers). However, when the thickness is set to 10 angstroms or less, for example, a cladding layer having a thickness of 500 angstroms or more is formed as a superlattice layer. In this case, the number of stacked layers is increased, and the manufacturing process takes time and labor. Therefore, the thicknesses of the first layer and the second layer are preferably set to be larger than 10 angstroms.
[0024]
In the case of the nitride semiconductor device of Embodiment 1 shown in FIG. 1, a p-type cladding layer 5 made of a superlattice layer is formed between an active layer 4 and a p-side contact layer 6 that is a current injection layer. Acts as a carrier confinement layer. Thus, particularly when the superlattice layer is a carrier confinement layer, it is necessary to make the average band gap energy of the superlattice layer larger than that of the active layer. Among nitride semiconductors, nitride semiconductors containing Al, such as AlN, AlGaN, InAlN, etc., have a relatively large band gap energy, so these layers are used as carrier confinement layers. However, when a thick film is grown with a single AlGaN film as in the prior art, it has the property of being prone to cracks during crystal growth.
[0025]
Therefore, in the present invention, at least one of the first layer and the second layer of the superlattice layer is a nitride semiconductor containing at least Al, preferably Al._YGa_1-YBy forming a superlattice layer by forming N (0 <Y ≦ 1) with a film thickness below the elastic strain limit, a superlattice layer having very good crystallinity with few cracks can be grown and formed with a band gap energy. Forms a large layer. In this case, more preferably, when a nitride semiconductor layer not containing Al is grown in a thickness of 100 angstroms or less in the first layer, a buffer layer for growing a second layer made of a nitride semiconductor containing Al Acting to prevent cracks in the second layer. Therefore, even if the first layer and the second layer are stacked, a superlattice layer having good crystallinity without cracks can be formed. Therefore, in the first embodiment, the superlattice layer is made of In._XGa_1-XFirst layer (second layer) made of N (0 ≦ X ≦ 1) and Al_YGa_1-YA second layer (first layer) made of N (0 ≦ Y ≦ 1, X ≠ Y = 0) is preferable.
[0026]
In the nitride semiconductor device of the first embodiment, the carrier concentration is adjusted in at least one of the first layer and the second layer constituting the p-side cladding layer 5 that is a superlattice layer. Therefore, it is preferable that a p-type impurity that sets the conductivity type of the layer to be p-type is doped. In addition, when the p-type impurity is doped in the first layer and the second layer, the first layer and the second layer may be doped with different concentrations, and further, the first layer and the second layer may be doped. When the band gap energy is different from that of the layer, it is desirable that the layer having a larger band gap energy has a higher concentration. This is because when the first layer and the second layer are doped with impurities at different concentrations, the carrier concentration of one layer is substantially increased due to the quantum effect of modulation doping, and the resistance value of the entire superlattice layer is lowered. Because it can. As described above, in the present invention, both the first layer and the second layer may be doped with impurities at different concentrations, and either the first layer or the second layer may be doped with impurities. You may dope.
[0027]
The impurity concentration doped in the first layer and the second layer is not particularly limited to the present invention.¹⁶/ Cm³~ 1x10²²/ Cm³More preferably 1 × 10¹⁷/ Cm³~ 1x10²¹/ Cm³, Most preferably 1 × 10¹⁸/ Cm³~ 2x10²⁰/ Cm³It is desirable to adjust to the range. 1 × 10¹⁶/ Cm³If it is less than Vf, it is difficult to obtain the effect of lowering the threshold voltage and 1 × 10²²/ Cm³This is because the crystallinity of the superlattice layer tends to deteriorate if the amount is larger than the above. It is desirable to adjust the n-type impurity within the same range. The reason is the same.
[0028]
However, in the present invention, the superlattice layer may not be doped with impurities that determine the conductivity type in the first layer and the second layer. The superlattice layer which is not doped with impurities may be any layer between the active layer and the substrate as long as it is an n-type nitride semiconductor layer region, while it is a p-type nitride semiconductor layer region. Any layer between the carrier confinement layer (light confinement layer) and the active layer may be used.
[0029]
The superlattice layer configured as described above is formed by laminating the first layer and the second layer with a film thickness equal to or less than the elastic strain limit, so that the lattice defects of the crystal can be reduced. And fine cracks can be reduced, and crystallinity can be remarkably improved. As a result, the doping amount of the impurity can be increased without significantly reducing the crystallinity, whereby the carrier concentration of the n-type nitride semiconductor layer and the p-type nitride semiconductor layer can be increased, and the carrier is crystallized. Since it can move without being scattered by defects, the resistivity can be reduced by one digit or more as compared with a p-type or n-type nitride semiconductor having no superlattice structure.
[0030]
Therefore, in the nitride semiconductor device (LED device) of the first embodiment, the p-layer side (p-type semiconductor layer region (p-type cladding layer 5 and p-type cladding layer 5), which has conventionally been difficult to obtain a low-resistance nitride semiconductor layer. Vf can be lowered by forming the p-type cladding layer 5 in a region comprising the p-type contact layer 6)) using a superlattice layer and lowering the resistance value of the p-type cladding layer 5. . That is, a p-type nitride semiconductor is a semiconductor in which p-type crystals are very difficult to obtain, and even if obtained, the resistivity is usually two orders of magnitude higher than that of an n-type nitride semiconductor. Therefore, by forming the p-type superlattice layer on the p-layer side, the p-type layer composed of the superlattice layer can be made extremely low in resistance, and the decrease in Vf appears remarkably. Conventionally, as a technique for obtaining a p-type crystal, a technique for producing a p-type nitride semiconductor by annealing a nitride semiconductor layer doped with a p-type impurity and removing hydrogen (Patent No. 1) is known. 2540791). However, even if a p-type nitride semiconductor is obtained, the resistivity is several Ω · cm or more. Therefore, by making this p-type layer a p-type superlattice layer, the crystallinity is improved. According to our study, the resistivity of the p-type layer can be lowered by an order of magnitude or more compared to the conventional one. The effect of lowering Vf appears remarkably.
[0031]
In the first embodiment, as described above, the first layer (second layer) is preferably made of In._XGa_1-XN (0 ≦ X ≦ 1) and the second layer (first layer) is Al_YGa_1-YBy configuring with N (0 ≦ Y ≦ 1, X ≠ Y = 0), a superlattice layer having good crystallinity and no cracks can be formed, so that the device life can be improved.
[0032]
Next, the present invention will be described in comparison with conventional examples disclosed in publicly known documents including patent gazettes previously filed by us.
First, as a technique similar to the present invention, we previously proposed JP-A-8-228048. In this technique, a multilayer made of AlGaN, GaN, InGaN or the like as a light reflecting film of laser light on the outside of the n-type cladding layer sandwiching the active layer and / or outside of the p-type cladding layer (that is, the side farther from the active layer). This is a technique for forming a film. Since this technique forms a multilayer film as a light reflecting film, the thickness of each layer is designed to be λ / 4n (n: refractive index of nitride semiconductor, λ: wavelength), which is very thick. Therefore, each film thickness of the multilayer film is not less than the elastic strain limit. In USP 5,146,465, the active layer is made of Al._XGa_1-XN / Al_YGa_1-YA laser element having a structure sandwiched between mirrors made of N is described. In this technique, as in the previous technique, in order to make AlGaN / AlGaN act as a mirror, the thickness of each layer must be increased. Furthermore, it is very difficult to stack multiple layers of hard semiconductors such as AlGaN without cracks.
[0033]
On the other hand, in the present embodiment, the thicknesses of the first and second layers are set (preferably both are set to 100 angstroms or less and the critical film thickness or less) so as to constitute the superlattice layer. , Different from the above technique. In the present invention, the effect of the strained superlattice of the nitride semiconductor constituting the superlattice layer is utilized to improve crystallinity and lower Vf.
[0034]
Further, JP-A-5-110138 and JP-A-5-110139 disclose a thin film of AlN and GaN laminated with Al._YGa_1-YA method for obtaining crystals of N is described. This technique uses Al with a predetermined mixed crystal ratio._YGa_1-YIn order to obtain a mixed crystal of N, it is a technique of laminating AlN and GaN having a film thickness of several tens of angstroms, which is different from the technique of the present invention. In addition, since there is no active layer made of InGaN, the superlattice layer tends to crack. Japanese Patent Application Laid-Open Nos. 6-21511 and 6-268257 describe a light emitting element having a double hetero structure having an active layer having a multiple quantum well structure in which GaN and InGaN or InGaN and InGaN are stacked. In the present invention, a layer other than the active layer has a multiple quantum well structure, which is different from this technology.
[0035]
Furthermore, in the device of the present invention, when the active layer is provided with a nitride semiconductor containing at least indium such as InGaN, the effect of the superlattice appears remarkably. The InGaN active layer has a small band gap energy and is most suitable as an active layer of a nitride semiconductor device. Therefore In_XGa_1-XN and Al_YGa_1-YWhen the superlattice layer made of N is formed as a layer sandwiching the active layer, the difference between the active layer and the band gap energy and the refractive index can be increased. Therefore, the superlattice layer is extremely excellent in realizing a laser device. The optical confinement layer operates (applied to the nitride semiconductor device of the second embodiment). Furthermore, since InGaN is softer than other nitride semiconductors containing Al, such as AlGaN, when InGaN is used as an active layer, cracks are less likely to form in the entire nitride semiconductor layers. On the other hand, when a nitride semiconductor such as AlGaN is used as the active layer, the crystal tends to be cracked because the properties of the crystal are hard.
[0036]
Furthermore, it is desirable to adjust the thickness of the p-side contact layer to 500 angstroms or less, more preferably 300 angstroms or less, and most preferably 200 angstroms or less. This is because the resistivity can be further reduced by adjusting the film thickness of the p-type nitride semiconductor layer having a resistivity of several Ω · cm or more to 500 angstroms or less as described above. Current and voltage decrease. In addition, the amount of hydrogen removed from the p-type layer can be increased, and the resistivity can be further reduced.
[0037]
As described above in detail, in the nitride semiconductor device of the first embodiment, the p-type cladding layer 5 is composed of a superlattice layer in which a first layer and a second layer are stacked. The p-type cladding layer 5 can have a very low resistance, and the Vf of the element can be lowered.
[0038]
Although the superlattice layer is used for the p-side cladding layer 5 in the first embodiment, the present invention is not limited to this, and a p-type superlattice layer may be used for the p-side contact layer 6. That is, the p-side contact layer 6 into which current (holes) is injected is, for example, In_XGa_1-XA first layer of N and Al_YGa_1-YA p-type superlattice layer in which a second layer made of N is laminated can also be used. In the case where the p-type contact layer 6 is a superlattice layer and the band gap energy of the first layer is smaller than that of the second layer, the band gap energy is small._XGa_1-XIt is preferable that the first layer made of N be the outermost surface to be a layer in contact with the p electrode, whereby the contact resistance with the p electrode is reduced and a preferable ohmic is obtained. This is because the first layer having a lower band gap energy tends to provide a nitride semiconductor layer having a higher carrier concentration than the second layer. In the present invention, when a p-type nitride semiconductor layer other than the p-side cladding layer and the p-side contact layer is further formed in the p-type nitride semiconductor layer region, the p-type nitride semiconductor layer is super You may comprise by a lattice layer.
[0039]
In Embodiment 1 described above, a superlattice layer is used for the p-side cladding layer 5. However, the present invention is not limited to the p-type nitride semiconductor layer region, and the n-type contact layer 3 in the n-type nitride semiconductor region is n-type. Alternatively, a superlattice layer may be used. As described above, when the n-side contact layer 3 is a superlattice layer, for example, an n-type conductivity type is doped by doping an n-type impurity such as Si or Ge into the first layer and / or the second layer. Can be formed as an n-type contact layer 3 between the substrate 1 and the active layer 4. In this case, it was confirmed that when the n-type contact layer 3 is a superlattice layer having a different impurity concentration, the resistance value in the lateral direction decreases, and the threshold voltage and current tend to decrease in the LD.
[0040]
This is because the following high-electron-mobility-transistor (HEMT) is formed in the case where a superlattice layer doped with a large amount of n-type impurities is formed as a contact layer on the n-layer side in the layer having a larger band gap energy. It is inferred that an effect similar to that appears. a first layer (second layer) having a large band gap doped with an n-type impurity and an undoped {(undope) having a small band gap; hereinafter, a state in which no impurity is doped is referred to as undoped} In the superlattice layer in which the layer (first layer) is stacked, the layer side having a large band gap energy is depleted at the heterojunction interface between the layer doped with the n-type impurity and the undoped layer, and the band gap energy is small. Electrons (two-dimensional electron gas) accumulate at the interface around the layer side thickness (100 angstroms). Since this two-dimensional electron gas can be formed on the side of the layer with a small band gap energy, it is presumed that the electron mobility of the superlattice layer increases and the resistivity decreases because electrons are not scattered by impurities when traveling. The
[0041]
In the present invention, when an n-side cladding layer is provided in the n-type nitride semiconductor layer region, the n-side cladding layer may be a superlattice layer. When an n-type nitride semiconductor layer other than the n-side contact layer and the n-side cladding layer is formed in the n-type nitride semiconductor layer region, the n-type nitride semiconductor layer may be a superlattice layer. However, when a nitride semiconductor layer made of a superlattice layer is provided in the n-type nitride semiconductor layer region, the n-side cladding layer as a carrier confinement layer or the n-side contact layer 3 into which current (electrons) is injected is superlattice. Needless to say, a structure is desirable.
[0042]
As described above, when the superlattice layer is provided in the n-type nitride semiconductor layer region between the active layer 4 and the substrate 1, the first layer and the second layer constituting the superlattice layer are doped with impurities. You don't have to. This is because nitride semiconductors have the property of becoming n-type even when undoped. However, even in the case of forming on the n-layer side, it is desirable to provide a difference in impurity concentration by doping the first layer and the second layer with n-type impurities such as Si and Ge as described above.
[0043]
As described above, the effect obtained when the superlattice layer is formed in the n-type nitride semiconductor layer region is that the crystallinity is improved as in the case where the superlattice layer is provided in the p-type nitride semiconductor layer region. . More specifically, in the case of a nitride semiconductor device having a heterojunction, the n-type and p-type carrier confinement layers are usually made of AlGaN having a larger band gap energy than the active layer. AlGaN is very difficult to grow a crystal. For example, when it is intended to grow with a single composition and a film thickness of 0.5 μm or more, there is a property that cracks are easily formed in the crystal. However, when the first layer and the second layer are laminated with a film thickness equal to or less than the elastic strain limit as in the present invention to form a superlattice layer, only a single first layer and second layer are formed. Since a crystal with good crystallinity can be obtained, a clad layer can be grown with good crystallinity even if the whole is a thick superlattice layer. As a result, the crystallinity of the entire nitride semiconductor is improved and the mobility of the n-type region is increased, so that Vf is lowered in an element having the superlattice layer as a cladding layer. Further, when the superlattice layer is doped with impurities of Si and Ge, and the superlattice layer is used as a contact layer, it seems that an effect similar to the above-mentioned HEMT appears remarkably, and the threshold voltage, Vf Can be further reduced.
[0044]
Thus, in the present invention, the superlattice layer is in contact with the cladding layer as the carrier confinement layer formed in the n-type region or p-type region sandwiching the active layer, the light guide layer of the active layer, or the electrode. Since it is used as a current injection layer to be formed, it is desirable to adjust the average band gap energy of the nitride semiconductor constituting the superlattice layer to be larger than that of the active layer.
[0045]
Embodiment 2. FIG.
Next, Embodiment 2 according to the present invention will be described.
FIG. 2 is a schematic cross-sectional view (cross-section perpendicular to the resonance direction of laser light) showing the structure of the nitride semiconductor device according to the second embodiment of the present invention. N-type nitride semiconductor layer region (consisting of an n-side contact layer 12, a crack prevention layer 13, an n-side cladding layer 14, and an n-side light guide layer 15) and a p. Nitride including an active layer 16 made of a nitride semiconductor sandwiched by a type nitride semiconductor region (consisting of a cap layer 17, a p-side light guide layer 18, a p-side cladding layer 19 and a p-side contact layer 20). Semiconductor laser diode element.
[0046]
Here, in the nitride semiconductor device of Embodiment 2, the n-side cladding layer 14 in the n-type nitride semiconductor layer region is formed of a superlattice layer, and the p-side cladding layer 19 in the p-type nitride semiconductor region is superposed. By forming the lattice layer, the threshold voltage of the nitride semiconductor element which is an LD element is set low. Hereinafter, the nitride semiconductor device according to the second embodiment of the present invention will be described in detail with reference to FIG.
[0047]
In the nitride semiconductor device according to the second embodiment, first, the n-side contact layer 12 is formed on the substrate 10 via the buffer layer 11 and the second buffer layer 112, and the n-side contact layer 12 is further cracked. The prevention layer 13, the n-side cladding layer 14, and the n-side light guide layer 15 are laminated to form an n-type nitride semiconductor layer region. An n-side electrode 23 that is in ohmic contact with the n-side contact layer 12 is formed on the surface of the n-side contact layer 12 exposed on both sides of the crack prevention layer 13, and on the n-side electrode 23, for example, Then, an n-side pad electrode for wire bonding is formed. An active layer 16 made of a nitride semiconductor is formed on the n-side light guide layer 15, and a cap layer 17, a p-side light guide layer 18, a p-side cladding layer 19, and a p-side contact are further formed on the active layer 16. Layer 20 is laminated to form a p-type nitride semiconductor layer region. Further, a p-side electrode 21 that is in ohmic contact with the p-side contact layer 20 is formed on the p-side contact layer 20, and a p-side pad electrode for wire bonding, for example, is formed on the p-side electrode 21. . The p-side contact layer 20 and the upper part of the p-side cladding layer 19 form a ridge-shaped ridge portion that extends long in the resonance direction. By forming the ridge portion, the active layer 16 has a width of light. A resonator that resonates in the longitudinal direction of the ridge using a cleavage plane confined in the direction (direction perpendicular to the resonance direction) and cleaved in a direction perpendicular to the ridge (stripe electrode). Let
[0048]
Next, each component of the nitride semiconductor device of Embodiment 2 will be described.
(Substrate 10)
In addition to sapphire with the C-plane as the main surface, the substrate 10 has sapphire with the R-plane and A-plane as the main surface, other spinels (MgA1₂O₄In addition to an insulating substrate such as SiC), semiconductor substrates such as SiC (including 6H, 4H, and 3C), ZnS, ZnO, GaAs, and GaN can be used.
[0049]
(Buffer layer 11)
The buffer layer 11 is formed to a thickness of several tens of angstroms to several hundreds of angstroms by growing AlN, GaN, AlGaN, InGaN or the like at a temperature of 900 ° C. or lower. The buffer layer 11 is formed in order to mitigate irregularities in the lattice constant between the substrate and the nitride semiconductor, but may be omitted depending on the nitride semiconductor growth method, the type of the substrate, and the like.
[0050]
(Second buffer layer 112)
The second buffer layer 112 is a layer made of a single crystal nitride semiconductor grown on the buffer layer 11 at a higher temperature than the buffer layer 11, and has a thicker film than the buffer layer 11. If the second buffer layer 112 is a layer having a lower n-type impurity concentration than the n-side contact layer 12 to be grown next, or a nitride semiconductor layer not doped with an n-type impurity, preferably a GaN layer, The crystallinity of the second buffer layer 112 is improved. Most preferably, when the n-type impurity is undoped GaN, a nitride semiconductor having the best crystallinity can be obtained. If an n-side contact layer for forming a negative electrode is made of a single nitride semiconductor layer having a thickness of several μm or more and a high carrier concentration as in the prior art, it is necessary to grow a layer having a high n-type impurity concentration. There is. A thick film layer having a high impurity concentration tends to have poor crystallinity. For this reason, even if another nitride semiconductor such as an active layer is grown on the layer having poor crystallinity, the crystal defect cannot be improved because the other layer takes over the crystal defects. Therefore, before the n-side contact layer 12 is grown, the second buffer layer 112 having a low impurity concentration and good crystallinity is grown to grow the n-side contact layer 12 having a high carrier concentration and good crystallinity. Can be made. The film thickness of the second buffer layer 112 is desirably adjusted to 0.1 μm or more, more preferably 0.5 μm or more, and most preferably 1 μm or more and 20 μm or less. If the second buffer layer 112 is thinner than 0.1 μm, the n-type contact layer 12 having a high impurity concentration must be grown thick, and the crystallinity of the n-side contact layer 12 tends not to be improved so much. . On the other hand, if the thickness is greater than 20 μm, the second buffer layer 112 itself tends to have many crystal defects. Further, as an advantage of growing the second buffer layer 112 thickly, an improvement in heat dissipation can be mentioned. That is, when a laser element is manufactured, heat is likely to spread in the second buffer layer 112, and the lifetime of the laser element is improved. Further, the leakage light of the laser beam spreads in the second buffer layer 112, and it becomes easy to obtain a laser beam having an elliptical shape. Note that the second buffer layer 112 may be omitted when a conductive substrate such as GaN, SiC, or ZnO is used for the substrate.
[0051]
(N-side contact layer 12)
The n-side contact layer 12 is a layer that acts as a contact layer for forming a negative electrode, and is preferably adjusted to 0.2 μm or more and 4 μm or less. If it is thinner than 0.2, it is difficult to control the etching rate so that this layer is exposed when a negative electrode is formed later. On the other hand, if it is 4 μm or more, the crystallinity tends to deteriorate due to the influence of impurities. It is in. The range of the n-type impurity doped into the nitride semiconductor of the n-side contact layer 12 is 1 × 10¹⁷/ Cm³~ 1x10²¹/ Cm³Range, more preferably 1 × 10¹⁸/ Cm³~ 1x10¹⁹/ Cm³It is desirable to adjust to. 1 × 10¹⁷/ Cm³If it is smaller than that, since it becomes difficult to obtain a preferable ohmic with the material of the n electrode, the laser element cannot expect a decrease in threshold current and voltage, and 1 × 10²¹/ Cm³If it is larger than 1, the leakage current of the device itself increases, and the crystallinity also deteriorates, so that the lifetime of the device tends to be shortened. In the n-side contact layer 12, in order to reduce the ohmic contact resistance with the n-electrode 23, it is desirable that the impurity concentration for increasing the carrier concentration of the n-side contact layer 12 is higher than that of the n-clad layer 14. . The n-side contact layer 12 functions not as a contact layer but as a buffer layer when a conductive substrate such as GaN, SiC, ZnO or the like is used for the substrate and a negative electrode is provided on the back side of the substrate.
[0052]
Further, at least one of the second buffer layer 11 and the n-side contact layer 12 may be a superlattice layer. When a superlattice layer is used, the crystallinity of this layer is dramatically improved, and the threshold current is reduced. The n-side contact layer 12 that is preferably thinner than the second buffer layer 11 is a superlattice layer. In the case where the n-side contact layer 12 has a superlattice structure in which a first layer and a second layer having different band gap energies are stacked, the n electrode is preferably exposed by exposing a layer having a small band gap energy. By forming 23, the contact resistance with the n-electrode 23 can be lowered and the threshold can be lowered. Examples of the material of the n-electrode 23 that can obtain a preferable ohmic with the n-type nitride semiconductor include metals such as Al, Ti, W, Si, Zn, Sn, and In or alloys.
[0053]
Further, by making the n-type contact layer 12 a superlattice layer having a different impurity concentration, the lateral resistance value can be lowered by the effect similar to the HEMT described in the first embodiment, and the threshold voltage and current of the LD element can be lowered. can do.
[0054]
(Crack prevention layer 13)
For example, the crack preventing layer 13 is made of 5 × 10 Si.¹⁸/ Cm³Doped In_0.1Ga_0.9For example, it has a film thickness of 500 angstroms. The crack prevention layer 13 is formed by growing an n-type nitride semiconductor containing In, preferably InGaN, thereby preventing cracks from entering into the nitride semiconductor layer containing Al formed thereon. be able to. The crack prevention layer 13 is preferably grown to a thickness of 100 Å or more and 0.5 μm or less. If it is thinner than 100 angstroms, it is difficult to act as a crack prevention as described above, and if it is thicker than 0.5 μm, the crystal itself tends to turn black. The crack prevention layer 13 is omitted when the n-side contact layer 12 is a superlattice as in the first embodiment, or when the n-side cladding layer 14 to be grown next is a superlattice layer. Also good.
[0055]
(N-side cladding layer 14 made of n-type superlattice)
For example, the n-side cladding layer is made of 5 × 10 5 Si.¹⁸/ Cm³A super-layer composed of doped n-type A10.2Ga0.8N and a first layer having a thickness of 20 Å and a second layer made of undoped GaN and having a thickness of 20 Å alternately stacked. It consists of a lattice layer and has a film thickness of, for example, 0.5 μm as a whole. This n-type cladding layer 14 functions as a carrier confinement layer and an optical confinement layer. When a superlattice layer is formed, it is desirable to grow a nitride semiconductor containing Al, preferably AlGaN, in any one of the layers. A favorable carrier confinement layer can be grown by growing at a thickness of 100 Å or more and 2 μm or less, more preferably 500 Å or more and 1 μm or less. The n-type cladding layer 14 can be grown from a single nitride semiconductor. However, if a superlattice layer is formed, a carrier confinement layer having good crystallinity without cracks can be formed.
[0056]
(N-side light guide layer 15)
For example, the n-side light guide layer 15 is made of 5 × 10 5 of Si.¹⁸/ Cm³It consists of doped n-type GaN and has a thickness of 0.1 μm. This n-side light guide layer 6 acts as a light guide layer of the active layer, and is preferably formed by growing GaN and InGaN, and is usually grown to a thickness of 100 Å to 5 μm, more preferably 200 Å to 1 μm. It is desirable to make it. The light guide layer 15 can also be a superlattice layer. When the n-side light guide layer 15 and the n-side cladding layer 14 are superlattice layers, the average band gap energy of the nitride semiconductor layer constituting the superlattice layer is made larger than that of the active layer. In the case of a superlattice layer, at least one of the first layer and the second layer may be doped with an n-type impurity or may be undoped. The light guide layer 15 may be an undoped nitride semiconductor alone or a superlattice in which undoped nitride semiconductors are stacked.
[0057]
(Active layer 16)
The active layer 16 is made of, for example, Si 8 × 10¹⁸/ Cm³In doped with_0.2Ga_0.8A well layer made of N and having a film thickness of 25 Å, and Si of 8 × 10¹⁸/ Cm³Doped In_0.051Ga_0.95A barrier layer having a thickness of 50 angstroms made of N is alternately stacked to form a multiple quantum well structure (MQW) having a predetermined thickness. In the active layer 16, both the well layer and the barrier layer may be doped with impurities, or one of them may be doped. When the n-type impurity is doped, the threshold tends to decrease. In addition, when the active layer 16 has a multiple quantum well structure in this way, a well layer having a small band gap energy and a barrier layer having a band gap energy smaller than that of the well layer are necessarily stacked. Differentiated. The thickness of the well layer is 100 angstroms or less, preferably 70 angstroms or less, and most preferably 50 angstroms or less. The thickness of the barrier layer is 150 angstroms or less, preferably 100 angstroms or less, and most preferably 70 angstroms or less.
[0058]
(P-side cap layer 17)
The p-side cap layer 17 has a band gap energy larger than that of the active layer 16, for example, 1 × 10 Mg.²⁰/ Cm³Doped p-type Al_0.3Ga_0.7For example, a film thickness of 200 Å. In the second embodiment, it is preferable to use the cap layer 17 as described above. However, since the cap layer is formed with a thin film thickness, in the present invention, the carrier is compensated by doping with an n-type impurity. It may be i-type. The film thickness of the p-side cap layer 17 is adjusted to 0.1 μm or less, more preferably 500 angstroms or less, and most preferably 300 angstroms or less. This is because if the film is grown to a thickness greater than 0.1 μm, cracks are likely to occur in the p-side cap layer 17 and a nitride semiconductor layer with good crystallinity is difficult to grow. Further, if the film thickness of the p-side cap layer 17 is 0.1 μm or more, carriers cannot pass through the p-type cap layer 17 serving as an energy barrier due to the tunnel effect. In view of the above, it is preferable to set it to 500 angstroms or less, more preferably 300 angstroms or less, as described above.
[0059]
The p-side cap layer 17 is preferably formed using AlGaN having a large Al composition ratio in order to make the LD element easily oscillate. The thinner the AlGaN, the easier the LD element oscillates. Become. For example, Al with a Y value of 0.2 or more_YGa_1-YIf N, it is desirable to adjust to 500 angstroms or less. The lower limit of the thickness of the p-side cap layer 17 is not particularly limited, but it is desirable to form the p-side cap layer 17 with a thickness of 10 angstroms or more.
[0060]
(P-side light guide layer 18)
The p-side light guide layer 18 has a band gap energy smaller than that of the p-side cap layer 17, for example, 1 × 10 Mg.²⁰/ Cm³It consists of doped p-type GaN and has a thickness of 0.1 μm. The p-side light guide layer 18 functions as a light guide layer of the active layer 16 and is preferably formed by growing with GaN and InGaN as with the n-side light guide layer 15. This layer also functions as a buffer layer when the p-side cladding layer 19 is grown, and functions as a preferable light guide layer by growing it at a film thickness of 100 angstroms to 5 μm, more preferably 200 angstroms to 1 μm. . This p-side light guide layer is usually doped with a p-type impurity such as Mg to have a p-type conductivity, but it is not particularly necessary to dope the impurity. The p-side light guide layer can be a superlattice layer. In the case of a superlattice layer, at least one of the first layer and the second layer may be doped with a p-type impurity or may be undoped.
[0061]
(P-side cladding layer 19 = superlattice layer)
The p-side cladding layer 19 is made of, for example, 1 × 10 Mg.²⁰/ Cm³Doped p-type Al_0.2Ga_0.8A first layer made of N and having a film thickness of, for example, 20 angstroms, and Mg of, for example, 1 × 10²⁰/ Cm³It is made of a superlattice layer made of doped p-type GaN and alternately laminated with second layers having a thickness of 20 angstroms. The p-side clad layer 19 acts as a carrier confinement layer like the n-side clad layer 14 and particularly acts as a layer for reducing the resistivity of the p-type layer. The thickness of the p-side cladding layer 19 is not particularly limited, but is preferably 100 angstroms or more and 2 μm or less, more preferably 500 angstroms or more and 1 μm or less.
[0062]
(P-side contact layer 20)
The p-side contact layer 20 is made of, for example, 2 × 10 Mg on the p-side cladding layer 19.²⁰/ Cm³It is made of doped p-type GaN and has a film thickness of, for example, 150 Å. This p-side contact layer 20 is made of p-type In._XAl_YGa_1-XYN (0.ltoreq.X, 0.ltoreq.Y, X + Y.ltoreq.1). Preferably, when Mg is doped as described above, the most preferable ohmic contact with the p-electrode 21 is obtained. Furthermore, it is desirable to adjust the thickness of the p-side contact layer to 500 angstroms or less, more preferably 300 angstroms or less, and most preferably 200 angstroms or less. Because, as described above, the resistivity can be further reduced by adjusting the thickness of the p-type nitride semiconductor layer having a resistivity of several Ω · cm or more to 500 angstroms or less. Current and voltage decrease. In addition, the amount of hydrogen removed from the p-type layer can be increased, and the resistivity can be further reduced.
[0063]
In the present invention, the p-side contact layer 20 can also be a superlattice layer. In the case of a superlattice layer, a first layer and a second layer having different bandgap energies are stacked, and the stacking is performed as follows: first + second + first + second +. If the layer having the smaller band gap energy is exposed, a preferable ohmic contact with the p-electrode 21 is obtained. Examples of the material for the p-electrode 21 include Ni, Pd, Ni / Au, and the like.
[0064]
In the second embodiment, the surface of the nitride semiconductor layer exposed between the p-electrode 21 and the n-electrode 23 as shown in FIG.₂An insulating film 25 is formed, and a p pad electrode 22 electrically connected to the p electrode 21 through an opening formed in the insulating film 25 and an n pad electrode 24 connected to the n electrode 23 are formed. It is formed. The p-pad electrode 22 substantially increases the surface area of the p-electrode 21 so that the p-electrode side can be wire-bonded or die-bonded, while the n-pad electrode 24 prevents the n-electrode 23 from peeling off.
[0065]
The nitride semiconductor device according to the second embodiment described above is a p-type cladding layer 19 with good crystallinity, which is a superlattice layer in which the first layer and the second layer are stacked with a thickness equal to or less than the elastic strain limit. It has. As a result, the nitride semiconductor device of the second embodiment can reduce the resistance value of the p-side cladding layer 19 by one digit or more as compared with the p-side cladding layer having no superlattice structure. , Current can be lowered.
[0066]
In the nitride semiconductor device of the second embodiment, p-type Al_YGa_1-YBy forming a nitride semiconductor having a small band gap energy in contact with the p-side cladding layer 19 containing N as a p-side contact layer 20 and having a film thickness as thin as 500 angstroms or less, the p-side contact layer 20 is substantially reduced. As a result, the carrier concentration increases, and a preferable ohmic with the p electrode is obtained, and the threshold current and voltage of the device can be lowered. Furthermore, since the second buffer layer 112 is provided before growing the n-side contact layer, the crystallinity of the nitride semiconductor layer grown on the second buffer layer 112 is improved, and the long-life device Can be realized. Preferably, when the n-side contact layer grown on the second buffer layer 112 is a superlattice, a lateral resistance value is low, and an element having a low threshold voltage and threshold current can be realized.
[0067]
In the LD element of the second embodiment, when the active layer 16 is provided with a nitride semiconductor such as InGaN that contains at least indium, In_XGa_1-XN and Al_YGa_1-YA superlattice layer in which N is alternately stacked is preferably used as a layer (n-side cladding layer 14 and p-side cladding layer 19) sandwiching the active layer 16. As a result, the band gap energy difference and the refractive index difference between the active layer 16 and the superlattice layer can be increased, so that the superlattice layer can be operated as an excellent optical confinement layer when realizing a laser device. it can. Furthermore, since InGaN is softer than other nitride semiconductors containing Al, such as AlGaN, when InGaN is used as an active layer, cracks are less likely to form in the entire nitride semiconductor layers. Thereby, the lifetime of the LD element can be extended.
[0068]
In the case of a semiconductor device having a double hetero structure having an active layer 16 having a quantum well structure as in the second embodiment, the film thickness is 0.1 μm or less in contact with the active layer 16 and having a band gap energy larger than that of the active layer 16. A p-side cap layer 17 made of a nitride semiconductor, preferably a p-side cap layer 17 made of a nitride semiconductor containing Al, is provided, and the p-side cap layer is located farther from the active layer than the p-side cap layer 17. A p-side light guide layer 18 having a band gap energy smaller than 17, and a nitride semiconductor having a larger band gap than the p-side light guide layer 18 at a position farther from the active layer than the p-side light guide layer 18; It is very preferable to provide the p-side cladding layer 19 having a superlattice structure preferably containing a nitride semiconductor containing Al. In addition, since the band gap energy of the p-side cap layer 17 is increased, electrons injected from the n-layer are blocked and confined by the p-side cap layer 17, and the electrons do not overflow the active layer. Less leakage current.
[0069]
In the nitride semiconductor device of the second embodiment described above, a preferable structure was shown as the structure of the laser device. However, in the present invention, the n-type superlattice layer is an n-type nitride semiconductor layer region (n-type) below the active layer 16. At least one layer on the layer side) and a p-type superlattice layer in the p-type nitride semiconductor layer region (p-type layer side) above the active layer 16 as well. Well, the element configuration is not particularly specified. However, when the superlattice layer is formed on the p-layer side, it is formed on the p-side cladding layer 19 as a carrier confinement layer, and when it is formed on the n-layer side, it is an n-contact as a current injection layer in contact with the n-electrode 23. Forming as the layer 12 or the n-cladding layer 14 as carrier confinement tends to be most preferable in reducing the Vf and threshold value of the device. Needless to say, the same configuration as that of the element of Embodiment 2 can be applied to the LED element (however, the LED element does not require a ridge portion).
[0070]
In the nitride semiconductor device according to the second embodiment configured as described above, after each layer is formed, annealing is performed at 400 ° C. or higher, for example, 700 ° C. in an atmosphere containing no H, for example, a nitrogen atmosphere. Preferably, this makes it possible to further reduce the resistance of each layer in the p-type nitride semiconductor layer region, thereby further reducing the threshold voltage.
[0071]
In the nitride semiconductor device of the second embodiment, the p electrode 21 made of Ni and Au is formed in a stripe shape on the surface of the p side contact layer 12, and the n side contact layer is symmetrically formed with respect to the p electrode 21. An n-electrode 23 is provided on almost the entire surface of the n-side contact layer so as to be exposed. Thus, when an insulating substrate is used, the structure in which the n electrode 23 is provided symmetrically on both sides of the p electrode 21 is very advantageous in reducing the threshold voltage.
[0072]
In the second embodiment, the cleaved surface (resonator surface) cleaved in the direction perpendicular to the ridge portion (stripe electrode) is SiO 2.₂And TiO₂A dielectric multilayer film may be formed.
[0073]
Thus, in the present invention, the superlattice layer is in contact with the cladding layer as the carrier confinement layer formed in the n-type region or p-type region sandwiching the active layer, the light guide layer of the active layer, or the electrode. Since it is used as a current injection layer to be formed, it is desirable to adjust the average band gap energy of the nitride semiconductor constituting the superlattice layer to be larger than that of the active layer.
[0074]
【Example】
Hereinafter, the present invention will be described in detail in Examples.
[Example 1]
Example 1 according to the present invention is an example of producing the nitride semiconductor device (LD device) shown in FIG. 2, and is produced by the following procedure.
First, the substrate 10 made of sapphire (C-plane) is set in a reaction vessel, and the inside of the vessel is sufficiently replaced with hydrogen, and then the temperature of the substrate is raised to 1050 ° C. while flowing hydrogen to clean the substrate.
Subsequently, the temperature is lowered to 510 ° C., hydrogen is used as the carrier gas, and ammonia (NH₃) And TMG (trimethyl gallium) and a first buffer layer 11 made of GaN is grown on the substrate 10 to a thickness of about 200 Å.
[0075]
After growing the buffer layer 11, only TMG is stopped and the temperature is raised to 1050 ° C. When the temperature reaches 1050 ° C., TMG and ammonia gas are similarly used as the source gas, and the carrier concentration is 1 × 10.¹⁸/cm³A second buffer layer 112 made of undoped GaN is grown to a thickness of 5 μm. The second buffer layer is In_XAl_YGa_1-XYN (0 ≦ X, 0 ≦ Y, X + Y ≦ 1), and its composition is not particularly limited, but is preferably undoped and Al (Y value) is 0.1 or less_YGa_1-YN, most preferably undoped GaN.
Subsequently, at 1050 ° C., TMG, ammonia, impurity gas and silane gas (SiH₄) And Si is 1 × 10¹⁹/cm³An n-side contact layer 12 made of doped n-type GaN is grown to a thickness of 1 μm. The n-side contact layer 12 is more preferably formed of a superlattice.
[0076]
Next, the temperature is set to 800 ° C., TMG, TMI (trimethylindium), ammonia as a source gas, silane gas as an impurity gas, and Si 5 × 10¹⁸/cm³Doped In_0.1Ga_0.9A crack prevention layer 13 made of N is grown to a thickness of 500 angstroms.
Then, the temperature is set to 1050 ° C., TMA, TMG, ammonia, silane gas is used, and Si is 5 × 10¹⁸/cm³Doped n-type Al_0.2Ga_0.8A first layer made of N is grown to a thickness of 20 Å, and then TMA and silane are stopped, and a second layer made of undoped GaN is grown to a thickness of 20 Å. This operation is repeated 100 times to grow an n-side cladding layer 14 made of a superlattice layer having a total film thickness of 0.4 μm.
[0077]
Subsequently, Si is 5 × 10 at 1050 ° C.¹⁸/cm³An n-side light guide layer 15 made of doped n-type GaN is grown to a thickness of 0.1 μm.
Next, the active layer 16 is grown using TMG, TMI, ammonia, and silane. The active layer 16 is maintained at a temperature of 800 ° C., and first Si is 8 × 10 6.¹⁸/cm³In doped with_0.2Ga_0.8A well layer made of N is grown to a thickness of 25 Å. Next, Si is changed to 8 × 10 at the same temperature only by changing the molar ratio of TMI.¹⁸/cm³Doped In_0.01Ga_0.99A barrier layer made of N is grown to a thickness of 50 Å. This operation is repeated twice, and an active layer 16 having a total quantum film structure (MQW) having a total film thickness of 175 angstroms is deposited.
[0078]
Next, the temperature is raised to 1050 ° C., TMG, TMA, ammonia as the source gas, and Cp as the impurity gas.₂Using Mg (cyclopentadienyl magnesium), the band gap energy is larger than that of the active layer, and Mg is 1 × 10²⁰/cm³Doped p-type Al_0.3Ga_0.7A p-side cap layer 17 made of N is grown to a thickness of 300 angstroms.
Subsequently, at 1050 ° C., the band gap energy is smaller than that of the p-side cap layer 17, and Mg is 1 × 10²⁰/cm³A p-side light guide layer 18 made of doped p-type GaN is grown to a thickness of 0.1 μm.
[0079]
Subsequently, TMA, TMG, ammonia, Cp₂Using Mg, 1 × 10 Mg at 1050 ° C.²⁰/cm³Doped p-type Al_0.2Ga_0.8A first layer of N is grown to a thickness of 20 Å, then only TMA is stopped and Mg is 1 × 10²⁰/cm³A second layer of doped p-type GaN is grown to a thickness of 20 angstroms. This operation is repeated 100 times to form a p-side cladding layer 19 made of a superlattice layer having a total film thickness of 0.4 μm.
Finally, Mg is added to the p-side cladding layer 19 at 1050 ° C. by 2 × 10²⁰/cm³A p-side contact layer 20 made of doped p-type GaN is grown to a thickness of 150 Å.
[0080]
After completion of the reaction, the temperature is lowered to room temperature, and the wafer is annealed in a reaction vessel at 700 ° C. in a nitrogen atmosphere to further reduce the resistance of the p-type layer.
After annealing, the wafer is taken out of the reaction vessel, and as shown in FIG. 2, the uppermost p-side contact layer 20 and p-side cladding layer 19 are etched by an RIE apparatus to form a ridge shape having a stripe width of 4 μm. To do.
[0081]
Next, a mask is formed on the ridge surface, and as shown in FIG. 2, the surface of the n-side contact layer 12 is exposed so as to be symmetrical with respect to the striped ridge.
Next, a p-electrode 21 made of Ni and Au is formed on almost the entire surface of the stripe ridge outermost surface of the p-side contact layer 20. On the other hand, an n electrode 23 made of Ti and Al is formed on almost the entire surface of the striped n-side contact layer 3.
[0082]
Next, as shown in FIG. 2, SiO 2 is exposed on the surface of the nitride semiconductor layer exposed between the p-electrode 21 and the n-electrode 23.₂An insulating film 25 is formed, and a p-pad electrode 22 and an n-pad electrode 24 electrically connected to the p-electrode 21 through the insulating film 25 are formed.
As described above, the wafer on which the n-electrode and the p-electrode are formed is transferred to a polishing apparatus, and the sapphire substrate 1 on the side where the nitride semiconductor is not formed is lapped with a diamond abrasive, The thickness is 50 μm. After lapping, the substrate surface is mirror-finished by polishing with 1 μm with a finer abrasive.
[0083]
After polishing the substrate, the polished surface side is scribed and cleaved in a bar shape in a direction perpendicular to the striped electrode, and a resonator is produced on the cleaved surface. SiO on the resonator surface₂And TiO₂A dielectric multilayer film was formed, and finally a bar was cut in a direction parallel to the p-electrode to obtain a laser chip. Next, the chip was placed face-up (with the substrate and the heat sink facing each other) on the heat sink, each electrode was wire-bonded, and laser oscillation was attempted at room temperature. At room temperature, the threshold current density was 2.9 kA / cm²At a threshold voltage of 4.4 V, continuous oscillation at an oscillation wavelength of 405 nm was confirmed, indicating a lifetime of 50 hours or more.
[0084]
(Comparative Example 1)
On the other hand, the second buffer layer 112 is not grown, and the n-side contact layer 12 is made of 1 × 10 5 Si.¹⁹/cm³A single doped n-type GaN film is grown to 5 μm, and the n-side cladding layer 14 is made of 1 × 10 Si.¹⁹/cm³Doped n-type Al_0.2Ga_0.8N is grown by 0.4 μm and the p-side cladding layer 19 is made of 1 × 10 1 Mg.²⁰/ M³Doped p-type Al_0.2Ga_0.8N is grown by 0.4 μm, and the p-side contact layer 20 is made of 2 × 10 Mg.²⁰/cm³A laser device was obtained in the same manner as in Example 1 except that single doped p-type GaN was grown by 0.2 μm. That is, the basic configuration is as shown in Table 1.
[0085]
[Table 1]

[0086]
The laser device of the comparative example configured as described above has a threshold current density of 7 kA / cm.²However, the threshold voltage was 8.0 V or more, and it was cut off in a few minutes.
[0087]
[Example 2]
In Example 1, the n-side contact layer 12 is made of 2 × 10 Si.¹⁹/cm³Doped n-type Al_0.05Ga_0.95A first layer of N is grown to a thickness of 30 Å, and then a second layer of undoped GaN is grown to a thickness of 30 Å, and this is repeated until a total thickness of 1.2 μm A superlattice structure of The other structure is a laser device having the same structure as in Example 1, and the threshold current density is 2.7 kA / cm.²The lifetime was 60 hours or more at a threshold voltage of 4.2 V.
[0088]
[Example 3]
In Example 2, in the superlattice constituting the n-side contact layer 12, the second layer is made of 1 × 10 Si.¹⁸/cm³A laser device having a structure similar to that of Example 2 except that doped GaN was produced. As a result, a laser device having substantially the same characteristics as Example 2 was obtained.
[0089]
[Example 4]
In Example 1, the second buffer layer 112 is made of 1 × 10 Si.¹⁷/cm³A laser element having the same structure as that of Example 1 except that 4 μm was grown as doped GaN was manufactured. As a result, the threshold current density was 2.9 kA / cm.²The threshold voltage increased to 4.5 V, but the lifetime was 50 hours or more.
[0090]
[Example 5]
In Example 1, the n-side contact layer 12 is made of 2 × 10 Si.¹⁹/cm³Doped n-type Al_0.2Ga_0.8A first layer of N is grown to a thickness of 60 Angstroms, followed by 1 × 10 Si.¹⁹/cm³A second layer made of doped GaN is grown to a thickness of 40 angstroms, and this is repeated sequentially to obtain a superlattice structure with a total thickness of 2 μm. The n-side cladding layer 14 is made of 1 × 10 Si.¹⁹/cm³Doped n-type Al_0.2Ga_0.8N is grown to 0.4 μm. The other structure is a laser device having the same structure as in Example 1, and the threshold current density is 3.2 kA / cm.²The threshold voltage was 4.8 V and the lifetime was 30 hours or more.
[0091]
[Example 6]
The sixth embodiment is configured in the same manner as the first embodiment except that the following (1) and (2) are different from the first embodiment.
(1) After growing the buffer layer 11, only TMG is stopped and the temperature is raised to 1050 ° C. When the temperature reaches 1050 ° C., TMA, TMG, ammonia and silane are used as source gases, and Si is 1 × 10¹⁹/cm³Doped n-type Al_0.2Ga_0.8A first layer made of N is grown to a thickness of 60 Å, and then a second layer made of undoped GaN is grown to a thickness of 40 Å by stopping silane and TMA. Then, a superlattice layer is configured as first layer + second layer + first layer + second layer +..., 500 layers for the first layer and 500 layers for the second layer, respectively. Then, the n-side contact layer 12 made of a superlattice having a total film thickness of 5 μm is formed.
(2) Next, in the same manner as in Example 1, 5 × 10 Si was used.¹⁸/cm³Doped In_0.1Ga_0.9A crack prevention layer 13 made of N is grown to a thickness of 500 angstroms.
Then, the temperature is set to 1050 ° C., TMA, TMG, ammonia, and silane are used, and Si is 5 × 10¹⁸/cm³Doped n-type Al_0.2Ga_0.8An n-side cladding layer 14 made of N is grown to a thickness of 0.5 μm.
A laser element having the same structure as that of the laser element of the first embodiment is formed above the n-side cladding layer 14 later. In other words, in the basic structure shown in Table 1, a laser device is manufactured in which the n-side contact layer 12 and the p-side cladding layer 19 are superlattices and the thickness of the p-side contact layer 20 is 150 angstroms as in the first embodiment. This laser device has a threshold current density of 3.2 kA / cm.²At a threshold voltage of 4.8 V, continuous oscillation at 405 nm was confirmed, and the lifetime was 30 hours or longer.
[0092]
Furthermore, when the thickness of the p-side contact layer of the LD element having the structure of Example 6 is sequentially changed, the relationship between the thickness of the p-side contact layer and the threshold voltage of the LD element is shown in FIG. This is because the p-side contact layer has A (10 angstroms or less), B (10 angstroms), C (30 angstroms), D (150 angstroms, in this embodiment), E (500 angstroms), F (0. The threshold voltages in the case of 2 μm), G (0.5 μm), and H (0.8 μm) are shown. As shown in this figure, when the thickness of the p-side contact layer exceeds 500 angstroms, the threshold voltage tends to gradually increase. The thickness of the p-side contact layer 20 is desirably 500 angstroms or less, more preferably 300 angstroms or less. When the thickness is 10 angstroms or less (approximately 1 atomic layer or 2 atomic layers), the surface of the lower p-side cladding layer 19 is exposed, so that the contact resistance of the p-electrode deteriorates and the threshold voltage tends to increase. is there. However, since the LD element of the present invention has a superlattice layer, the threshold voltage is significantly lower than that of the comparative example.
[0093]
(Comparative Example 2)
In the laser device having the configuration shown in Table 1, the n-side cladding layer 14 is made of 1 × 10 Si.¹⁹/cm³Doped n-type Al_0.2Ga_0.8A first layer made of N is grown to a thickness of 180 Å, and then a second layer made of undoped GaN is grown to a thickness of 120 Å to form a multilayer film having a total thickness of 0.6 μm. In other words, when a laser element is manufactured with a structure in which the thicknesses of the first layer and the second layer are increased, the threshold current density is 6.5 kA / cm.²As a result, continuous oscillation was confirmed, and the threshold voltage was 7.5V. This laser element was cut off in a few minutes.
[0094]
[Example 7]
In Example 6, the p-side cladding layer 19 is made of 1 × 10 Mg.²⁰/cm³Doped Al_0.2Ga_0.8A first layer of N, 60 Angstroms and Mg of 1 × 10²⁰/cm³A laser element similar to that of Example 6 is manufactured except that a superlattice structure having a total film thickness of 0.5 μm is formed by laminating a doped p-type GaN layer and a second layer made of 40 Å. That is, when the laser element was fabricated in the same manner except that the film thickness of the superlattice layer constituting the p-side cladding layer 19 of Example 6 was changed, the threshold voltage slightly increased compared to the laser element of Example 6. Although there was a tendency, the lifetime of 20 hours or more was shown.
[0095]
[Example 8]
In Example 7, the n-side cladding layer 14 is further made of 1 × 10 Si.¹⁹/cm³Doped n-type Al_0.2Ga_0.8A first layer of N, 60 Angstroms, and Si of 1 × 10¹⁹/cm³A laser element similar to that of Example 7 is fabricated except that a superlattice structure having a total film thickness of 0.5 μm is formed by laminating a doped n-type GaN layer and a second layer made of 40 Å. That is, the laser device using the n-side cladding layer as a superlattice in addition to the n-side contact layer 12 and the p-side cladding layer 19 of Example 6 had substantially the same characteristics as Example 6.
[0096]
[Example 9]
In Example 1, without growing the second buffer layer 112, as shown in Table 1, 1 × 10 Si was formed directly on the first buffer layer 11 as the n-side contact layer 12.¹⁹/cm³A doped n-type GaN layer is grown to 5 μm. The other elements are laser elements having the same structure as in the first embodiment. That is, in the basic structure shown in Table 1, the n-side cladding layer 14 is made of 20 angstroms of Si (1 × 10¹⁹/cm³) Doped n-type Al_0.2Ga_0.8A superlattice structure having a total thickness of 0.4 μm is formed by laminating a first layer made of N and a second layer made of 20 Å of undoped GaN. Further, the p-side cladding layer 19 is made of 20 angstrom Mg (1 × 10²⁰/cm³) Doped p-type Al_0.2Ga_0.8A first layer of N and 20 Å of Mg (1 × 10²⁰/cm³) A superlattice structure having a total thickness of 0.4 μm formed by laminating a second layer made of doped p-type GaN. Further, the p-side contact layer 20 is made of 150 angstrom Mg (2 × 10 5 as in the first embodiment).²⁰/cm³) When doped p-type GaN, the threshold current density is 3.3 kA / cm²Thus, continuous oscillation at 405 nm was confirmed, the threshold voltage was 5.0 V, and the lifetime was 30 hours or more.
[0097]
[Example 10]
In Example 9, the second layer constituting the superlattice of the n-side cladding layer 14 is made of 1 × 10 Si.¹⁷/cm³A laser element similar to that of Example 9 is manufactured except that doped GaN is used. In other words, the laser device fabricated in the same manner as in Example 9 except that the layer having the larger band gap energy was doped with a large amount of Si exhibited substantially the same characteristics as in Example 9.
[0098]
[Example 11]
In Example 9, the second layer constituting the n-side cladding layer 14 is made of 1 × 10 Si.¹⁹/cm³Doped n-type In_0.01Ga_0.99A laser element is fabricated in the same manner except for N. In other words, the second layer composing the superlattice of the n-side cladding layer 14 is made of InGaN, and the first layer and the second layer are made the same in impurity concentration as in Example 9 except that the composition is the same. The laser element thus exhibited substantially the same characteristics as in Example 9.
[0099]
[Example 12]
In Example 9, the first layer constituting the n-side cladding layer 14 (Si: 1 × 10¹⁹/cm³Doped Al_0.2Ga_0.8N) is 60 angstroms thick and the second layer is 1 × 10 Si.¹⁹/cm³The doped 40 Å GaN has a superlattice structure with a total thickness of 0.5 μm. Further, the first layer (Mg: 1 × 10 10) constituting the p-side cladding layer 19.²⁰/cm³Doped Al_0.2Ga_0.8N) with a film thickness of 60 Å and a second layer (Mg: 1 × 10²⁰/cm³The film thickness of the dope: GaN) is 40 Å, and a superlattice structure with a total film thickness of 0.5 μm is formed. That is, the first layer and the second layer constituting the n-side cladding layer 14 have the same doping amount, the thickness is changed, and the first and second layers constituting the p-side cladding layer 19 are changed. A laser element was fabricated in the same manner as in Example 9 except that the thickness of the film was changed. The threshold current density was 3.4 kA / cm.²Thus, continuous oscillation at 405 nm was confirmed, the threshold voltage was 5.2 V, and the lifetime was 20 hours or more.
[0100]
[Example 13]
In Example 11, the Si concentration of the second layer (GaN) constituting the n-side cladding layer 14 is set to 1 × 10.¹⁷/cm³A laser element having a structure similar to that of Example 11 was produced. A laser element having substantially the same characteristics as Example 11 was produced.
[0101]
[Example 14]
In Example 11, a laser device having the same structure as that of Example 11 was produced except that the second layer (GaN) constituting the n-side cladding layer 14 was undoped. A laser device having
[0102]
[Example 15]
In Example 9, the n-side cladding layer 14 is made of 1 × 10 Si.¹⁹/cm³Doped n-type Al_0.2Ga_0.8A laser element is fabricated in the same manner except that N is grown by 0.4 μm. That is, in the basic structure of Table 1, only the p-side cladding layer 19 is made of 1 × 10 5 Mg as in the first embodiment.²⁰/cm³Doped p-type Al_0.2Ga_0.8A first layer of N, 20 Å, and 1 × 10 Mg¹⁹/cm³A superlattice structure with a total thickness of 0.4 μm composed of a second layer 20 Å of doped p-type GaN is formed, and the p-side contact layer 20 is made of 150 Å of Mg (2 × 10 5 as in the first embodiment).²⁰/cm³) When doped p-type GaN, the threshold current density is 3.4 kA / cm²Thus, continuous oscillation at 405 nm was confirmed, the threshold voltage was 5.1 V, and the lifetime was 20 hours or longer.
[0103]
[Example 16]
In Example 15, the thickness of the superlattice layer constituting the p-side cladding layer 19 is changed to the first layer (Al_0.2Ga_0.8N) was set to 60 Å, the second layer (GaN) was set to 40 Å, and a laser element similar to that of Example 14 was obtained except that the total film thickness was 0.5 μm. The threshold voltage slightly increased. Although there was a tendency, the lifetime was 20 hours or more.
[0104]
[Example 17]
In Example 9, the p-side cladding layer 19 is made of 1 × 10 Mg.²⁰/cm³Doped p-type Al_0.2Ga_0.8A laser element is fabricated in the same manner except that N is grown by 0.4 μm. That is, in the basic structure of Table 1, only the n-side cladding layer 14 is made of 1 × 10 5 Si as in the first embodiment.¹⁹/cm³Doped n-type Al_0.2Ga_0.8A superlattice structure having a total film thickness of 0.4 μm composed of a first layer made of N, 20 Å, and a second layer 20 Å made of undoped GaN, and the p-side contact layer 20 of Example 1 150 angstrom Mg (2 × 10²⁰/cm³) When doped p-type GaN, the threshold current density is 3.5 kA / cm²Thus, continuous oscillation at 405 nm was confirmed, the threshold voltage was 5.4 V, and the lifetime was 10 hours or longer.
[0105]
[Example 18]
In Example 17, the thickness of the superlattice layer constituting the n-side cladding layer 14 is changed to the first layer (Al_0.2Ga_0.8N) is 70 Å, and the second layer is 1 × 10 Si¹⁹/cm³Doped In_0.01Ga_0.99A laser element similar to that of Example 17 was obtained except that N and 70 angstroms were stacked and the total film thickness was 0.49 μm. The threshold voltage tended to slightly increase compared to Example 16, but the same A laser element having a lifetime of 10 hours or more was obtained.
[0106]
[Example 19]
In Example 17, the thickness of the superlattice layer constituting the n-side cladding layer 14 is changed to the first layer (Al_0.2Ga_0.8N) was set to 60 Å, the second layer (undoped GaN) was set to 40 Å, and a laser element similar to that of Example 16 was obtained except that the total film thickness was 0.5 μm. Although the threshold voltage tended to increase slightly, a laser element having a lifetime of 10 hours or more was obtained.
[0107]
[Example 20]
In Example 9, the n-side light guide layer 15 is further divided into a first layer made of undoped GaN, 20 Å, and undoped In_0.1Ga_0.9A superlattice layer having a total thickness of 800 angstroms formed by laminating the second layer 20 and N is formed. In addition, the p-side light guide layer 18 is also a first layer made of undoped GaN, 20 angstroms, and undoped In_0.1Ga_0.9A superlattice structure having a total thickness of 800 angstroms formed by laminating a second layer of N and 20 angstroms is formed. That is, in the basic structure of Table 1, the n-side cladding layer 14, the n-side light guide layer 15, the p-side light guide layer 18, and the p-side cladding layer 19 have a superlattice structure. As in Example 1, 150 angstrom Mg (2 × 10²⁰/cm³) When doped p-type GaN, the threshold current density is 2.9 kA / cm²Thus, continuous oscillation at 405 nm was confirmed, the threshold voltage was 4.4 V, and the lifetime was 60 hours or longer.
[0108]
[Example 21]
This embodiment will be described based on the LED element of FIG. In the same manner as in Example 1, a buffer layer 2 made of GaN is grown on a substrate 1 made of sapphire with a film thickness of 200 angstroms, and then Si is 1 × 10 6.¹⁹/cm³A contact layer made of doped n-type GaN is grown to a thickness of 5 μm, and then In_0.4Ga_0.6An active layer 4 made of N and having a single quantum well structure with a thickness of 30 Å is grown.
[0109]
(P-side superlattice layer)
Next, in the same manner as in Example 1, 1 × 10 Mg was used.²⁰/cm³Doped p-type Al_0.2Ga_0.8A first layer of N is grown to a thickness of 20 Å, followed by 1 × 10 Mg.¹⁹/cm³A second layer made of doped p-type GaN is grown to a thickness of 20 Å, and a p-side cladding layer 5 made of a superlattice with a total thickness of 0.4 μm is grown. The thickness of the p-side cladding layer 4 is not particularly limited, but it is desirable that the p-side cladding layer 4 be grown at 100 angstroms or more and 2 μm or less, more preferably 500 angstroms or more and 1 μm or less.
[0110]
Next, 1 × 10 5 of Mg is deposited on the p-side cladding layer 5.²⁰/cm³A doped p-type GaN layer is grown to a thickness of 0.5 μm. After the growth, the wafer is taken out of the reaction vessel, annealed in the same manner as in Example 1, and then etched from the p-side contact layer 6 side to expose the surface of the n-side contact layer 3 where the n-electrode 9 is to be formed. . A translucent p-electrode 7 made of Ni—Au having a thickness of 200 Å is formed on almost the entire surface of the uppermost p-side contact layer 6, and a p-pad electrode 8 made of Au is formed on the entire surface electrode 7. . An n-electrode 9 made of Ti—Al is also formed on the exposed surface of the n-side contact layer.
[0111]
When the wafer on which the electrodes were formed as described above was separated into 350 μm square chips to form LED elements, green light emission of 520 nm was exhibited at If20 mA, and Vf was 3.2V. In contrast, the p-side cladding layer 5 is made of a single Mg-doped Al._0.2Ga_0.8The Vf of the LED element composed of N was 3.4V. Furthermore, the electrostatic withstand voltage of the present example was twice or more.
[0112]
[Example 22]
In Example 21, the superlattice layer constituting the p-side cladding layer 5 has a first layer thickness of 50 angstroms and a second layer of 1 × 10 Mg.²⁰/cm³An LED element was prepared in the same manner except that 25 layers each of doped GaN and 50 angstroms were stacked to form a superlattice with a total film thickness of 0.25 μm. As a result, an LED element having substantially the same characteristics as in Example 21 was obtained. Obtained.
[0113]
[Example 23]
In Example 21, the superlattice layer constituting the p-side cladding layer 5 has a thickness of a first layer of 100 angstroms and a thickness of a second layer of 70 angstroms. When the LED element was produced in the same manner except that, Vf was 3.4 V, but the electrostatic withstand voltage was 20% or more better than the conventional one.
[0114]
[Example 24]
In Example 21, when the n-side contact layer 3 was grown, Si was 2 × 10¹⁹/cm³Doped n-type Al_0.2Ga_0.8The first layer made of N is grown to a thickness of 60 Å and the second layer made of undoped GaN is grown to a thickness of 40 Å. The superlattice has a total film thickness of 5 μm. Other than that, an LED element was manufactured in the same manner as in Example 12. At the same If of 20 mA, Vf was reduced to 3.1 V, and the electrostatic withstand voltage was improved by 2.5 times or more compared to the conventional case.
[0115]
[Example 25]
In Example 23, the superlattice first layer (Al_0.2Ga_0.8N) having a thickness of 60 Å and a second layer having a thickness of 40 Å, each of 25 layers is alternately stacked to produce an LED element having a similar structure except that the total thickness is 0.3 μm. As a result, Vf was 3.2 V and the electrostatic withstand voltage was more than twice that of the prior art.
[0116]
[Example 26]
This embodiment will be described based on the laser element shown in FIG. FIG. 4 is also a cross-sectional view when the element is cut in a direction perpendicular to the resonance direction of the laser beam as in FIG. 2, except that a substrate 101 made of GaN is used as the substrate 10. However, the third buffer layer 113 doped with n-type impurities is grown without growing the second buffer layer 112. The laser element shown in FIG. 4 is obtained by the following method.
[0117]
First, using MOVPE or HVPE on a sapphire substrate, Si is 5 × 10 × 5.¹⁸/cm³After the doped GaN layer is grown to a thickness of 300 μm, the sapphire substrate is removed to produce a Si-doped GaN substrate 101 having a thickness of 300 μm. The GaN substrate 101 is obtained by growing the GaN substrate 101 on the substrate different from the nitride semiconductor in a film thickness of, for example, 100 μm or more and then removing the dissimilar substrate. The GaN substrate 101 may be undoped or may be produced by doping an n-type impurity. When doping with n-type impurities, usually 1 × 10¹⁷/cm³~ 1x10¹⁹/cm³A GaN substrate with good crystallinity can be obtained by doping impurities within the range of.
[0118]
After the GaN substrate 101 is manufactured, the temperature is set to 1050 ° C. and Si is 3 × 10¹⁸/cm³A third buffer layer 113 made of doped n-type GaN is grown to a thickness of 3 μm. The third buffer layer 113 is a layer corresponding to the n-side contact layer 14 in FIGS. 1 and 2, but is not a layer for forming an electrode. 113. Note that the first buffer layer grown at a low temperature may be grown between the GaN substrate 101 and the third buffer layer 113 in the same manner as in the first embodiment. However, when the first buffer layer is grown. Is preferably 300 angstroms or less.
[0119]
Next, Si is formed on the third buffer layer 113 in the same manner as in Example 1 by 5 × 10 5.¹⁸/cm³Doped In_0.1Ga_0.9A crack prevention layer 13 made of N is grown to a thickness of 500 angstroms.
Next, Si is 5 × 10¹⁸/cm³Doped n-type Al_0.2Ga_0.8A first layer of N, 20 Å, and 5 × 10 Si¹⁸/cm³An n-side cladding layer 14 made of a superlattice layer having a total thickness of 0.4 μm is grown by alternately laminating the second layer 20 Å of doped GaN 100 times.
Next, in the same manner as in Example 1, 5 × 10 Si was used.¹⁸/cm³An n-side light guide layer 15 made of doped n-type GaN is grown to a thickness of 0.1 μm.
[0120]
Next, undoped In_0.2Ga_0.8A well layer made of N, 25 angstroms, and a barrier layer of 50 angstroms made of undoped GaN are grown twice, and alternately repeated twice. An active layer 16 is grown.
[0121]
Next, in the same manner as in Example 1, 1 × 10 Mg was used.²⁰/cm³Doped p-type Al_0. ₃Ga_0.7A p-side cap layer 17 made of N is grown to a thickness of 300 Å, and Mg is 1 × 10²⁰/cm³A p-side light guide layer 18 made of doped p-type GaN is grown to a thickness of 0.1 μm.
[0122]
Next, in the same manner as in Example 1, 1 × 10 Mg was used.²⁰/cm³Doped p-type Al_0.2Ga_0.8A first layer of N, 20 Å, and 1 × 10 Mg²⁰/cm³A second layer made of doped p-type GaN, a p-side cladding layer 19 made of a superlattice layer having a total thickness of 0.4 μm made of 20 Å, and finally, on the p-side cladding layer 19, 2 × 10 Mg²⁰/cm³A p-side contact layer 20 made of doped p-type GaN is grown to a thickness of 150 Å.
[0123]
After completion of the reaction, annealing was performed at 700 ° C., and then the uppermost p-side contact layer 20 and the p-side cladding layer 19 were etched by an RIE apparatus in the same manner as in Example 1 to form a ridge shape having a stripe width of 4 μm. And
[0124]
Next, as in Example 1, a p-electrode 21 made of Ni and Au is formed on almost the entire surface of the stripe ridge of the p-side contact layer 20, and n made of Ti and Al is formed on almost the entire back surface of the GaN substrate 101. The electrode 23 is formed.
[0125]
Next, as shown in FIG. 4, the SiO layer of the p-side cladding layer 19 excluding the area of the p-electrode 21.₂An insulating film 25 is formed, and a p-pad electrode 22 electrically connected to the p-electrode 21 is formed through the insulating film 25.
[0126]
After the electrodes are formed, the GaN substrate 101 is cleaved in a bar shape in a direction perpendicular to the p-electrode 21 to produce a resonator on the cleaved surface. The cleavage plane of the GaN substrate is the M plane. SiO on the cleavage plane₂And TiO₂A dielectric multilayer film was formed, and finally the bar was cut in a direction parallel to the p-electrode to obtain the laser chip shown in FIG. Next, the chip was placed face-up (with the substrate and the heat sink facing each other) on the heat sink, the p-pad electrode 22 was wire-bonded, and laser oscillation was attempted at room temperature. At room temperature, the threshold current density was 2.5 kA. /cm²At a threshold voltage of 4.0 V, continuous oscillation with an oscillation wavelength of 405 nm was confirmed, indicating a lifetime of 500 hours or longer. This is because the use of GaN for the substrate reduces the spread of crystal defects.
[0127]
【The invention's effect】
As described above, the nitride semiconductor device according to the present invention is configured using the superlattice layer in the p-type nitride semiconductor region or the n-type nitride semiconductor region other than the active layer. Can be very good.
That is, in the conventional nitride semiconductor device, it has been proposed that the active layer has a multiple quantum well structure, but the active layer is sandwiched, for example, the clad layer is composed of a single nitride semiconductor layer. Was normal. However, in the nitride semiconductor device of the present invention, since the superlattice layer having a layer in which a quantum effect appears is provided as a cladding layer or a contact layer for injecting current, the resistivity on the cladding layer side is lowered. Can do. Thereby, for example, the threshold current and threshold voltage of the LD element can be lowered, and the element can have a long lifetime. Furthermore, although the conventional LED was weak against static electricity, in the present invention, an element having a high electrostatic withstand voltage can be realized. Since Vf and the threshold voltage can be lowered in this manner, the amount of heat generation is reduced, and the reliability of the element can be improved. According to the nitride semiconductor device of the present invention, not only a light emitting device such as an LED and an LD, but also a solar cell, a photosensor, a transistor, etc. using a nitride semiconductor can realize a highly efficient device. And its industrial utility value is very large.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing a configuration of a nitride semiconductor device (LED device) according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a schematic cross-sectional view showing a configuration of a nitride semiconductor device (LD device) according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a graph showing the relationship between the thickness of the p-side contact layer and the threshold voltage in the LD element of Example 1 according to the present invention.
4 is a schematic cross-sectional view of an LD element of Example 26 according to the present invention. FIG.
[Explanation of symbols]
1, 10 ... the substrate,
2, 11... Buffer layer,
3, 12... N-side contact layer,
13... Crack prevention layer,
14... N-side cladding layer (superlattice layer),
15... N-side light guide layer,
4, 16 .... active layer,
17... Cap layer,
18... P-side light guide layer,
5, 19... P-side cladding layer (superlattice layer),
6, 20... P-side contact layer,
7, 21... P electrode,
8, 22... P pad electrode,
9, 23... N electrode,
24... N pad electrode,
25 .. Insulating film,
101... GaN substrate,
112... Second buffer layer,
113... Third buffer layer.

Claims

The sapphire substrate C plane or a GaN substrate of, an active layer provided over the n-type nitride semiconductor layer region, a p-side optical guide layer, p-side cladding layer and the p-side contact layer is the result are laminated A p-type nitride semiconductor layer region provided on the active layer ,
The p-side cladding layer is located farther from the active layer than the p-side light guide layer, has a thickness of 10 to 100 mm, and In _X Ga _1-X N (0 ≦ X <1) A first layer made of a nitride semiconductor represented by the following formula: Al _Y Ga _1-Y N (0 <Y <1), having a composition different from that of the first layer and having a thickness of 10 to 100 mm. And a superlattice layer laminated with a second layer made of a nitride semiconductor represented by
A nitride semiconductor device, wherein the concentration of p-type impurities doped in the first layer and the second layer is different from each other, and the impurity concentration of the second layer is increased.

2. The nitride semiconductor device according to claim 1, wherein each of the first layer and the second layer is made of a nitride semiconductor having a thickness of 70 mm or less.

The sapphire substrate C plane or a GaN substrate of, an active layer provided over the n-type nitride semiconductor layer region, a p-side optical guide layer, p-side cladding layer and the p-side contact layer is the result are laminated A p-type nitride semiconductor layer region provided on the active layer ,
A first layer made of a nitride semiconductor, wherein the n-type nitride semiconductor layer region has a thickness of 10 to 100 mm and represented by In _X Ga _1-X N (0 ≦ X <1); A second layer made of a nitride semiconductor having a composition different from that of the first layer and having a thickness of 10 to 100 mm and represented by Al _Y Ga _1-Y N (0 <Y <1) And the p-side cladding layer has a thickness of 10 to 100 mm and is represented by In _X Ga _1-X N (0 ≦ X <1) A third layer made of a physical semiconductor and a composition different from that of the third layer and having a thickness of 10 to 100 mm and expressed by Al _Y Ga _1-Y N (0 <Y <1) A superlattice layer laminated with a fourth layer made of a nitride semiconductor;
A nitride semiconductor device, wherein the third layer and the fourth layer have different p-type impurity concentrations, and the fourth layer has a higher impurity concentration.

4. The nitride semiconductor device according to claim 3, wherein each of the third layer and the fourth layer is made of a nitride semiconductor having a thickness of 70 mm or less.

5. The nitride semiconductor device according to claim 3, wherein the superlattice layer formed in the n-type nitride semiconductor region is an n-side cladding layer.

The nitride semiconductor element has a p-side cap layer made of a nitride semiconductor containing Al in contact with the active layer, and the p-side cap layer is located farther from the active layer than the p-side cap layer. The nitride semiconductor device according to claim 1, further comprising a p-side light guide layer having a lower band gap energy.

The nitride semiconductor device according to claim 1, wherein the p-side contact layer has a thickness of 500 mm or less.

The nitride semiconductor device according to claim 7, wherein the thickness of the p-side contact layer is further 300 mm or less and 10 mm or more.

The nitride semiconductor device according to claim 1, wherein the p-side light guide layer is a superlattice layer in which two layers having different compositions are stacked.

The nitride semiconductor device according to claim 9, wherein the two layers of the p-side light guide layer have different p-type impurity concentrations.

11. The nitride semiconductor device according to claim 9, wherein two layers of the p-side light guide layer have a higher p-type impurity concentration in a layer having a large band gap energy.

The nitride semiconductor device according to claim 1, wherein the p-side light guide layer is GaN or InGaN.

13. The ridge-like ridge portion is formed in the resonance direction in the p-side cladding layer and the layer formed closer to the p-side contact layer than the p-side cladding layer. Nitride semiconductor device.

The nitride semiconductor device according to claim 1, wherein the active layer includes a nitride semiconductor containing indium.