JP3863962B2

JP3863962B2 - 窒化物系ｉｉｉ−ｖ族化合物半導体発光素子とその製造方法

Info

Publication number: JP3863962B2
Application number: JP07101797A
Authority: JP
Inventors: 信明寺口
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 1997-03-25
Filing date: 1997-03-25
Publication date: 2006-12-27
Anticipated expiration: 2017-03-25
Also published as: JPH10270801A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体発光素子とその製造方法に関し、特に六角柱構造を用いた窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体発光素子とその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般的に、レーザの共振器面の作製には、基板のへき開性を用いた方法が使われている。しかしながら、通常、窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体発光素子に用いられるサファイア基板はへき開性がなく、特開平８−１７８０３号公報に記載されているように、絶縁体であるサファイア基板上に積層した窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体発光素子を下側のコンタクト層までドライエッチングすることで共振器を形成している。
【０００３】
また、スピネル基板（ＭｇＡｌ₂Ｏ₄）を用いて作製した窒化物系化合物半導体発光素子では、”ＩｎＧａＮｍｕｌｔｉ−ｑｕａｎｔｕｍ−ＷｅｌｌｓｔｒｕｃｔｕｒｅｌａｓｅｒｄｉｏｄｅｓｇｒｏｗｎＭｇＡｌ₂Ｏ₄ Ｓｕｂｓｔｒａｔｅｓ”，Ｓ．Ｎａｋａｍｕｒａｅｔａｌ．，Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．６８（１９９６）ｐｐ２１０５〜２１０７に記載されている。図１３に従来のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体発光素子の断面図を示す。符号１は基板、２は第１導電型ＧａＮ単結晶薄膜、３はＳｉＯ₂膜、４は第１導電型Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8Ｎクラッド層、５はアンドープのＩｎ_0.15Ｇａ_0.85Ｎ活性層、６は第２導電型Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8Ｎクラッド層、７はｐ型ＧａＮコンタクト層、８は第１導電側電極、９は第２導電側電極である。このＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体発光素子では窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体のポリッシングによる共振器の形成が行われている。あるいは”Ｈｉｇｈ−ｑｕａｌｉｔｙＧａＮｅｐｉｔａｘｉａｌｌａｙｅｒｇｒｏｗｎｂｙｍｅｔａｌｏｒｇａｎｉｃｖａｐｏｒｐｈａｓｅｅｐｉｔａｘｙｏｎ（１１１）ＭｇＡｌ₂Ｏ₄ Ｓｕｂｓｔｒａｔｅ”，Ａ．ｋｕｒａｍａｔａｅｔａｌ．，Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．６７（１９９５）ｐｐ２５２１〜２５２３に記載されているようにスピネル基板（ＭｇＡｌ₂Ｏ₄）のへき開性を用いた共振器の形成が行われている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
へき開性のあるスピネル基板を用いることで共振器面の形成は容易に可能となるが、サファイア基板やスピネル基板は絶縁性であり、基板のへき開性を用いて共振器を形成したとしても下側の電極を形成するために、ドライエッチングによって上側のストライプ電極の側をエッチングする必要がある。しかしながら、エッチングによって形成されたストライプの側面は平坦でなく、レーザ発振における光損失に大きく影響し、レーザ発振のしきい値電流の増大を招く問題が生じた。
【０００５】
本発明は、上に述べた問題点を解決する共振器端面およびストライプ側面の形成方法を見い出し、レーザ発振の低しきい値電流化を図ることを目的としている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体発光素子は、窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を積層して形成された窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体発光素子において、その窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体が六角柱状であって、その側面は３組の平行な２平面で形成されており、各組の平行な２平面の領域のうちでそれら２平面に垂直な方向に対面する領域が共振器面として作用し、３組の２平面のうちで１組の２平面による共振器面の面積に対して他の各組による共振器面の面積が０．２以下であることを特徴とする。
【０００８】
また、窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体発光素子の製造方法は、基板上に第１の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を成長させる工程と、その第１の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体上に酸化膜を形成する工程と、第１の窒化物系化合物半導体を露出させるまで、酸化膜を部分的にエッチングして窓を形成する工程と、その窓から六角柱構造の第２の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を成長させる工程とを含み、その六角柱の側面は３組の平行な２平面で形成され、各組の平行な２平面の領域のうちでそれら２平面に垂直な方向に対面する領域が共振器面として作用し、３組の２平面のうちで１組の２平面による共振器面の面積に対して他の各組による共振器面の面積が０．２以下に設定されることを特徴とする。
【０００９】
なお、窓の形状は六角形にすることができ、その場合には、平行となる１組の対向長さを１とした場合に、他の２組の対向長さを０．２以下に設定すればよい。
【００１０】
また、窓の形状を長方形にすることもでき、その場合には、短辺に対する長辺の長さを２２／（７×（３）^0.5）以上の比に設定すればよい。
【００１１】
【発明の実施の形態】
（実施の形態１）
図１に、六角柱形状レーザを作製する場合の製造工程断面図を示す。基板１上に、図示しないが低温成長ＧａＮバッファ層を介して、第１導電型のＧａＮ単結晶薄膜２をＭＯＣＶＤ法によって成長する。この時の製造工程の斜視図を図１（ａ）に示す。
【００１２】
次に、第１導電型のＧａＮ単結晶薄膜２の上にＣＶＤ法によりＳｉＯ₂膜３を堆積し、その上にレジストを塗付し、フォトリソグラフィーによって六角形状の窓を形成する。次に、レジストをマスクとしてドライエッチングにより部分的にＳｉＯ₂膜３を第１導電型のＧａＮ単結晶薄膜２まで除去し、さらにレジストを除去する。この時の製造工程の斜視図を図１（ｂ）に示す。
【００１３】
次に、基板１を再びＭＯＣＶＤ装置内に導入し、ＳｉＯ₂膜３をマスクにして選択成長を行い、窓部分に順次、第１導電型ＡｌＧａＮクラッド層４を成長させる。
【００１４】
さらに、連続してアンドープＩｎＧａＮ活性層５、第２導電型ＡｌＧａＮクラッド層６、第２導電型ＧａＮコンタクト層７を成長させる。最後に、ＳｉＯ₂膜３を除去し、フォトリソグラフイーを用いて第１導電側電極８、第２導電側電極９を形成し、チップ分割することでレーザが作製できる。この時の製造工程の斜視図を図１（ｄ）に示す。
【００１５】
窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体の結晶成長条件を選ぶことによって窓部分にのみ結晶成長することが可能となる。この場合、ＭＯＣＶＤ法がより優位な結晶成長法であった。
【００１６】
また、窓部分に成長させる六角柱は、成長の初期段階より１つの結晶核からその結晶を徐々に大きくしていくことがより好ましい。しかしながら、成長の初期段階で複数の六角柱が発生した場合でも、結晶成長速度を最適化することによってそれぞれの六角柱が結合し、１つの六角柱にすることができる。六角柱の面内方向の成長は、窓のパターンに達すると停止し、その後は面に垂直な方向にのみ成長が進行する。
【００１７】
本実施の形態では、異なる３つの六角形状の窓から選択成長させた窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体発光素子を作製した。この時の窓の形状を図２に示す。図２（ａ）に示す窓の形状は正六角形であり、１辺ａを３０μｍとした。
【００１８】
図２（ｂ）に示す窓のパターン形状は、平行となる１組の対向長さを１とした場合に、他の２組の対向長さを０．２とした形状である六角形であり、短辺ａを３０μｍ、長辺を６５μｍとした。ここで、対向長さとは平行な辺に垂線を引いてできる最大の長方形での短辺の長さのことである。
【００１９】
また、図２（ｃ）に示す窓のパターン形状は平行となる１組の対向長さを１とした場合に、他の２組の対向長さを０とした形状であり、短辺ａを３０μｍ、長辺を９０μｍとした。
【００２０】
このような窓から形成したレーザの層構造は、ｎ型ＧａＮ層（膜厚０．２μｍ、キャリア濃度１×１０¹⁹ｃｍ^-3）、ｎ型Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8Ｎクラッド層（膜厚１．０μｍ、キャリア濃度５×１０¹⁷ｃｍ^-3）、ｉ型Ｉｎ_0.15Ｇａ_0.85Ｎ活性層（膜厚６０Å）、ｐ型Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8Ｎクラッド層（膜厚０．８μｍ、キャリア濃度５×１０¹⁷ｃｍ^-3）、ｐ型ＧａＮコンタクト層（膜厚０．２μｍ、キャリア濃度５×１０¹⁸ｃｍ^-3）からなっている。駆動電流は、パルス幅１μｓｅｃ，パルス周期１ｍｓｅｃのパルス電流とした。
【００２１】
本発明の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体発光素子での図２（ｃ）に示す窓から成長させた構造での発振スペクトルを図３に示す。図３に示すように、レーザの発振スペクトルはほぼ単一のピークとなっており、従来の電極ストライプ構造のレーザより発振波長の単一性が向上している。これは、本発明のように六角柱構造を用いた場合、レーザの共振器長が六角柱構造の大きさのみによって決定され、六角柱構造の大きさを変えることで、極めて容易に単一波長の発振レーザが実現できるためである。
【００２２】
一方、従来のへき開して共振器端面を形成する場合には、素子作製の歩留り等の問題から数百μｍ以上に制限されるため、単一波長発振は困難である。なお、六角柱の大きさが小さすぎた場合、上部電極の形成が困難となるため、共振器長としては１０μｍ以上の長さが好ましい。
【００２３】
また、異なる六角形状の窓から成長させて作製した窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体発光素子の注入される電流密度と光出力との関係を図４に示す。本実施の形態と同一の層構造でポリッシングおよびドライエッチングを用いて作製した従来のレーザに比べ、図２（ｂ）、（ｃ）に示す窓から成長させた構造ではしきい値電流密度が低減できた。これは、本発明の六角柱構造の平行となる２つの面を共振器面として用いた場合、六角柱構造の表面が原子オーダーで平坦な面となっているため、ポリッシングなどで形成した共振器面あるいはドライエッチングで形成したリッジ側面に比べて平坦性が著しく改善され、その結果、共振器面およびリッジ側面での光の損失が著しく低減されるためである。一方、図２（ａ）の場合には、共振器面が３方向で形成されるため、光の閉じ込め効率が悪く、発振までに至らなかった。
【００２４】
また、図４に示されるように１辺の対向面積が他の辺の対向面積より大きくなるにつれて、しきい値電流密度は減少している。これは、六角柱構造が正六角形の場合、レーザ発振が３つの共振器面方向で起こるため、しきい値電流密度の増大を招くためである。この状態での発振の模式図を図５（ａ）に示す。しきい値電流密度を低減するには、六角柱の１組の平行な面の対向面積を他の２組の面の対向面積よりも大きくすることが必要である。１組の長辺の長さをｂとし、他の最も長い辺をａとすると、ｂ≧１５ａ／７を満たす六角形状の窓から成長させた窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体発光素子での発振の模式図を図５（ｂ）に示す。窓の形状は平行となる１組の対向長さを１とした場合に、他の２組の対向長さを０．２とした形状である六角形であり、ほぼ一方向からレーザ発振が生じ、わずかに他の２方向からレーザ発振が生じていることが示されている。
【００２５】
また、ｂ≧３ａを満たす六角形の窓から作製した場合には、１方向にのみ共振器が形成され、他の２方向には共振器は形成されずに理想的なレーザ構造となる。この場合の発振の模式図を図５（ｃ）に示す。
【００２６】
平行となる１組の長辺の面の対向長さをｂであり、他の２組の平行な面の対向長さをｃとすると、窓のパターン形状の六角形でのｃ／ｂを横軸にとり、ｃ／ｂの時のしきい値電流密度とｃ／ｂ＝０の時のしきい値電流密度との比を縦軸にとり、その相関関係を示す図を図６に示す。実用的にはｃ／ｂ＝０の時のしきい値電流密度の２倍までが好ましい。
【００２７】
一方向にのみ共振器が形成されていること、つまり窓のパターン形状の六角形がｃ／ｂ＝０である場合、つまりｂ≧３ａである場合が理想的であるが、図６に示すように、実用的には１つの組みの対向長さに対する他の２つの組の対向長さが０．２以下することによって、従来構造のレーザよりもしきい値電流を大幅に低減することが可能であり、実用的と考えられる。この場合、窓のパターン形状の六角形がｂ／ａ＝１５／７以下であるという条件を満たしていればよい。
【００２８】
（実施の形態２）
実施の形態１では、形成するレーザの六角柱構造と同一形状の窓を設けることによって六角柱構造を得ることが可能となるが、本実施の形態ではより簡便な窓の形状としては長方形として、本実施の形態では、異なる３つの長方形状の窓を有する酸化膜を選択成長のマスクとして用いた。図７は長方形の形状の窓からなる層から成長させた六角柱構造の半導体レーザの上面図である。
【００２９】
長方形の窓の短辺の長さを５０μｍとして、図７（ａ）に示す窓は長辺と短辺の比を１．１５とした長方形（長辺の長さ５７．５μｍ）であり、図７（ｂ）に示す窓は、長辺と短辺の比が２．０（比が２２／（７×（３）^0.5）以上４／（３）^0.5以下）とした長方形（長辺の長さ１００μｍ）、図７（ｃ）に示す窓は長辺と短辺の比が２．５（比が４／（３）^0.5以上）とした長方形（長辺の長さ１２５μｍ）である。窓の長方形状内に窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体発光素子を実施の形態１と同様の製造工程を用いて作製した。
【００３０】
六角柱構造を正六角形状のレーザを図７（ａ）に示し、平行となる１組の対向長さを１とした場合に、他の２組の対向長さが０．２以下となる六角形柱のレーザを図７（ｂ）に示し、平行となる１組の対向長さを１とした場合に、他の２組の対向長さが０となる六角形柱を図７（ｃ）に示す。
【００３１】
図８に、異なる長方形状の窓から成長させたレーザの電流−光出力特性を示す。なお、レーザの層構造は、実施の形態１と同様である。駆動電流は、パルス幅１μｓｅｃ，パルス周期１ｍｓｅｃのパルス電流である。図８から明らかなように、長方形状の長辺が短辺に対して大きくなるに従って、しきい値電流密度は減少している。図７（ａ）に示す正六角形の構造では、発振まで至らなかった。
【００３２】
図７（ｃ）に示すような理想的な六角柱構造を得るためには長方形の長辺と短辺との比を４／（３）^0.5以上にすることが必要である。
【００３３】
一方向にのみ共振器が形成されているのが理想的であるが、実際のレーザでは、１つの組の対向面積を１とした場合に、他の２組の対向面積を０．２以下程度にしても、実施の形態１で記載したように、従来構造のレーザよりもしきい値電流を大幅に低減することが可能であり、この場合には長方形の長辺と短辺との比を２２／（７×（３）^0.5）以上にすれば良い。
【００３４】
（実施の形態３）
六角形あるいは長方形の窓のパターン形状での平行な１組の辺と六方晶である窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体の等価な６つのａ軸のうちの１つと垂直になっていることが望ましい。窒化物系化合物半導体の結晶面とａ軸との関係を図９に示す。図９に示されるように、六角柱構造の壁面がａ軸と直交する面であることに起因する。実際の結晶成長の場合には、もう少し条件をゆるめることができ、９０°±５°の角度範囲内にあればよい。
【００３５】
基板としてＳｉＣを用いた場合、ＳｉＣ基板のａ軸に対して長方形の長辺が９０°の角をなす方向に形成された窓の形状を図１０（ａ）に示す。次に、窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体のａ軸に対し長方形の長辺が４５°の角をなす方向に形成された窓の形状を図１０（ｂ）に示す。更に、窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体のａ軸に対し長方形の長辺が６０°の角をなす方向に形成された窓の形状を図１０（ｃ）にしめす。図１０（ａ）〜（ｃ）に示す窓の形状内に窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を成長させた六角柱構造も図中に示している。長方形の形状は、長辺と短辺の比が２．５とした長方形（長辺の長さ１２５μｍ）であり、同一のものとした。この図により、図１０（ａ）に示すＳｉＣ基板上のａ軸に対し長方形の長辺が９０°の角をなす方向に形成された窓のパターン形状の時、最も望ましい六角柱構造の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体が形成されていることがわかる。
【００３６】
一般に、化合物半導体の結晶成長方向は、基板１の結晶構造、面方位によって決定される。基板１として６Ｈ−ＳｉＣのようなウルツ鉱構造を有する材料の（００１）面（ｃ面）を用いた場合、基板のａ軸と窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体であるＧａＮのａ軸は完全に一致し、長方形の長辺をこれと直交するように窓を形成すればよい。基板としてサファイアを用いた場合には、サファイアのａ軸に対してＧａＮのａ軸が３０°回転した方向にＧａＮが成長するため、長方形の長辺をサファイア基板の３０°回転するように窓を形成すればよい。
【００３７】
図１１に実施の形態１と同様の製造工程を用いて作製したレーザの電流−光出力特性を示す。なお、レーザの層構造は、実施の形態１と同様である。駆動電流は、パルス幅１μｓｅｃ，パルス周期１ｍｓｅｃのパルスである。
【００３８】
図１１から明らかなように、図１０（ａ）に示す窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体発光素子の共振器面が形成されレーザ発振しているが、図１０（ｂ）、（ｃ）に示す窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体では発振の効率が非常に悪かった。また、図１０（ｂ）、（ｃ）の場合には、得られる窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体の形状が一定していなかった。したがって、六角形あるいは長方形の平行な１組の辺が六方晶をとる窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体の等価な３つのａ軸のうちの１つと垂直になっていることが望ましい。
【００３９】
なお、実施の形態では、図１２（ａ）に示す直交する２本の２回対称軸を有する六角柱構造について述べているが、図１２（ｂ）に示すような１本の２回対称軸を有する六角柱構造や、対称軸を有しない図１２（ｃ）に示すような六角柱構造でもレーザ発振可能であるが、共振器面のうちの１つの組の対向面積を１とした場合に、他の２組の対向面積が０．２以下となっていることが好ましい。
【００４０】
本発明は、六方晶をとる窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体であれば、ＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ以外にも適用でき、例えばＢＮでもよい。
【００４１】
【発明の効果】
本発明において見い出したレーザ構造を用いることにより、共振器やレーザ素子の作製が容易になり、また、窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体素子特性が向上し、さらに容易に単一波長発振レーザが実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る六角柱構造のレーザ素子の製造工程を示す斜視図である。
【図２】本発明に係る窓の形状を示す図である。
【図３】実施の形態１のレーザの発振スペクトルを示す図である。
【図４】実施の形態１のレーザの電流−光出力特性を示す図である。
【図５】実施の形態１に示す六角柱構造のレーザの共振器面の関係を示す図である。
【図６】ｃ／ｂと、ｃ／ｂ＝０の時のしきい値電流密度に対するしきい値電流密度の比との相関を示す図である。
【図７】実施の形態２の長方形の窓から成長させた六角柱構造のレーザの上面図である。
【図８】実施の形態２のレーザの電流−光出力特性を示す図である。
【図９】窒化物系化合物半導体結晶のａ軸と結晶面の関係を示す図である。
【図１０】実施の形態３の長方形の窓から成長させた六角柱構造のレーザの上面図である。
【図１１】実施の形態３のレーザの電流−光出力特性を示す図である。
【図１２】さまざまな六角柱構造のレーザを示す図である。
【図１３】従来構造のレーザを示す図である。
【符号の説明】
１基板
２第１導電型ＧａＮ単結晶薄膜
３ＳｉＯ₂膜
４第１導電型ＡｌＧａＮクラッド層
５アンドープＩｎＧａＮ活性層
６第２導電型ＡｌＧａＮクラッド層
７第２導電型ＧａＮコンタクト層
８第１導電側電極
９第２導電側電極

Claims

窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を積層して形成された窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体発光素子において、
前記窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体が六角柱状であって、その側面は３組の平行な２平面で形成されており、
各前記組の平行な２平面の領域のうちでそれら２平面に垂直な方向に対面する領域が共振器面として作用し、
前記３組の２平面のうちで１組の２平面による共振器面の面積に対して他の各組による共振器面の面積が０．２以下であることを特徴とする窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体発光素子。
基板上に第１の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を成長させる工程と、前記第１の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体上に酸化膜を形成する工程と、
前記第１の窒化物系化合物半導体を露出させるまで、前記酸化膜を部分的にエッチングして窓を形成する工程と、
前記窓から六角柱構造の第２の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を成長させる工程とを含み、
前記六角柱の側面は３組の平行な２平面で形成され、各前記組の平行な２平面の領域のうちでそれら２平面に垂直な方向に対面する領域が共振器面として作用し、前記３組の２平面のうちで１組の２平面による共振器面の面積に対して他の各組による共振器面の面積が０．２以下に設定されることを特徴とする窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体発光素子の製造方法。
前記窓の形状が六角形であり、平行となる１組の対向長さを１とした場合に、他の２組の対向長さが０．２以下に設定されることを特徴とする請求項２に記載の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体発光素子の製造方法。
前記窓の形状が長方形であり、短辺に対する長辺の長さが２２／（７×（３）^0.5）以上の比に設定されることを特徴とする請求項２に記載の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体発光素子の製造方法。