JP3880683B2 - 窒化ガリウム系半導体発光素子の製造方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は窒化ガリウム系半導体発光素子及びその製造方法に係り、特に、窒化物半導体よりなる量子井戸構造活性層を備えた窒化ガリウム系発光素子及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
紫外から緑色の波長領域での発光波長を有する半導体レーザ素子（ＬＤ）や発光ダイオード素子（ＬＥＤ）等の半導体材料として、窒化ガリウム系半導体（ＧａＩｎＡｌＮ）が用いられている。これらの発光素子を作製するための基板としては、サファイア基板やＧａＮ基板等が用いられており、これらの基板の上に有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）や分子線エピタキシー法（ＭＢＥ法）等の気相成長法により窒化ガリウム系半導体からなる発光部を形成している。サファイア基板を用いた場合の気相成長法による窒化ガリウム系半導体を形成する際の基板の厚さとしては、例えば特開平５−１６６９２３号公報に記載されており、通常３００〜５００μｍの厚さが用いられていた。またＧａＮ基板を用いた場合は、例えば特開平７−９４７８４号公報に記載されており、気相成長法による窒化ガリウム系半導体を形成する際の基板の厚さとしては特にこだわらず、５０μｍ〜５００μｍを好ましい厚さとして用いられていた。
【０００３】
一方最近では、このような窒化ガリウム系半導体による発光素子の活性層として、量子井戸構造が用いられている。例えば青色ＬＤは、Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ，ｖｏｌ．６９，Ｎｏ．１０，ｐ．１４７７〜１４７９に記載されており、その断面図を図７に示す。図７において、１０１はサファイア基板、１０２はＧａＮバッファ層、１０３はｎ−ＧａＮコンタクト層、１０４はｎ−Ｉｎ0.05Ｇａ0.95Ｎ層、１０５はｎ−Ａｌ0.05Ｇａ0.95Ｎクラッド層、１０６はｎ−ＧａＮガイド層、１０７はＩｎ0.2Ｇａ0.8Ｎ量子井戸層とＩｎ0.05Ｇａ0.95Ｎ障壁層とからなる多重量子井戸構造活性層、１０８はｐ−Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎ層、１０９はｐ−ＧａＮガイド層、１１０はｐ−Ａｌ0.05Ｇａ0.95Ｎクラッド層、１１１はｐ−ＧａＮコンタクト層、１１２はｐ側電極、１１３はｎ側電極、１１４はＳｉＯ2絶縁膜である。ここで、多重量子井戸構造活性層１０７は、３ｎｍ厚のＩｎ0.2Ｇａ0.8Ｎ量子井戸層が５層、６ｎｍ厚のＩｎ0.05Ｇａ0.95Ｎ障壁層が４層、の合計９層で構成され、量子井戸層と障壁層が交互に形成されている。またこれらの結晶成長時の温度は、ＧａＮバッファ層１０２が５１０℃、多重量子井戸構造活性層１０７が８３０℃、これら以外の各層は１０２０℃である。この他、特開平８−３１６５２８号公報にも同様に量子井戸構造活性層を有する窒化ガリウム系半導体を用いた青色ＬＤが記載されているが、これらはいずれも結晶成長時における基板の厚さについては特にこだわらずに作成されていた。
【０００４】
また青色ＬＥＤは、例えば、上記の特開平８−３１６５２８号公報に記載されており、その断面図を図８に示す。図８において、１２１はサファイア基板、１２２はＧａＮバッファ層、１２３はｎ−ＧａＮコンタクト層、１２４はｎ−Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ｎ第２ｎ型クラッド層、１２５はn −Ｉｎ 0.01 Ｇａ 0.99 Ｎ第１ｎ型クラッド層、１２６は３ｎｍ厚のＩｎ0.05Ｇａ0.95Ｎ単一量子井戸構造活性層、１２７はｐ−Ｉｎ 0.01 Ｇａ 0.99 Ｎ第１ｐ型クラッド層、１２８はｐ−Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ｎ第２ｐ型クラッド層、１２９はｐ−ＧａＮコンタクト層、１３０はｐ側電極、１３１はｎ側電極である。これらの結晶成長時の温度は、ＧａＮバッファ層１２２が５００℃、単一量子井戸構造活性層１２６が８００℃、これら以外の各層は１０５０℃である。このような青色ＬＥＤにおいても、結晶成長時における基板の厚さについては特にこだわらず作成されていた。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、量子井戸構造活性層を用いた従来の青色ＬＤ及び青色ＬＥＤ素子には、結晶成長時に用いた基板ウェハーの面内での発光特性の分布が非常に大きいという問題点があった。すなわち青色ＬＤでは発振波長が基板ウェハーの中心部分と周辺部分で大きく異なり、所望の発振波長を得るための歩留まりが大きく低下してしまう。例えば直径２インチのサファイア基板を使用した場合、発振波長は基板ウェハーの中心部と周辺部とで１５０ｎｍもの違いを生じていた。さらに、従来の青色ＬＤは発振閾値電流値が１００ｍＡ以上と高く、光ディスク等の情報処理用として実用に供するためには大幅に発振閾値電流値を低減する必要があった。
【０００６】
また、青色ＬＥＤに関してはすでに実用化されているものの、やはり青色ＬＤと同様に発光波長が基板ウェハーの中心部分と周辺部分で大きく異なり、所望の発光波長を得るための歩留まりが大きく低下してしまうという問題がある。ＬＥＤを用いた大型のフルカラーディスプレーのように、同一の発光波長を有するＬＥＤを大量に必要とするような用途の場合、発光波長の面内分布が大きいことにより青色ＬＥＤの歩留まりが低下してしまうと、フルカラーディスプレーのコストの増大につながってしまう。このため、歩留まりよく同一の発光波長で作製できる青色ＬＥＤの実現が望まれていた。
【０００７】
本発明は以上のような事情に鑑みてなされたものであり、上記窒化ガリウム系半導体発光素子における課題を解決して、基板ウェハー面内において均一で良好なレーザ発振特性を有する半導体レーザ素子とその製造方法、及び、基板ウェハー面内で発光波長が均一な発光ダイオード素子とその製造方法を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するため、本発明に係る窒化ガリウム系半導体発光素子は、基板上に、窒化物半導体からなるクラッド層及び／又はガイド層に挟まれた、少なくともインジウムとガリウムを含む窒化物半導体からなる量子井戸構造活性層を、気相成長法により形成する製造方法であって、前記基板として、５μｍ以上４０μｍ以下の厚さを有する窒化ガリウム基板を用いることを特徴とする。
【０００９】
このような本発明を見い出すにあたって、本発明者は従来素子における前記課題の原因について詳細に調査を行い、その結果、量子井戸層を形成する際の結晶成長時における基板ウェハーの面内での表面温度の分布により、基板ウェハーの面内での発光特性の分布が生じていることが判明した。すなわち、窒化ガリウム系半導体発光素子において量子井戸層として用いられるＩｎＧａＮ材料は、ＩｎＧａＮが形成される基板表面の温度によってＩｎ組成が大きく変化する。特にＩｎＧａＮの結晶成長を開始した直後は、基板表面の温度によるＩｎ組成の変化が大きくなっている。従って、層厚が非常に薄い量子井戸層をＩｎＧａＮで形成する場合は、ＩｎＧａＮの結晶成長を開始した直後の影響が大きくなり、基板表面温度が低下すると急激にＩｎ組成が大きくなってしまうことがわかった。ＩｎＧａＮ材料においてはＩｎ組成によって発光波長が変化するため、Ｉｎ組成が大きくなると発光波長は長波長化してしまう。
【００１０】
さらに、基板ウェハー面内での表面温度の分布は、結晶成長時の基板の反りによる不均一な熱伝導が影響していることが判明した。窒化ガリウム系半導体の結晶成長では基板ウェハーの温度を５００℃〜１１００℃に上昇して結晶成長を行っているが、基板の温度を上昇するには基板の底面に接した発熱体からの熱伝導により基板の温度を上昇させている。この場合、基板の厚さが５０μｍ以上である従来の窒化ガリウム系半導体発光素子では、基板が厚いために基板の底面と表面とで温度差が生じ、底面の方が表面よりも温度が高くなる。その結果、基板の底面は表面に比べて熱膨張が大きくなり、図９に示されるように基板ウェハー１３０が反ってしまい、中心部のみが発熱体１３１に接して周辺部が発熱体から離れた状態になってしまう。従って、周辺部へは発熱体からの熱が伝わりにくくなり、中心部に比べて周辺部の温度は低くなっている。このためＩｎＧａＮを結晶成長した際に周辺部ではＩｎ組成が大きくなり、基板ウェハーの面内での発光特性の分布を引き起こしていた。
【００１１】
すなわち、青色ＬＤでは発振波長がＩｎＧａＮ量子井戸構造活性層のＩｎ組成で決まるために、基板ウェハーの中心部分と周辺部分でＩｎ組成が異なることによって発振波長が大きく異なり、所望の発振波長を得るための歩留まりが大きく低下してしまっていた。さらに、１個の青色ＬＤ素子の共振器構造の内部でもＩｎＧａＮ量子井戸層のＩｎ組成に分布が生じているため、一定の発光波長で得られる光利得が小さくなって、発振閾値電流を増大させていた。一方、青色ＬＥＤに関しても青色ＬＤと同様に発光波長が基板ウェハーの中心部分と周辺部分で大きく異なり、所望の発光波長を得るための歩留まりが大きく低下してしまっていた。
【００１２】
従って本発明では、気相成長法により、窒化物半導体からなるクラッド層及び／又はガイド層に挟まれた、少なくともインジウムとガリウムを含む窒化物半導体からなる量子井戸構造活性層を形成する際の基板として窒化ガリウム基板を用い、かつその厚さを、５μｍ以上４０μｍ以下と薄くした。これにより、ＩｎＧａＮを結晶成長する際の基板の底面と表面との温度差が無くなり、結晶成長時における基板ウェハーの反りが抑えられることによって基板ウェハーは底面全体で発熱体と接することになるため、基板ウェハー面内での表面温度の分布が抑えられた。
【００１３】
さらに、基板ウェハー面内での表面温度の分布を引き起こす基板の反りは、結晶成長時の基板の厚さだけではなく、基板上に形成した窒化ガリウム系半導体と基板との熱膨張係数の違いにも起因している。すなわち従来例のように、基板上に約１０５０℃で窒化ガリウム系半導体からなるクラッド層等を形成した後、ＩｎＧａＮ量子井戸構造活性層を形成するために基板温度を約８００℃に下げる際に、基板とその基板上に形成された窒化ガリウム系半導体との熱膨張係数の違いによって基板が反ってしまい、基板ウェハー面内での表面温度の分布を引き起こしていた。
【００１４】
従って本発明によれば、基板として窒化ガリウムを用いることにより、基板上に形成される半導体層と基板との熱膨張係数の違いが小さくなり、熱歪みによるウェハーの反りも抑えられ基板ウェハーの面内での表面温度の分布がさらに改善された。
【００１５】
以上の結果、ＩｎＧａＮ量子井戸構造活性層からの発光特性の分布が改善され、基板ウェハー面内において発振波長が均一で発振閾値電流値が低い窒化ガリウム系半導体レーザ素子と、基板ウェハー面内で発光波長が均一な窒化ガリウム系発光ダイオード素子が実現できた。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を実施例に基づいて説明する。
（実施例１）
図１は本発明の第１の実施例に係る窒化ガリウム系半導体レーザ素子を示す断面図であり、図２は図１中のＡ部を拡大した断面図である。この図において、１はｃ面を表面として有し厚さが４０μｍ、直径が２インチである半絶縁性ＧａＮ基板、２はノンドープＧａＮバッファ層、３はｎ−ＧａＮｎ型コンタクト層、４はｎ−Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎｎ型クラッド層、５はｎ−ＧａＮガイド層、６は２層のＩｎ0.2Ｇａ0.8Ｎ量子井戸層１４と１層のＩｎ0.05Ｇａ0.95Ｎ障壁層１５とからなる多重量子井戸構造活性層、７はＡｌ0.2Ｇａ0.8Ｎ蒸発防止層、８はｐ−ＧａＮガイド層、９はｐ−Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎｐ型クラッド層、１０はｐ−ＧａＮｐ型コンタクト層、１１はｐ側電極、１２はｎ側電極、１３はＳｉＯ2絶縁膜である。
【００１７】
本実施例において、半絶縁性ＧａＮ基板１の厚さを４０μｍとしたが、５μｍから４０μｍの間であればこの厚さにこだわらない。また基板の表面はａ面等の他の面方位であっても構わない。
【００１８】
ノンドープＧａＮバッファ層２は、半絶縁性ＧａＮ基板１の表面状態の変質によってその上に形成する窒化ガリウム系半導体発光部の結晶性が低下することを防ぐためのものであるが、半絶縁性ＧａＮ基板１の表面状態が良好に保たれていればバッファ層２は無くてもよい。またバッファ層２の材料は、その上に窒化ガリウム系半導体をエピタキシャル成長させることが出来るものであればＧａＮにこだわらず他の材料、例えばＡｌＮやＡｌＧａＮ３元混晶等を用いてもよい。
【００１９】
ｎ型クラッド層４及びｐ型クラッド層９は、ｎ−Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎ以外のＡｌ組成を持つＡｌＧａＮ３元混晶でもよい。この場合Ａｌ組成を大きくすると活性層とクラッド層とのエネルギーギャップ差及び屈折率差が大きくなり、キャリアや光が活性層に有効に閉じ込められてさらに発振閾値電流の低減及び、温度特性の向上が図れる。またキャリアや光の閉じ込めが保持される程度でＡｌ組成を小さくしていくと、クラッド層におけるキャリアの移動度が大きくなるため、半導体レーザ素子の素子抵抗を小さくできる利点がある。さらにこれらのクラッド層は微量に他の元素を含んだ４元以上の混晶半導体でもよく、ｎ型クラッド層４とｐ型クラッド層９とで混晶の組成が同一でなくても構わない。
【００２０】
ガイド層５と８は、そのエネルギーギャップが、多重量子井戸構造活性層６を構成する量子井戸層のエネルギーギャップとクラッド層４と９のエネルギーギャップの間の値を持つような材料であればＧａＮにこだわらず他の材料、例えばＩｎＧａＮやＡｌＧａＮ等の３元混晶やＩｎＧａＡｌＮ４元混晶等を用いてもよい。またガイド層全体にわたってドナー又はアクセプターをドーピングする必要はなく、多重量子井戸構造活性層６側の一部のみをノンドープとしてもよく、さらにはガイド層全体をノンドープとしてもよい。この場合、ガイド層に存在するキャリアが少なくなり、自由キャリアによる光の吸収が低減されて、さらに発振閾値電流が低減できるという利点がある。
【００２１】
多重量子井戸構造活性層６を構成する２層のＩｎ0.2Ｇａ0.8Ｎ量子井戸層１４と１層のＩｎ0.05Ｇａ0.95Ｎ障壁層１５は、必要なレーザ発振波長に応じてその組成を設定すればよく、発振波長を長くしたい場合は量子井戸層１４のＩｎ組成を大きくし、短くしたい場合は量子井戸層１４のＩｎ組成を小さくする。また量子井戸層１４と障壁層１５は、ＩｎＧａＮ３元混晶に微量に他の元素を含んだ４元以上の混晶半導体でもよい。さらに障壁層１５は単にＧａＮを用いてもよい。
【００２２】
次に、図１と図２を参照して上記窒化ガリウム系半導体レーザの作製方法を説明する。以下の説明ではＭＯＣＶＤ法（有機金属気相成長法）を用いた場合を示しているが、ＧａＮをエピタキシャル成長できる成長法であればよく、ＭＢＥ法（分子線エピタキシャル成長法）やＨＤＶＰＥ（ハイドライド気相成長法）等の他の気相成長法を用いることもできる。
【００２３】
まず所定の成長炉内の発熱体上に設置された、ｃ面を表面として有し厚さが４０μｍ、直径が２インチである半絶縁性ＧａＮ基板１上に、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）とアンモニア（ＮＨ3）を原料に用いて、成長温度６００℃でノンドープＧａＮバッファ層２を３５ｎｍ成長させる。
【００２４】
次に成長温度を１０５０℃まで上昇させて、ＴＭＧとＮＨ3、及びシランガス（ＳｉＨ4）を原料に用いて、厚さ３μｍのＳｉドープｎ−ＧａＮｎ型コンタクト層３を成長する。さらに続けてトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）を原料に加え、成長温度は１０５０℃のままで厚さ０．７μｍのＳｉドープｎ−Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎｎ型クラッド層４を成長する。続けて、ＴＭＡを原料から除いて、成長温度は１０５０℃のままで厚さ０．０５μｍのＳｉドープｎ−ＧａＮガイド層５を成長する。
【００２５】
次に、成長温度を８００℃に下げ、ＴＭＧとＮＨ3、及びトリメチルインジウム（ＴＭＩ）を原料に用いて、Ｉｎ0.2Ｇａ0.8Ｎ量子井戸層（厚さ５ｎｍ）１４、Ｉｎ0.05Ｇａ0.95Ｎ障壁層（厚さ５ｎｍ）１５、Ｉｎ0.2Ｇａ0.8Ｎ量子井戸層（厚さ５ｎｍ）１４を順次成長することにより多重量子井戸構造活性層（トータルの厚さ１５ｎｍ）６を作成する。さらに続けてＴＭＧとＴＭＡとＮＨ3を原料に用いて、成長温度は８００℃のままで厚さ１０ｎｍのＡｌ0.2Ｇａ0.8Ｎ蒸発防止層７を成長する。
【００２６】
次に、再び成長温度を１０５０℃に上昇して、ＴＭＧとＮＨ3、及びシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ2Ｍｇ）を原料に用いて、厚さ０．０５μｍのＭｇドープｐ−ＧａＮガイド層８を成長する。さらに続けてＴＭＡを原料に加え、成長温度は１０５０℃のままで厚さ０．７μｍのＭｇドープｐ−Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎｐ型クラッド層９を成長する。続けて、ＴＭＡを原料から除いて、成長温度は１０５０℃のままで厚さ０．２μｍのＭｇドープｐ−ＧａＮｐ型コンタクト層１０を成長して、窒化ガリウム系エピタキシャルウエハーを完成する。
【００２７】
その後、このウエハーを８００℃の窒素ガス雰囲気中でアニールして、Ｍｇドープのｐ型層を低抵抗化する。
【００２８】
さらに通常のフォトリソグラフィーとドライエッチング技術を用いて、２００μｍ幅のストライプ状にｐ−ＧａＮｐ型コンタクト層１０の最表面から、ｎ−ＧａＮｎ型コンタクト層３が露出するまでエッチングを行う。次に、上記と同様のフォトリソグラフィーとドライエッチング技術を用いて、残ったｐ−ＧａＮｐ型コンタクト層１０の最表面に、５μｍ幅のストライプ状にリッジ構造を形成するようにｐ−ＧａＮｐ型コンタクト層１０とｐ−Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎｐ型クラッド層９をエッチングする。
【００２９】
続いて、リッジの側面とリッジ以外のｐ型層表面に厚さ２００ｎｍのＳｉＯ2絶縁膜１３を形成する。このＳｉＯ2絶縁膜１３とｐ−ＧａＮｐ型コンタクト層１０の表面にニッケルと金からなるｐ側電極１１を形成し、エッチングにより露出したｎ−ＧａＮｎ型コンタクト層３の表面にチタンとアルミニウムからなるｎ側電極１２を形成して、窒化ガリウム系ＬＤウエハーを完成する。
【００３０】
その後、このウエハーをリッジストライプに垂直な方向に劈開してレーザの共振器端面を形成し、さらに個々のチップに分割する。そして、各チップをステムにマウントし、ワイヤーボンディングにより各電極とリード端子とを接続して、窒化ガリウム系半導体レーザ素子を完成する。
【００３１】
以上のようにして作製された青色ＬＤ素子は、発振波長４３０ｎｍ、発振閾値電流４０ｍＡというレーザ特性が得られた。また、基板ウエハー面内での発振波長の分布は小さくなり、ウェハーの中心部と周辺部とで従来１５０ｎｍあった発振波長の違いは１０ｎｍにまで低減された。このように本発明により、ＩｎＧａＮ量子井戸活性層からの発光特性の分布が改善され、基板ウェハー面内において発振波長が均一で発振閾値電流値が低い窒化ガリウム系半導体レーザ素子が実現できた。
【００３２】
図３には、窒化ガリウム系半導体レーザ素子において、直径が２インチである半絶縁性ＧａＮ基板の厚さによる、ウェハーの中心部と周辺部とでの発振波長の違いの大きさの変化、及び、発振閾値電流値の変化を表すグラフ図が示されている。各半導体レーザの構造は、結晶成長時におけるＧａＮ基板の厚さが異なること以外は本発明の実施例１に係る窒化ガリウム系半導体レーザ素子と同じである。この図からわかるように、結晶成長時におけるＧａＮ基板の厚さが５０μｍを越えると、発振波長の面内分布が急速に増大し、発振閾値電流値も高くなっている。従って、ウェハー面内において発光波長が均一であり、かつ低い発振閾値電流値を得ることが出来るのは、結晶成長時におけるＧａＮ基板の厚さが少なくとも５０μｍ以下である必要があり、４０μｍである本発明の実施例１に係る窒化ガリウム系半導体レーザ素子は十分に低い発振閾値電流値であった。また、基板の厚さを５μｍより薄くすると基板の機械的強度が低下するため割れやすくなり、基板ウェハーの取り扱い時に破損してしまうことによりコストの増大につながってしまった。
【００３３】
なお、本実施例では、多重量子井戸構造活性層６を構成する量子井戸層１４の層数を２層としたが、３層以上の多重量子井戸構造でもよく、１層のみの単一量子井戸構造でもよい。さらに、本実施例では、量子井戸層１４と障壁層１５の層厚をともに５ｎｍとしたが、これらの層厚が同一である必要はなく、異なっていても構わない。また量子井戸層の層厚も本実施例にこだわらない。
【００３４】
また本実施例では、多重量子井戸構造活性層６に接するようにＡｌ0.2Ｇａ0.8Ｎ蒸発防止層７を形成しているが、これは量子井戸層１４が成長温度を上昇している間に蒸発してしまうことを防ぐためである。従って、量子井戸層１４を保護するものであれば蒸発防止層７として用いることができ、他のＡｌ組成を有するＡｌＧａＮ３元混晶やＧａＮを用いてもよい。また、この蒸発防止層７にＭｇをドーピングしてもよく、この場合はｐ−ＧａＮガイド層８やｐ−Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎｐ型クラッド層９から正孔が注入され易くなるという利点がある。さらに、量子井戸層１４のＩｎ組成が小さい場合は蒸発防止層７を形成しなくても量子井戸層１４は蒸発しないため、特に蒸発防止層７を形成しなくても、本実施例の窒化ガリウム系半導体レーザ素子の特性は損なわれない。
【００３５】
本実施例では、リッジストライプ構造を形成して注入電流の狭窄を行っているが、電極ストライプ構造等の他の電流狭窄の手法を用いてもよい。また、本実施例では劈開によりレーザの共振器端面を形成しているが、ドライエッチングにより共振器端面を形成することもできる。
【００３６】
さらに本実施例では半絶縁性ＧａＮ基板を用いたため、エッチングにより露出したｎ−ＧａＮｎ型コンタクト層３の表面にｎ側電極１２を形成しているが、ｎ型導電性を有するＧａＮ基板を用いれば、この基板の裏面にｎ側電極１２を形成してもよい。また、ｐ型とｎ型の構成を逆にしても構わない。
【００３７】
また本実施例の窒化ガリウム系半導体レーザを光ディスクのデータ読み出し用光源として用いたところ、レーザの出射面上の発光部から約６０μｍだけ離れた所に入射される光ディスクからの戻り光が、ＧａＮ基板に入射されなかった。従って、５０μｍより厚い基板を用いていた従来例では、基板に入射したこの戻り光が半導体レーザの雑音を引き起こし、データの読み出しエラーを生じていたが、本実施例では基板が４０μｍ以下と薄いことにより基板に戻り光が入射ぜず、戻り光による雑音の発生が抑えられて、データの読み出しエラーを生じないという効果も得られた。
【００３８】
（実施例２）
図４は本発明の実施例２に係る窒化ガリウム系半導体発光ダイオード素子を示す断面図である。この図において、２１はｃ面を表面として有し厚さが２０μｍ、直径が２インチであるｎ型ＧａＮ基板、２２はｎ−ＧａＮｎ型コンタクト層、２３はｎ−Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎｎ型クラッド層、２４はｎ−ＧａＮガイド層、２５はＩｎ0.2Ｇａ0.8Ｎ量子井戸層からなる単一量子井戸構造活性層、２６はＡｌ0.2Ｇａ0.8Ｎ蒸発防止層、２７はｐ−ＧａＮガイド層、２８はｐ−Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎｐ型クラッド層、２９はｐ−ＧａＮｐ型コンタクト層、３０はｐ側電極、３１はｎ側電極である。
【００３９】
本実施例において、ｎ型ＧａＮ基板２１の厚さを２０μｍとしたが、５μｍから４０μｍの間であればこの厚さにこだわらない。また基板の表面はａ面等の他の面方位であっても構わない。
【００４０】
ｎ型クラッド層２３及びｐ型クラッド層２８は、ｎ−Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎ以外のＡｌ組成を持つＡｌＧａＮ３元混晶や、単にＧａＮを用いてもよい。この場合Ａｌ組成を大きくすると活性層とクラッド層とのエネルギーギャップ差が大きくなり、キャリアが活性層に有効に閉じ込められて温度特性の向上が図れる。またキャリアの閉じ込めが保持される程度でＡｌ組成を小さくしていくと、クラッド層におけるキャリアの移動度が大きくなるため、発光ダイオード素子の素子抵抗を小さくできる利点がある。さらにこれらのクラッド層は微量に他の元素を含んだ４元以上の混晶半導体でもよく、ｎ型クラッド層２３とｐ型クラッド層２８とで混晶の組成が同一でなくても構わない。
【００４１】
ガイド層２４と２７は、そのエネルギーギャップが、単一量子井戸構造活性層２５を構成する量子井戸層のエネルギーギャップとクラッド層２３と２８のエネルギーギャップの間の値を持つような材料であればＧａＮにこだわらず他の材料、例えばＩｎＧａＮ・ＡｌＧａＮ３元混晶やＩｎＧａＡｌＮ４元混晶等を用いてもよい。またガイド層全体にわたってドナー又はアクセプターをドーピングする必要はなく、単一量子井戸構造活性層２５側の一部のみをノンドープとしてもよく、さらにはガイド層全体をノンドープとしてもよい。この場合、ガイド層に存在するキャリアが少なくなり、自由キャリアによる光の吸収が低減されて、さらに光出力が向上するという利点がある。また、ガイド層２４と２７には、ｎ型クラッド層２３とｐ型クラッド層２８からそれぞれ電子と正孔を単一量子井戸構造活性層２５へ注入しやすくするという利点があるが、特にガイド層２４と２７を設けなくてもＬＥＤ素子特性が大きく悪化することはないので、ガイド層２４と２７はなくても構わない。
【００４２】
単一量子井戸構造活性層２５を構成するＩｎ0.2Ｇａ0.8Ｎ量子井戸層は、必要な発光波長に応じてその組成を設定すればよく、発光波長を長くしたい場合は量子井戸層２５のＩｎ組成を大きくし、短くしたい場合は量子井戸層２５のＩｎ組成を小さくする。また量子井戸層２５は、ＩｎＧａＮ３元混晶に微量に他の元素を含んだ４元以上の混晶半導体でもよい。
【００４３】
次に、図４を参照して上記窒化ガリウム系半導体発光ダイオードの作製方法を説明する。以下の説明ではＭＯＣＶＤ法（有機金属気相成長法）を用いた場合を示しているが、ＧａＮをエピタキシャル成長できる成長法であればよく、ＭＢＥ法（分子線エピタキシャル成長法）やＨＤＶＰＥ（ハイドライド気相成長法）等の他の気相成長法を用いることもできる。
【００４４】
まず所定の成長炉内の発熱体上に設置された、ｃ面を表面として有し厚さが２０μｍ、直径が２インチであるｎ型ＧａＮ基板２１上に、ＴＭＧとＮＨ3、及びＳｉＨ4を原料に用いて、成長温度を１０５０℃として、厚さ３μｍのＳｉドープｎ−ＧａＮｎ型コンタクト層２２を成長する。さらに続けてＴＭＡを原料に加え、成長温度は１０５０℃のままで厚さ０．３μｍのＳｉドープｎ−Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎｎ型クラッド層２３を成長する。続けて、ＴＭＡを原料から除いて、成長温度は１０５０℃のままで厚さ０．０５μｍのＳｉドープｎ−ＧａＮガイド層２４を成長する。
【００４５】
次に、成長温度を８００℃に下げ、ＴＭＧとＮＨ3、及びＴＭＩを原料に用いて、厚さ３ｎｍのＩｎ0.2Ｇａ0.8Ｎ量子井戸層からなる単一量子井戸構造活性層２５を作成する。さらに続けてＴＭＧとＴＭＡとＮＨ3を原料に用いて、成長温度は８００℃のままで厚さ１０ｎｍのＡｌ0.2Ｇａ0.8Ｎ蒸発防止層２６を成長する。
【００４６】
次に、再び成長温度を１０５０℃に上昇して、ＴＭＧとＮＨ3、及びＣｐ2Ｍｇを原料に用いて、厚さ０．０５μｍのＭｇドープｐ−ＧａＮガイド層２７を成長する。さらに続けてＴＭＡを原料に加え、成長温度は１０５０℃のままで厚さ０．３μｍのＭｇドープｐ−Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎｐ型クラッド層２８を成長する。続けて、ＴＭＡを原料から除いて、成長温度は１０５０℃のままで厚さ０．２μｍのＭｇドープｐ−ＧａＮｐ型コンタクト層２９を成長して、窒化ガリウム系エピタキシャルウエハーを完成する。
【００４７】
その後、このウエハーを８００℃の窒素ガス雰囲気中でアニールして、Ｍｇドープのｐ型層を低抵抗化する。
【００４８】
続いて、ｐ−ＧａＮｐ型コンタクト層２９の表面にニッケルと金からなるｐ側電極３０を形成し、ｎ型ＧａＮ基板２１の裏面にチタンとアルミニウムからなるｎ側電極３１を形成して、窒化ガリウム系ＬＥＤウエハーを完成する。
【００４９】
その後、このウエハーを個々のチップに分割する。そして、各チップをステムにマウントしてｎ側電極３１とステムとを接続し、ワイヤーボンディングによりｐ側電極３０とリード端子とを接続して、窒化ガリウム系半導体発光ダイオード素子を完成する。
【００５０】
以上のようにして作製された青色ＬＥＤ素子は、順方向電流２０ｍＡで、発光波長４３０ｎｍ・光出力４ｍＷという発光特性が得られた。また、実施例１と同様に、基板ウエハー面内での発光波長の分布は小さくなり、ウェハーの中心部と周辺部とで従来１５０ｎｍあった発光波長の違いは３ｎｍにまで低減された。このように本発明により、ＩｎＧａＮ量子井戸活性層からの発光特性の分布が改善され、基板ウェハー面内において均一な発光波長を有する窒化ガリウム系半導体発光ダイオード素子が実現できた。
【００５１】
なお、本実施例では、単一量子井戸構造活性層２５を構成するＩｎ0.2Ｇａ0.8Ｎ量子井戸層の層数を１とし層厚を３ｎｍとしたが、２層以上の多重量子井戸構造活性層でもよく、量子井戸層の層厚も本実施例にこだわらない。
【００５２】
また本実施例では、単一量子井戸構造活性層２５に接するようにＡｌ0.2Ｇａ0.8Ｎ蒸発防止層２６を形成しているが、これは量子井戸層２５が成長温度を上昇している間に蒸発してしまうことを防ぐためである。従って、量子井戸層２５を保護するものであれば蒸発防止層２６として用いることができ、他のＡｌ組成を有するＡｌＧａＮ３元混晶やＧａＮを用いてもよい。また、この蒸発防止層２６にＭｇをドーピングしてもよく、この場合はｐ−ＧａＮガイド層２７やｐ−Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎｐ型クラッド層２８から正孔が注入され易くなるという利点がある。さらに、量子井戸層２５のＩｎ組成が小さい場合は蒸発防止層２６を形成しなくても量子井戸層２５は蒸発しないため、特に蒸発防止層２６を形成しなくても、本実施例の窒化ガリウム系半導体発光ダイオード素子の特性は損なわれない。
【００５３】
さらに本実施例ではｎ型ＧａＮ基板を用いたことにより、実施例１のようなｎ−ＧａＮｎ型コンタクト層を露出するためのドライエッチング工程を必要としないため、青色ＬＥＤの製造におけるコストの低減が図れる。なお、ｐ型とｎ型の構成を逆にしても構わない。また、半絶縁性ＧａＮ基板を用いた場合は、従来と同様の製造プロセスで作製できるが、結晶成長時の基板の厚さを５μｍ以上４０μｍ以下とすれば、実施例２と同様の本発明の効果が得られる。
【００５４】
（実施例３）
図５は本発明の実施例３に係る窒化ガリウム系半導体レーザ素子を示す断面図であり、図６は図５中のＢ部を拡大した断面図である。この図において、４１はｃ面を表面として有し厚さが８μｍ、直径が２インチであるｎ型ＧａＮ基板、４２はｎ−ＧａＮバッファ層、４３はｎ−ＧａＮ層、４４はｎ−Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎｎ型クラッド層、４５はｎ−ＧａＮガイド層、４６は３層のＩｎ0.2Ｇａ0.8Ｎ量子井戸層５４と２層のＩｎ0.05Ｇａ0.95Ｎ障壁層５５とからなる多重量子井戸構造活性層、４７はＡｌ0.2Ｇａ0.8Ｎ蒸発防止層、４８はｐ−ＧａＮガイド層、４９はｐ−Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎｐ型クラッド層、５０はｐ−ＧａＮｐ型コンタクト層、５１はｐ側電極、５２はｎ側電極、５３はＳｉＯ2絶縁膜である。
【００５５】
本実施例において、ｎ型ＧａＮ基板４１の厚さを８μｍとしたが、５μｍから４０μｍの間であればこの厚さにこだわらない。また基板の表面はａ面等の他の面方位であっても構わない。
【００５６】
ｎ−ＧａＮバッファ層４２は、ｎ型ＧａＮ基板４１の表面状態の変質によってその上に形成する窒化ガリウム系半導体発光部の結晶性が低下することを防ぐためのものであるが、ｎ型ＧａＮ基板４１の表面状態が良好に保たれていればバッファ層４２は無くてもよい。またバッファ層４２の材料は、その上に窒化ガリウム系半導体をエピタキシャル成長させることが出来るものであればＧａＮにこだわらず他の材料、例えばＡｌＮやＡｌＧａＮ３元混晶等を用いてもよいが、ヘテロ接合による電位障壁を低減する点から、ＧａＮを用いることが好ましい。さらに、ｎ型クラッド層４４及びｐ型クラッド層４９、ガイド層４５と４８は、第１の実施例と同様に、本実施例にこだわらず他の組成や他の材料を用いても構わない。
【００５７】
次に、図５と図６を参照して上記窒化ガリウム系半導体レーザの作製方法を説明する。以下の説明ではＭＯＣＶＤ法（有機金属気相成長法）を用いた場合を示しているが、ＧａＮをエピタキシャル成長できる成長法であればよく、ＭＢＥ法（分子線エピタキシャル成長法）やＨＤＶＰＥ（ハイドライド気相成長法）等の他の気相成長法を用いることもできる。
【００５８】
まず所定の成長炉内の発熱体上に設置された、ｃ面を表面として有し厚さが８μｍ、直径が２インチであるｎ型ＧａＮ基板４１上に、ＴＭＧとＮＨ3を原料に用いて、成長温度６００℃でｎ−ＧａＮバッファ層４２を３５ｎｍ成長させる。
【００５９】
次に成長温度を１０５０℃まで上昇させて、ＴＭＧとＮＨ3、及びＳｉＨ4を原料に用いて、厚さ１μｍのＳｉドープｎ−ＧａＮ層４３を成長する。さらに続けてＴＭＡを原料に加え、成長温度は１０５０℃のままで厚さ０．７μｍのＳｉドープｎ−Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎｎ型クラッド層４４を成長する。続けて、ＴＭＡを原料から除いて、成長温度は１０５０℃のままで厚さ０．０５μｍのＳｉドープｎ−ＧａＮガイド層４５を成長する。
【００６０】
次に、成長温度を８００℃に下げ、ＴＭＧとＮＨ3、及びＴＭＩを原料に用いて、Ｉｎ0.2Ｇａ0.8Ｎ量子井戸層（厚さ４ｎｍ）５４とＩｎ0.05Ｇａ0.95Ｎ障壁層（厚さ３ｎｍ）５５を交互に２層ずつ成長し、最後にＩｎ0.2Ｇａ0.8Ｎ量子井戸層（厚さ４ｎｍ）５４を１層成長することにより多重量子井戸構造活性層（トータルの厚さ１８ｎｍ）４６を作成する。さらに続けてＴＭＧとＴＭＡとＮＨ3を原料に用いて、成長温度は８００℃のままで厚さ１０ｎｍのＡｌ0.2Ｇａ0.8Ｎ蒸発防止層４７を成長する。
【００６１】
次に、再び成長温度を１０５０℃に上昇して、ＴＭＧとＮＨ3、及びＣｐ2Ｍｇを原料に用いて、厚さ０．０５μｍのＭｇドープｐ−ＧａＮガイド層４８を成長する。さらに続けてＴＭＡを原料に加え、成長温度は１０５０℃のままで厚さ０．７μｍのＭｇドープｐ−Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎｐ型クラッド層４９を成長する。続けて、ＴＭＡを原料から除いて、成長温度は１０５０℃のままで厚さ０．２μｍのＭｇドープｐ−ＧａＮｐ型コンタクト層５０を成長して、窒化ガリウム系エピタキシャルウエハーを完成する。
【００６２】
その後、このウエハーを８００℃の窒素ガス雰囲気中でアニールして、Ｍｇドープのｐ型層を低抵抗化する。さらに通常のフォトリソグラフィーとドライエッチング技術を用いて、ｐ−ＧａＮｐ型コンタクト層５０の最表面に、５μｍ幅のストライプ状にリッジ構造を形成するようにｐ−ＧａＮｐ型コンタクト層５０とｐ−Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎｐ型クラッド層４９をエッチングする。
【００６３】
続いて、リッジの側面とリッジ以外のｐ型層表面に厚さ２００ｎｍのＳｉＯ2絶縁膜５３を形成する。このＳｉＯ2絶縁膜５３とｐ−ＧａＮｐ型コンタクト層５０の表面にニッケルと金からなるｐ側電極５１を形成し、ｎ型ＧａＮ基板４１の裏面にチタンとアルミニウムからなるｎ側電極５２を形成して、窒化ガリウム系ＬＤウエハーを完成する。
【００６４】
その後、このウエハーをリッジストライプに垂直な方向に劈開してレーザの共振器端面を形成し、さらに個々のチップに分割する。そして、各チップをステムにマウントしてｎ側電極５２とステムとを接続し、ワイヤーボンディングによりｐ側電極５１とリード端子とを接続して、窒化ガリウム系半導体レーザ素子を完成する。
【００６５】
以上のようにして作製された青色ＬＤ素子は、発振波長４３０ｎｍ、発振閾値電流４０ｍＡというレーザ特性が得られた。また、基板ウエハー面内での発振波長の分布は小さくなり、ウェハーの中心部と周辺部とで従来１５０ｎｍあった発振波長の違いは５ｎｍにまで低減された。このように本実施例においてもＩｎＧａＮ量子井戸活性層からの発光特性の分布が改善され、基板ウェハー面内において発振波長が均一で発振閾値電流値が低い窒化ガリウム系半導体レーザ素子が実現できた。
【００６６】
また本実施例ではｎ型ＧａＮ基板の厚さを８μｍと薄くしたことにより、レーザ共振器の反射端面を劈開によって作製する際に、劈開が行いやすくなるという効果も生じた。この結果、素子作製の歩留まりが向上しコストの低減が図れた。さらにｎ型ＧａＮ基板を用いて基板の裏面にｎ側電極を形成したことによりワイヤーボンドの工程が１回で済み、素子作製工程が簡略化できた。
【００６７】
なお本実施例ではｎ型ＧａＮ基板を用いたが、ｐ型導電性を有するＧａＮ基板を用いてｐ型とｎ型の構成を本実施例と逆にしても構わない。さらに、本実施例では、多重量子井戸構造活性層４６を構成する量子井戸層５４の層数を３層としたが、２層や４層以上の多重量子井戸構造でもよく、１層のみの単一量子井戸構造でもよい。また量子井戸層や障壁層の層厚も本実施例にこだわらず、他の膜厚を用いることもできる。
【００６８】
【発明の効果】
上述したように本発明による窒化ガリウム系半導体発光素子においては、気相成長法により、窒化物半導体からなるクラッド層及び／又はガイド層に挟まれた、少なくともインジウムとガリウムを含む窒化物半導体からなる量子井戸構造活性層を形成する際の基板として窒化ガリウム基板を用い、かつその厚さを、５μｍ以上４０μｍ以下と薄くしたので、ＩｎＧａＮを結晶成長する際の基板の底面と表面との温度差が無くなり、基結晶成長時における基板ウェハーの反りが抑えられることによって基板ウェハーは底面全体で発熱体と接することになるため、基板ウェハー面内での表面温度の分布が抑えられた。
【００６９】
さらに、上記のごとく基板として窒化ガリウムを用いるので、基板上に形成される半導体層と基板との熱膨張係数の違いが小さくなり、熱歪みによるウェハーの反りも抑えられ基板ウェハーの面内での表面温度の分布がさらに改善された。
【００７０】
その結果、ＩｎＧａＮ量子井戸活性層からの発光特性の分布が改善され、基板ウェハー面内において発振波長が均一で発振閾値電流値が低い窒化ガリウム系半導体レーザ素子と、基板ウェハー面内で発光波長が均一な窒化ガリウム系発光ダイオード素子が実現できた。
【００７１】
また本実施例の窒化ガリウム系半導体レーザを光ディスクのデータ読み出し用光源として用いたところ、基板の厚さが４０μｍ以下と薄いことにより基板に戻り光が入射ぜず、戻り光による雑音の発生が抑えられて、データの読み出しエラーが低減できた。さらには、基板の厚さが薄いことによりレーザ共振器の反射端面を劈開により作製する際に、歩留まりよく劈開を行うことができ、コストが低減できた。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施例に係る半導体レーザ素子を示す断面図である。
【図２】本発明の第１の実施例に係る半導体レーザ素子のＡ部を拡大した断面図である。
【図３】窒化ガリウム系半導体レーザ素子において、ウェハーの中心部と周辺部とでの発振波長の違いの大きさのＧａＮ基板の厚さ依存性、及び、発振閾値電流値のＧａＮ基板の厚さ依存性を表すグラフ図である。
【図４】本発明の第２の実施例に係る半導体発光ダイオード素子を示す断面図である。
【図５】本発明の第３の実施例に係る半導体レーザ素子を示す断面図である。
【図６】本発明の第３の実施例に係る半導体レーザ素子のＢ部を拡大した断面図である。
【図７】窒化ガリウム系半導体を用いた従来の青色ＬＤの断面図である。
【図８】窒化ガリウム系半導体を用いた従来の青色ＬＥＤの断面図である。
【図９】発熱体上に設置された従来の基板ウェハーの温度を上昇したときの、基板の反りを示す図である。
【符号の説明】
１ 半絶縁性ＧａＮ基板
２ ノンドープＧａＮバッファ層
３ ｎ−ＧａＮｎ型コンタクト層
４ ｎ−Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎｎ型クラッド層
５ ｎ−ＧａＮガイド層
６ 多重量子井戸構造活性層
７ Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎ蒸発防止層
８ ｐ−ＧａＮガイド層
９ ｐ−Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎｐ型クラッド層
１０ ｐ−ＧａＮｐ型コンタクト層
１２ ｎ側電極
１３ ＳｉＯ2絶縁膜
１４ Ｉｎ0.2Ｇａ0.8Ｎ量子井戸層
１５ Ｉｎ0.05Ｇａ0.95Ｎ障壁層
【発明の属する技術分野】
本発明は窒化ガリウム系半導体発光素子及びその製造方法に係り、特に、窒化物半導体よりなる量子井戸構造活性層を備えた窒化ガリウム系発光素子及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
紫外から緑色の波長領域での発光波長を有する半導体レーザ素子（ＬＤ）や発光ダイオード素子（ＬＥＤ）等の半導体材料として、窒化ガリウム系半導体（ＧａＩｎＡｌＮ）が用いられている。これらの発光素子を作製するための基板としては、サファイア基板やＧａＮ基板等が用いられており、これらの基板の上に有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）や分子線エピタキシー法（ＭＢＥ法）等の気相成長法により窒化ガリウム系半導体からなる発光部を形成している。サファイア基板を用いた場合の気相成長法による窒化ガリウム系半導体を形成する際の基板の厚さとしては、例えば特開平５−１６６９２３号公報に記載されており、通常３００〜５００μｍの厚さが用いられていた。またＧａＮ基板を用いた場合は、例えば特開平７−９４７８４号公報に記載されており、気相成長法による窒化ガリウム系半導体を形成する際の基板の厚さとしては特にこだわらず、５０μｍ〜５００μｍを好ましい厚さとして用いられていた。
【０００３】
一方最近では、このような窒化ガリウム系半導体による発光素子の活性層として、量子井戸構造が用いられている。例えば青色ＬＤは、Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ，ｖｏｌ．６９，Ｎｏ．１０，ｐ．１４７７〜１４７９に記載されており、その断面図を図７に示す。図７において、１０１はサファイア基板、１０２はＧａＮバッファ層、１０３はｎ−ＧａＮコンタクト層、１０４はｎ−Ｉｎ0.05Ｇａ0.95Ｎ層、１０５はｎ−Ａｌ0.05Ｇａ0.95Ｎクラッド層、１０６はｎ−ＧａＮガイド層、１０７はＩｎ0.2Ｇａ0.8Ｎ量子井戸層とＩｎ0.05Ｇａ0.95Ｎ障壁層とからなる多重量子井戸構造活性層、１０８はｐ−Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎ層、１０９はｐ−ＧａＮガイド層、１１０はｐ−Ａｌ0.05Ｇａ0.95Ｎクラッド層、１１１はｐ−ＧａＮコンタクト層、１１２はｐ側電極、１１３はｎ側電極、１１４はＳｉＯ2絶縁膜である。ここで、多重量子井戸構造活性層１０７は、３ｎｍ厚のＩｎ0.2Ｇａ0.8Ｎ量子井戸層が５層、６ｎｍ厚のＩｎ0.05Ｇａ0.95Ｎ障壁層が４層、の合計９層で構成され、量子井戸層と障壁層が交互に形成されている。またこれらの結晶成長時の温度は、ＧａＮバッファ層１０２が５１０℃、多重量子井戸構造活性層１０７が８３０℃、これら以外の各層は１０２０℃である。この他、特開平８−３１６５２８号公報にも同様に量子井戸構造活性層を有する窒化ガリウム系半導体を用いた青色ＬＤが記載されているが、これらはいずれも結晶成長時における基板の厚さについては特にこだわらずに作成されていた。
【０００４】
また青色ＬＥＤは、例えば、上記の特開平８−３１６５２８号公報に記載されており、その断面図を図８に示す。図８において、１２１はサファイア基板、１２２はＧａＮバッファ層、１２３はｎ−ＧａＮコンタクト層、１２４はｎ−Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ｎ第２ｎ型クラッド層、１２５はn −Ｉｎ 0.01 Ｇａ 0.99 Ｎ第１ｎ型クラッド層、１２６は３ｎｍ厚のＩｎ0.05Ｇａ0.95Ｎ単一量子井戸構造活性層、１２７はｐ−Ｉｎ 0.01 Ｇａ 0.99 Ｎ第１ｐ型クラッド層、１２８はｐ−Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ｎ第２ｐ型クラッド層、１２９はｐ−ＧａＮコンタクト層、１３０はｐ側電極、１３１はｎ側電極である。これらの結晶成長時の温度は、ＧａＮバッファ層１２２が５００℃、単一量子井戸構造活性層１２６が８００℃、これら以外の各層は１０５０℃である。このような青色ＬＥＤにおいても、結晶成長時における基板の厚さについては特にこだわらず作成されていた。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、量子井戸構造活性層を用いた従来の青色ＬＤ及び青色ＬＥＤ素子には、結晶成長時に用いた基板ウェハーの面内での発光特性の分布が非常に大きいという問題点があった。すなわち青色ＬＤでは発振波長が基板ウェハーの中心部分と周辺部分で大きく異なり、所望の発振波長を得るための歩留まりが大きく低下してしまう。例えば直径２インチのサファイア基板を使用した場合、発振波長は基板ウェハーの中心部と周辺部とで１５０ｎｍもの違いを生じていた。さらに、従来の青色ＬＤは発振閾値電流値が１００ｍＡ以上と高く、光ディスク等の情報処理用として実用に供するためには大幅に発振閾値電流値を低減する必要があった。
【０００６】
また、青色ＬＥＤに関してはすでに実用化されているものの、やはり青色ＬＤと同様に発光波長が基板ウェハーの中心部分と周辺部分で大きく異なり、所望の発光波長を得るための歩留まりが大きく低下してしまうという問題がある。ＬＥＤを用いた大型のフルカラーディスプレーのように、同一の発光波長を有するＬＥＤを大量に必要とするような用途の場合、発光波長の面内分布が大きいことにより青色ＬＥＤの歩留まりが低下してしまうと、フルカラーディスプレーのコストの増大につながってしまう。このため、歩留まりよく同一の発光波長で作製できる青色ＬＥＤの実現が望まれていた。
【０００７】
本発明は以上のような事情に鑑みてなされたものであり、上記窒化ガリウム系半導体発光素子における課題を解決して、基板ウェハー面内において均一で良好なレーザ発振特性を有する半導体レーザ素子とその製造方法、及び、基板ウェハー面内で発光波長が均一な発光ダイオード素子とその製造方法を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するため、本発明に係る窒化ガリウム系半導体発光素子は、基板上に、窒化物半導体からなるクラッド層及び／又はガイド層に挟まれた、少なくともインジウムとガリウムを含む窒化物半導体からなる量子井戸構造活性層を、気相成長法により形成する製造方法であって、前記基板として、５μｍ以上４０μｍ以下の厚さを有する窒化ガリウム基板を用いることを特徴とする。
【０００９】
このような本発明を見い出すにあたって、本発明者は従来素子における前記課題の原因について詳細に調査を行い、その結果、量子井戸層を形成する際の結晶成長時における基板ウェハーの面内での表面温度の分布により、基板ウェハーの面内での発光特性の分布が生じていることが判明した。すなわち、窒化ガリウム系半導体発光素子において量子井戸層として用いられるＩｎＧａＮ材料は、ＩｎＧａＮが形成される基板表面の温度によってＩｎ組成が大きく変化する。特にＩｎＧａＮの結晶成長を開始した直後は、基板表面の温度によるＩｎ組成の変化が大きくなっている。従って、層厚が非常に薄い量子井戸層をＩｎＧａＮで形成する場合は、ＩｎＧａＮの結晶成長を開始した直後の影響が大きくなり、基板表面温度が低下すると急激にＩｎ組成が大きくなってしまうことがわかった。ＩｎＧａＮ材料においてはＩｎ組成によって発光波長が変化するため、Ｉｎ組成が大きくなると発光波長は長波長化してしまう。
【００１０】
さらに、基板ウェハー面内での表面温度の分布は、結晶成長時の基板の反りによる不均一な熱伝導が影響していることが判明した。窒化ガリウム系半導体の結晶成長では基板ウェハーの温度を５００℃〜１１００℃に上昇して結晶成長を行っているが、基板の温度を上昇するには基板の底面に接した発熱体からの熱伝導により基板の温度を上昇させている。この場合、基板の厚さが５０μｍ以上である従来の窒化ガリウム系半導体発光素子では、基板が厚いために基板の底面と表面とで温度差が生じ、底面の方が表面よりも温度が高くなる。その結果、基板の底面は表面に比べて熱膨張が大きくなり、図９に示されるように基板ウェハー１３０が反ってしまい、中心部のみが発熱体１３１に接して周辺部が発熱体から離れた状態になってしまう。従って、周辺部へは発熱体からの熱が伝わりにくくなり、中心部に比べて周辺部の温度は低くなっている。このためＩｎＧａＮを結晶成長した際に周辺部ではＩｎ組成が大きくなり、基板ウェハーの面内での発光特性の分布を引き起こしていた。
【００１１】
すなわち、青色ＬＤでは発振波長がＩｎＧａＮ量子井戸構造活性層のＩｎ組成で決まるために、基板ウェハーの中心部分と周辺部分でＩｎ組成が異なることによって発振波長が大きく異なり、所望の発振波長を得るための歩留まりが大きく低下してしまっていた。さらに、１個の青色ＬＤ素子の共振器構造の内部でもＩｎＧａＮ量子井戸層のＩｎ組成に分布が生じているため、一定の発光波長で得られる光利得が小さくなって、発振閾値電流を増大させていた。一方、青色ＬＥＤに関しても青色ＬＤと同様に発光波長が基板ウェハーの中心部分と周辺部分で大きく異なり、所望の発光波長を得るための歩留まりが大きく低下してしまっていた。
【００１２】
従って本発明では、気相成長法により、窒化物半導体からなるクラッド層及び／又はガイド層に挟まれた、少なくともインジウムとガリウムを含む窒化物半導体からなる量子井戸構造活性層を形成する際の基板として窒化ガリウム基板を用い、かつその厚さを、５μｍ以上４０μｍ以下と薄くした。これにより、ＩｎＧａＮを結晶成長する際の基板の底面と表面との温度差が無くなり、結晶成長時における基板ウェハーの反りが抑えられることによって基板ウェハーは底面全体で発熱体と接することになるため、基板ウェハー面内での表面温度の分布が抑えられた。
【００１３】
さらに、基板ウェハー面内での表面温度の分布を引き起こす基板の反りは、結晶成長時の基板の厚さだけではなく、基板上に形成した窒化ガリウム系半導体と基板との熱膨張係数の違いにも起因している。すなわち従来例のように、基板上に約１０５０℃で窒化ガリウム系半導体からなるクラッド層等を形成した後、ＩｎＧａＮ量子井戸構造活性層を形成するために基板温度を約８００℃に下げる際に、基板とその基板上に形成された窒化ガリウム系半導体との熱膨張係数の違いによって基板が反ってしまい、基板ウェハー面内での表面温度の分布を引き起こしていた。
【００１４】
従って本発明によれば、基板として窒化ガリウムを用いることにより、基板上に形成される半導体層と基板との熱膨張係数の違いが小さくなり、熱歪みによるウェハーの反りも抑えられ基板ウェハーの面内での表面温度の分布がさらに改善された。
【００１５】
以上の結果、ＩｎＧａＮ量子井戸構造活性層からの発光特性の分布が改善され、基板ウェハー面内において発振波長が均一で発振閾値電流値が低い窒化ガリウム系半導体レーザ素子と、基板ウェハー面内で発光波長が均一な窒化ガリウム系発光ダイオード素子が実現できた。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を実施例に基づいて説明する。
（実施例１）
図１は本発明の第１の実施例に係る窒化ガリウム系半導体レーザ素子を示す断面図であり、図２は図１中のＡ部を拡大した断面図である。この図において、１はｃ面を表面として有し厚さが４０μｍ、直径が２インチである半絶縁性ＧａＮ基板、２はノンドープＧａＮバッファ層、３はｎ−ＧａＮｎ型コンタクト層、４はｎ−Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎｎ型クラッド層、５はｎ−ＧａＮガイド層、６は２層のＩｎ0.2Ｇａ0.8Ｎ量子井戸層１４と１層のＩｎ0.05Ｇａ0.95Ｎ障壁層１５とからなる多重量子井戸構造活性層、７はＡｌ0.2Ｇａ0.8Ｎ蒸発防止層、８はｐ−ＧａＮガイド層、９はｐ−Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎｐ型クラッド層、１０はｐ−ＧａＮｐ型コンタクト層、１１はｐ側電極、１２はｎ側電極、１３はＳｉＯ2絶縁膜である。
【００１７】
本実施例において、半絶縁性ＧａＮ基板１の厚さを４０μｍとしたが、５μｍから４０μｍの間であればこの厚さにこだわらない。また基板の表面はａ面等の他の面方位であっても構わない。
【００１８】
ノンドープＧａＮバッファ層２は、半絶縁性ＧａＮ基板１の表面状態の変質によってその上に形成する窒化ガリウム系半導体発光部の結晶性が低下することを防ぐためのものであるが、半絶縁性ＧａＮ基板１の表面状態が良好に保たれていればバッファ層２は無くてもよい。またバッファ層２の材料は、その上に窒化ガリウム系半導体をエピタキシャル成長させることが出来るものであればＧａＮにこだわらず他の材料、例えばＡｌＮやＡｌＧａＮ３元混晶等を用いてもよい。
【００１９】
ｎ型クラッド層４及びｐ型クラッド層９は、ｎ−Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎ以外のＡｌ組成を持つＡｌＧａＮ３元混晶でもよい。この場合Ａｌ組成を大きくすると活性層とクラッド層とのエネルギーギャップ差及び屈折率差が大きくなり、キャリアや光が活性層に有効に閉じ込められてさらに発振閾値電流の低減及び、温度特性の向上が図れる。またキャリアや光の閉じ込めが保持される程度でＡｌ組成を小さくしていくと、クラッド層におけるキャリアの移動度が大きくなるため、半導体レーザ素子の素子抵抗を小さくできる利点がある。さらにこれらのクラッド層は微量に他の元素を含んだ４元以上の混晶半導体でもよく、ｎ型クラッド層４とｐ型クラッド層９とで混晶の組成が同一でなくても構わない。
【００２０】
ガイド層５と８は、そのエネルギーギャップが、多重量子井戸構造活性層６を構成する量子井戸層のエネルギーギャップとクラッド層４と９のエネルギーギャップの間の値を持つような材料であればＧａＮにこだわらず他の材料、例えばＩｎＧａＮやＡｌＧａＮ等の３元混晶やＩｎＧａＡｌＮ４元混晶等を用いてもよい。またガイド層全体にわたってドナー又はアクセプターをドーピングする必要はなく、多重量子井戸構造活性層６側の一部のみをノンドープとしてもよく、さらにはガイド層全体をノンドープとしてもよい。この場合、ガイド層に存在するキャリアが少なくなり、自由キャリアによる光の吸収が低減されて、さらに発振閾値電流が低減できるという利点がある。
【００２１】
多重量子井戸構造活性層６を構成する２層のＩｎ0.2Ｇａ0.8Ｎ量子井戸層１４と１層のＩｎ0.05Ｇａ0.95Ｎ障壁層１５は、必要なレーザ発振波長に応じてその組成を設定すればよく、発振波長を長くしたい場合は量子井戸層１４のＩｎ組成を大きくし、短くしたい場合は量子井戸層１４のＩｎ組成を小さくする。また量子井戸層１４と障壁層１５は、ＩｎＧａＮ３元混晶に微量に他の元素を含んだ４元以上の混晶半導体でもよい。さらに障壁層１５は単にＧａＮを用いてもよい。
【００２２】
次に、図１と図２を参照して上記窒化ガリウム系半導体レーザの作製方法を説明する。以下の説明ではＭＯＣＶＤ法（有機金属気相成長法）を用いた場合を示しているが、ＧａＮをエピタキシャル成長できる成長法であればよく、ＭＢＥ法（分子線エピタキシャル成長法）やＨＤＶＰＥ（ハイドライド気相成長法）等の他の気相成長法を用いることもできる。
【００２３】
まず所定の成長炉内の発熱体上に設置された、ｃ面を表面として有し厚さが４０μｍ、直径が２インチである半絶縁性ＧａＮ基板１上に、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）とアンモニア（ＮＨ3）を原料に用いて、成長温度６００℃でノンドープＧａＮバッファ層２を３５ｎｍ成長させる。
【００２４】
次に成長温度を１０５０℃まで上昇させて、ＴＭＧとＮＨ3、及びシランガス（ＳｉＨ4）を原料に用いて、厚さ３μｍのＳｉドープｎ−ＧａＮｎ型コンタクト層３を成長する。さらに続けてトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）を原料に加え、成長温度は１０５０℃のままで厚さ０．７μｍのＳｉドープｎ−Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎｎ型クラッド層４を成長する。続けて、ＴＭＡを原料から除いて、成長温度は１０５０℃のままで厚さ０．０５μｍのＳｉドープｎ−ＧａＮガイド層５を成長する。
【００２５】
次に、成長温度を８００℃に下げ、ＴＭＧとＮＨ3、及びトリメチルインジウム（ＴＭＩ）を原料に用いて、Ｉｎ0.2Ｇａ0.8Ｎ量子井戸層（厚さ５ｎｍ）１４、Ｉｎ0.05Ｇａ0.95Ｎ障壁層（厚さ５ｎｍ）１５、Ｉｎ0.2Ｇａ0.8Ｎ量子井戸層（厚さ５ｎｍ）１４を順次成長することにより多重量子井戸構造活性層（トータルの厚さ１５ｎｍ）６を作成する。さらに続けてＴＭＧとＴＭＡとＮＨ3を原料に用いて、成長温度は８００℃のままで厚さ１０ｎｍのＡｌ0.2Ｇａ0.8Ｎ蒸発防止層７を成長する。
【００２６】
次に、再び成長温度を１０５０℃に上昇して、ＴＭＧとＮＨ3、及びシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ2Ｍｇ）を原料に用いて、厚さ０．０５μｍのＭｇドープｐ−ＧａＮガイド層８を成長する。さらに続けてＴＭＡを原料に加え、成長温度は１０５０℃のままで厚さ０．７μｍのＭｇドープｐ−Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎｐ型クラッド層９を成長する。続けて、ＴＭＡを原料から除いて、成長温度は１０５０℃のままで厚さ０．２μｍのＭｇドープｐ−ＧａＮｐ型コンタクト層１０を成長して、窒化ガリウム系エピタキシャルウエハーを完成する。
【００２７】
その後、このウエハーを８００℃の窒素ガス雰囲気中でアニールして、Ｍｇドープのｐ型層を低抵抗化する。
【００２８】
さらに通常のフォトリソグラフィーとドライエッチング技術を用いて、２００μｍ幅のストライプ状にｐ−ＧａＮｐ型コンタクト層１０の最表面から、ｎ−ＧａＮｎ型コンタクト層３が露出するまでエッチングを行う。次に、上記と同様のフォトリソグラフィーとドライエッチング技術を用いて、残ったｐ−ＧａＮｐ型コンタクト層１０の最表面に、５μｍ幅のストライプ状にリッジ構造を形成するようにｐ−ＧａＮｐ型コンタクト層１０とｐ−Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎｐ型クラッド層９をエッチングする。
【００２９】
続いて、リッジの側面とリッジ以外のｐ型層表面に厚さ２００ｎｍのＳｉＯ2絶縁膜１３を形成する。このＳｉＯ2絶縁膜１３とｐ−ＧａＮｐ型コンタクト層１０の表面にニッケルと金からなるｐ側電極１１を形成し、エッチングにより露出したｎ−ＧａＮｎ型コンタクト層３の表面にチタンとアルミニウムからなるｎ側電極１２を形成して、窒化ガリウム系ＬＤウエハーを完成する。
【００３０】
その後、このウエハーをリッジストライプに垂直な方向に劈開してレーザの共振器端面を形成し、さらに個々のチップに分割する。そして、各チップをステムにマウントし、ワイヤーボンディングにより各電極とリード端子とを接続して、窒化ガリウム系半導体レーザ素子を完成する。
【００３１】
以上のようにして作製された青色ＬＤ素子は、発振波長４３０ｎｍ、発振閾値電流４０ｍＡというレーザ特性が得られた。また、基板ウエハー面内での発振波長の分布は小さくなり、ウェハーの中心部と周辺部とで従来１５０ｎｍあった発振波長の違いは１０ｎｍにまで低減された。このように本発明により、ＩｎＧａＮ量子井戸活性層からの発光特性の分布が改善され、基板ウェハー面内において発振波長が均一で発振閾値電流値が低い窒化ガリウム系半導体レーザ素子が実現できた。
【００３２】
図３には、窒化ガリウム系半導体レーザ素子において、直径が２インチである半絶縁性ＧａＮ基板の厚さによる、ウェハーの中心部と周辺部とでの発振波長の違いの大きさの変化、及び、発振閾値電流値の変化を表すグラフ図が示されている。各半導体レーザの構造は、結晶成長時におけるＧａＮ基板の厚さが異なること以外は本発明の実施例１に係る窒化ガリウム系半導体レーザ素子と同じである。この図からわかるように、結晶成長時におけるＧａＮ基板の厚さが５０μｍを越えると、発振波長の面内分布が急速に増大し、発振閾値電流値も高くなっている。従って、ウェハー面内において発光波長が均一であり、かつ低い発振閾値電流値を得ることが出来るのは、結晶成長時におけるＧａＮ基板の厚さが少なくとも５０μｍ以下である必要があり、４０μｍである本発明の実施例１に係る窒化ガリウム系半導体レーザ素子は十分に低い発振閾値電流値であった。また、基板の厚さを５μｍより薄くすると基板の機械的強度が低下するため割れやすくなり、基板ウェハーの取り扱い時に破損してしまうことによりコストの増大につながってしまった。
【００３３】
なお、本実施例では、多重量子井戸構造活性層６を構成する量子井戸層１４の層数を２層としたが、３層以上の多重量子井戸構造でもよく、１層のみの単一量子井戸構造でもよい。さらに、本実施例では、量子井戸層１４と障壁層１５の層厚をともに５ｎｍとしたが、これらの層厚が同一である必要はなく、異なっていても構わない。また量子井戸層の層厚も本実施例にこだわらない。
【００３４】
また本実施例では、多重量子井戸構造活性層６に接するようにＡｌ0.2Ｇａ0.8Ｎ蒸発防止層７を形成しているが、これは量子井戸層１４が成長温度を上昇している間に蒸発してしまうことを防ぐためである。従って、量子井戸層１４を保護するものであれば蒸発防止層７として用いることができ、他のＡｌ組成を有するＡｌＧａＮ３元混晶やＧａＮを用いてもよい。また、この蒸発防止層７にＭｇをドーピングしてもよく、この場合はｐ−ＧａＮガイド層８やｐ−Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎｐ型クラッド層９から正孔が注入され易くなるという利点がある。さらに、量子井戸層１４のＩｎ組成が小さい場合は蒸発防止層７を形成しなくても量子井戸層１４は蒸発しないため、特に蒸発防止層７を形成しなくても、本実施例の窒化ガリウム系半導体レーザ素子の特性は損なわれない。
【００３５】
本実施例では、リッジストライプ構造を形成して注入電流の狭窄を行っているが、電極ストライプ構造等の他の電流狭窄の手法を用いてもよい。また、本実施例では劈開によりレーザの共振器端面を形成しているが、ドライエッチングにより共振器端面を形成することもできる。
【００３６】
さらに本実施例では半絶縁性ＧａＮ基板を用いたため、エッチングにより露出したｎ−ＧａＮｎ型コンタクト層３の表面にｎ側電極１２を形成しているが、ｎ型導電性を有するＧａＮ基板を用いれば、この基板の裏面にｎ側電極１２を形成してもよい。また、ｐ型とｎ型の構成を逆にしても構わない。
【００３７】
また本実施例の窒化ガリウム系半導体レーザを光ディスクのデータ読み出し用光源として用いたところ、レーザの出射面上の発光部から約６０μｍだけ離れた所に入射される光ディスクからの戻り光が、ＧａＮ基板に入射されなかった。従って、５０μｍより厚い基板を用いていた従来例では、基板に入射したこの戻り光が半導体レーザの雑音を引き起こし、データの読み出しエラーを生じていたが、本実施例では基板が４０μｍ以下と薄いことにより基板に戻り光が入射ぜず、戻り光による雑音の発生が抑えられて、データの読み出しエラーを生じないという効果も得られた。
【００３８】
（実施例２）
図４は本発明の実施例２に係る窒化ガリウム系半導体発光ダイオード素子を示す断面図である。この図において、２１はｃ面を表面として有し厚さが２０μｍ、直径が２インチであるｎ型ＧａＮ基板、２２はｎ−ＧａＮｎ型コンタクト層、２３はｎ−Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎｎ型クラッド層、２４はｎ−ＧａＮガイド層、２５はＩｎ0.2Ｇａ0.8Ｎ量子井戸層からなる単一量子井戸構造活性層、２６はＡｌ0.2Ｇａ0.8Ｎ蒸発防止層、２７はｐ−ＧａＮガイド層、２８はｐ−Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎｐ型クラッド層、２９はｐ−ＧａＮｐ型コンタクト層、３０はｐ側電極、３１はｎ側電極である。
【００３９】
本実施例において、ｎ型ＧａＮ基板２１の厚さを２０μｍとしたが、５μｍから４０μｍの間であればこの厚さにこだわらない。また基板の表面はａ面等の他の面方位であっても構わない。
【００４０】
ｎ型クラッド層２３及びｐ型クラッド層２８は、ｎ−Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎ以外のＡｌ組成を持つＡｌＧａＮ３元混晶や、単にＧａＮを用いてもよい。この場合Ａｌ組成を大きくすると活性層とクラッド層とのエネルギーギャップ差が大きくなり、キャリアが活性層に有効に閉じ込められて温度特性の向上が図れる。またキャリアの閉じ込めが保持される程度でＡｌ組成を小さくしていくと、クラッド層におけるキャリアの移動度が大きくなるため、発光ダイオード素子の素子抵抗を小さくできる利点がある。さらにこれらのクラッド層は微量に他の元素を含んだ４元以上の混晶半導体でもよく、ｎ型クラッド層２３とｐ型クラッド層２８とで混晶の組成が同一でなくても構わない。
【００４１】
ガイド層２４と２７は、そのエネルギーギャップが、単一量子井戸構造活性層２５を構成する量子井戸層のエネルギーギャップとクラッド層２３と２８のエネルギーギャップの間の値を持つような材料であればＧａＮにこだわらず他の材料、例えばＩｎＧａＮ・ＡｌＧａＮ３元混晶やＩｎＧａＡｌＮ４元混晶等を用いてもよい。またガイド層全体にわたってドナー又はアクセプターをドーピングする必要はなく、単一量子井戸構造活性層２５側の一部のみをノンドープとしてもよく、さらにはガイド層全体をノンドープとしてもよい。この場合、ガイド層に存在するキャリアが少なくなり、自由キャリアによる光の吸収が低減されて、さらに光出力が向上するという利点がある。また、ガイド層２４と２７には、ｎ型クラッド層２３とｐ型クラッド層２８からそれぞれ電子と正孔を単一量子井戸構造活性層２５へ注入しやすくするという利点があるが、特にガイド層２４と２７を設けなくてもＬＥＤ素子特性が大きく悪化することはないので、ガイド層２４と２７はなくても構わない。
【００４２】
単一量子井戸構造活性層２５を構成するＩｎ0.2Ｇａ0.8Ｎ量子井戸層は、必要な発光波長に応じてその組成を設定すればよく、発光波長を長くしたい場合は量子井戸層２５のＩｎ組成を大きくし、短くしたい場合は量子井戸層２５のＩｎ組成を小さくする。また量子井戸層２５は、ＩｎＧａＮ３元混晶に微量に他の元素を含んだ４元以上の混晶半導体でもよい。
【００４３】
次に、図４を参照して上記窒化ガリウム系半導体発光ダイオードの作製方法を説明する。以下の説明ではＭＯＣＶＤ法（有機金属気相成長法）を用いた場合を示しているが、ＧａＮをエピタキシャル成長できる成長法であればよく、ＭＢＥ法（分子線エピタキシャル成長法）やＨＤＶＰＥ（ハイドライド気相成長法）等の他の気相成長法を用いることもできる。
【００４４】
まず所定の成長炉内の発熱体上に設置された、ｃ面を表面として有し厚さが２０μｍ、直径が２インチであるｎ型ＧａＮ基板２１上に、ＴＭＧとＮＨ3、及びＳｉＨ4を原料に用いて、成長温度を１０５０℃として、厚さ３μｍのＳｉドープｎ−ＧａＮｎ型コンタクト層２２を成長する。さらに続けてＴＭＡを原料に加え、成長温度は１０５０℃のままで厚さ０．３μｍのＳｉドープｎ−Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎｎ型クラッド層２３を成長する。続けて、ＴＭＡを原料から除いて、成長温度は１０５０℃のままで厚さ０．０５μｍのＳｉドープｎ−ＧａＮガイド層２４を成長する。
【００４５】
次に、成長温度を８００℃に下げ、ＴＭＧとＮＨ3、及びＴＭＩを原料に用いて、厚さ３ｎｍのＩｎ0.2Ｇａ0.8Ｎ量子井戸層からなる単一量子井戸構造活性層２５を作成する。さらに続けてＴＭＧとＴＭＡとＮＨ3を原料に用いて、成長温度は８００℃のままで厚さ１０ｎｍのＡｌ0.2Ｇａ0.8Ｎ蒸発防止層２６を成長する。
【００４６】
次に、再び成長温度を１０５０℃に上昇して、ＴＭＧとＮＨ3、及びＣｐ2Ｍｇを原料に用いて、厚さ０．０５μｍのＭｇドープｐ−ＧａＮガイド層２７を成長する。さらに続けてＴＭＡを原料に加え、成長温度は１０５０℃のままで厚さ０．３μｍのＭｇドープｐ−Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎｐ型クラッド層２８を成長する。続けて、ＴＭＡを原料から除いて、成長温度は１０５０℃のままで厚さ０．２μｍのＭｇドープｐ−ＧａＮｐ型コンタクト層２９を成長して、窒化ガリウム系エピタキシャルウエハーを完成する。
【００４７】
その後、このウエハーを８００℃の窒素ガス雰囲気中でアニールして、Ｍｇドープのｐ型層を低抵抗化する。
【００４８】
続いて、ｐ−ＧａＮｐ型コンタクト層２９の表面にニッケルと金からなるｐ側電極３０を形成し、ｎ型ＧａＮ基板２１の裏面にチタンとアルミニウムからなるｎ側電極３１を形成して、窒化ガリウム系ＬＥＤウエハーを完成する。
【００４９】
その後、このウエハーを個々のチップに分割する。そして、各チップをステムにマウントしてｎ側電極３１とステムとを接続し、ワイヤーボンディングによりｐ側電極３０とリード端子とを接続して、窒化ガリウム系半導体発光ダイオード素子を完成する。
【００５０】
以上のようにして作製された青色ＬＥＤ素子は、順方向電流２０ｍＡで、発光波長４３０ｎｍ・光出力４ｍＷという発光特性が得られた。また、実施例１と同様に、基板ウエハー面内での発光波長の分布は小さくなり、ウェハーの中心部と周辺部とで従来１５０ｎｍあった発光波長の違いは３ｎｍにまで低減された。このように本発明により、ＩｎＧａＮ量子井戸活性層からの発光特性の分布が改善され、基板ウェハー面内において均一な発光波長を有する窒化ガリウム系半導体発光ダイオード素子が実現できた。
【００５１】
なお、本実施例では、単一量子井戸構造活性層２５を構成するＩｎ0.2Ｇａ0.8Ｎ量子井戸層の層数を１とし層厚を３ｎｍとしたが、２層以上の多重量子井戸構造活性層でもよく、量子井戸層の層厚も本実施例にこだわらない。
【００５２】
また本実施例では、単一量子井戸構造活性層２５に接するようにＡｌ0.2Ｇａ0.8Ｎ蒸発防止層２６を形成しているが、これは量子井戸層２５が成長温度を上昇している間に蒸発してしまうことを防ぐためである。従って、量子井戸層２５を保護するものであれば蒸発防止層２６として用いることができ、他のＡｌ組成を有するＡｌＧａＮ３元混晶やＧａＮを用いてもよい。また、この蒸発防止層２６にＭｇをドーピングしてもよく、この場合はｐ−ＧａＮガイド層２７やｐ−Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎｐ型クラッド層２８から正孔が注入され易くなるという利点がある。さらに、量子井戸層２５のＩｎ組成が小さい場合は蒸発防止層２６を形成しなくても量子井戸層２５は蒸発しないため、特に蒸発防止層２６を形成しなくても、本実施例の窒化ガリウム系半導体発光ダイオード素子の特性は損なわれない。
【００５３】
さらに本実施例ではｎ型ＧａＮ基板を用いたことにより、実施例１のようなｎ−ＧａＮｎ型コンタクト層を露出するためのドライエッチング工程を必要としないため、青色ＬＥＤの製造におけるコストの低減が図れる。なお、ｐ型とｎ型の構成を逆にしても構わない。また、半絶縁性ＧａＮ基板を用いた場合は、従来と同様の製造プロセスで作製できるが、結晶成長時の基板の厚さを５μｍ以上４０μｍ以下とすれば、実施例２と同様の本発明の効果が得られる。
【００５４】
（実施例３）
図５は本発明の実施例３に係る窒化ガリウム系半導体レーザ素子を示す断面図であり、図６は図５中のＢ部を拡大した断面図である。この図において、４１はｃ面を表面として有し厚さが８μｍ、直径が２インチであるｎ型ＧａＮ基板、４２はｎ−ＧａＮバッファ層、４３はｎ−ＧａＮ層、４４はｎ−Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎｎ型クラッド層、４５はｎ−ＧａＮガイド層、４６は３層のＩｎ0.2Ｇａ0.8Ｎ量子井戸層５４と２層のＩｎ0.05Ｇａ0.95Ｎ障壁層５５とからなる多重量子井戸構造活性層、４７はＡｌ0.2Ｇａ0.8Ｎ蒸発防止層、４８はｐ−ＧａＮガイド層、４９はｐ−Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎｐ型クラッド層、５０はｐ−ＧａＮｐ型コンタクト層、５１はｐ側電極、５２はｎ側電極、５３はＳｉＯ2絶縁膜である。
【００５５】
本実施例において、ｎ型ＧａＮ基板４１の厚さを８μｍとしたが、５μｍから４０μｍの間であればこの厚さにこだわらない。また基板の表面はａ面等の他の面方位であっても構わない。
【００５６】
ｎ−ＧａＮバッファ層４２は、ｎ型ＧａＮ基板４１の表面状態の変質によってその上に形成する窒化ガリウム系半導体発光部の結晶性が低下することを防ぐためのものであるが、ｎ型ＧａＮ基板４１の表面状態が良好に保たれていればバッファ層４２は無くてもよい。またバッファ層４２の材料は、その上に窒化ガリウム系半導体をエピタキシャル成長させることが出来るものであればＧａＮにこだわらず他の材料、例えばＡｌＮやＡｌＧａＮ３元混晶等を用いてもよいが、ヘテロ接合による電位障壁を低減する点から、ＧａＮを用いることが好ましい。さらに、ｎ型クラッド層４４及びｐ型クラッド層４９、ガイド層４５と４８は、第１の実施例と同様に、本実施例にこだわらず他の組成や他の材料を用いても構わない。
【００５７】
次に、図５と図６を参照して上記窒化ガリウム系半導体レーザの作製方法を説明する。以下の説明ではＭＯＣＶＤ法（有機金属気相成長法）を用いた場合を示しているが、ＧａＮをエピタキシャル成長できる成長法であればよく、ＭＢＥ法（分子線エピタキシャル成長法）やＨＤＶＰＥ（ハイドライド気相成長法）等の他の気相成長法を用いることもできる。
【００５８】
まず所定の成長炉内の発熱体上に設置された、ｃ面を表面として有し厚さが８μｍ、直径が２インチであるｎ型ＧａＮ基板４１上に、ＴＭＧとＮＨ3を原料に用いて、成長温度６００℃でｎ−ＧａＮバッファ層４２を３５ｎｍ成長させる。
【００５９】
次に成長温度を１０５０℃まで上昇させて、ＴＭＧとＮＨ3、及びＳｉＨ4を原料に用いて、厚さ１μｍのＳｉドープｎ−ＧａＮ層４３を成長する。さらに続けてＴＭＡを原料に加え、成長温度は１０５０℃のままで厚さ０．７μｍのＳｉドープｎ−Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎｎ型クラッド層４４を成長する。続けて、ＴＭＡを原料から除いて、成長温度は１０５０℃のままで厚さ０．０５μｍのＳｉドープｎ−ＧａＮガイド層４５を成長する。
【００６０】
次に、成長温度を８００℃に下げ、ＴＭＧとＮＨ3、及びＴＭＩを原料に用いて、Ｉｎ0.2Ｇａ0.8Ｎ量子井戸層（厚さ４ｎｍ）５４とＩｎ0.05Ｇａ0.95Ｎ障壁層（厚さ３ｎｍ）５５を交互に２層ずつ成長し、最後にＩｎ0.2Ｇａ0.8Ｎ量子井戸層（厚さ４ｎｍ）５４を１層成長することにより多重量子井戸構造活性層（トータルの厚さ１８ｎｍ）４６を作成する。さらに続けてＴＭＧとＴＭＡとＮＨ3を原料に用いて、成長温度は８００℃のままで厚さ１０ｎｍのＡｌ0.2Ｇａ0.8Ｎ蒸発防止層４７を成長する。
【００６１】
次に、再び成長温度を１０５０℃に上昇して、ＴＭＧとＮＨ3、及びＣｐ2Ｍｇを原料に用いて、厚さ０．０５μｍのＭｇドープｐ−ＧａＮガイド層４８を成長する。さらに続けてＴＭＡを原料に加え、成長温度は１０５０℃のままで厚さ０．７μｍのＭｇドープｐ−Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎｐ型クラッド層４９を成長する。続けて、ＴＭＡを原料から除いて、成長温度は１０５０℃のままで厚さ０．２μｍのＭｇドープｐ−ＧａＮｐ型コンタクト層５０を成長して、窒化ガリウム系エピタキシャルウエハーを完成する。
【００６２】
その後、このウエハーを８００℃の窒素ガス雰囲気中でアニールして、Ｍｇドープのｐ型層を低抵抗化する。さらに通常のフォトリソグラフィーとドライエッチング技術を用いて、ｐ−ＧａＮｐ型コンタクト層５０の最表面に、５μｍ幅のストライプ状にリッジ構造を形成するようにｐ−ＧａＮｐ型コンタクト層５０とｐ−Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎｐ型クラッド層４９をエッチングする。
【００６３】
続いて、リッジの側面とリッジ以外のｐ型層表面に厚さ２００ｎｍのＳｉＯ2絶縁膜５３を形成する。このＳｉＯ2絶縁膜５３とｐ−ＧａＮｐ型コンタクト層５０の表面にニッケルと金からなるｐ側電極５１を形成し、ｎ型ＧａＮ基板４１の裏面にチタンとアルミニウムからなるｎ側電極５２を形成して、窒化ガリウム系ＬＤウエハーを完成する。
【００６４】
その後、このウエハーをリッジストライプに垂直な方向に劈開してレーザの共振器端面を形成し、さらに個々のチップに分割する。そして、各チップをステムにマウントしてｎ側電極５２とステムとを接続し、ワイヤーボンディングによりｐ側電極５１とリード端子とを接続して、窒化ガリウム系半導体レーザ素子を完成する。
【００６５】
以上のようにして作製された青色ＬＤ素子は、発振波長４３０ｎｍ、発振閾値電流４０ｍＡというレーザ特性が得られた。また、基板ウエハー面内での発振波長の分布は小さくなり、ウェハーの中心部と周辺部とで従来１５０ｎｍあった発振波長の違いは５ｎｍにまで低減された。このように本実施例においてもＩｎＧａＮ量子井戸活性層からの発光特性の分布が改善され、基板ウェハー面内において発振波長が均一で発振閾値電流値が低い窒化ガリウム系半導体レーザ素子が実現できた。
【００６６】
また本実施例ではｎ型ＧａＮ基板の厚さを８μｍと薄くしたことにより、レーザ共振器の反射端面を劈開によって作製する際に、劈開が行いやすくなるという効果も生じた。この結果、素子作製の歩留まりが向上しコストの低減が図れた。さらにｎ型ＧａＮ基板を用いて基板の裏面にｎ側電極を形成したことによりワイヤーボンドの工程が１回で済み、素子作製工程が簡略化できた。
【００６７】
なお本実施例ではｎ型ＧａＮ基板を用いたが、ｐ型導電性を有するＧａＮ基板を用いてｐ型とｎ型の構成を本実施例と逆にしても構わない。さらに、本実施例では、多重量子井戸構造活性層４６を構成する量子井戸層５４の層数を３層としたが、２層や４層以上の多重量子井戸構造でもよく、１層のみの単一量子井戸構造でもよい。また量子井戸層や障壁層の層厚も本実施例にこだわらず、他の膜厚を用いることもできる。
【００６８】
【発明の効果】
上述したように本発明による窒化ガリウム系半導体発光素子においては、気相成長法により、窒化物半導体からなるクラッド層及び／又はガイド層に挟まれた、少なくともインジウムとガリウムを含む窒化物半導体からなる量子井戸構造活性層を形成する際の基板として窒化ガリウム基板を用い、かつその厚さを、５μｍ以上４０μｍ以下と薄くしたので、ＩｎＧａＮを結晶成長する際の基板の底面と表面との温度差が無くなり、基結晶成長時における基板ウェハーの反りが抑えられることによって基板ウェハーは底面全体で発熱体と接することになるため、基板ウェハー面内での表面温度の分布が抑えられた。
【００６９】
さらに、上記のごとく基板として窒化ガリウムを用いるので、基板上に形成される半導体層と基板との熱膨張係数の違いが小さくなり、熱歪みによるウェハーの反りも抑えられ基板ウェハーの面内での表面温度の分布がさらに改善された。
【００７０】
その結果、ＩｎＧａＮ量子井戸活性層からの発光特性の分布が改善され、基板ウェハー面内において発振波長が均一で発振閾値電流値が低い窒化ガリウム系半導体レーザ素子と、基板ウェハー面内で発光波長が均一な窒化ガリウム系発光ダイオード素子が実現できた。
【００７１】
また本実施例の窒化ガリウム系半導体レーザを光ディスクのデータ読み出し用光源として用いたところ、基板の厚さが４０μｍ以下と薄いことにより基板に戻り光が入射ぜず、戻り光による雑音の発生が抑えられて、データの読み出しエラーが低減できた。さらには、基板の厚さが薄いことによりレーザ共振器の反射端面を劈開により作製する際に、歩留まりよく劈開を行うことができ、コストが低減できた。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施例に係る半導体レーザ素子を示す断面図である。
【図２】本発明の第１の実施例に係る半導体レーザ素子のＡ部を拡大した断面図である。
【図３】窒化ガリウム系半導体レーザ素子において、ウェハーの中心部と周辺部とでの発振波長の違いの大きさのＧａＮ基板の厚さ依存性、及び、発振閾値電流値のＧａＮ基板の厚さ依存性を表すグラフ図である。
【図４】本発明の第２の実施例に係る半導体発光ダイオード素子を示す断面図である。
【図５】本発明の第３の実施例に係る半導体レーザ素子を示す断面図である。
【図６】本発明の第３の実施例に係る半導体レーザ素子のＢ部を拡大した断面図である。
【図７】窒化ガリウム系半導体を用いた従来の青色ＬＤの断面図である。
【図８】窒化ガリウム系半導体を用いた従来の青色ＬＥＤの断面図である。
【図９】発熱体上に設置された従来の基板ウェハーの温度を上昇したときの、基板の反りを示す図である。
【符号の説明】
１ 半絶縁性ＧａＮ基板
２ ノンドープＧａＮバッファ層
３ ｎ−ＧａＮｎ型コンタクト層
４ ｎ−Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎｎ型クラッド層
５ ｎ−ＧａＮガイド層
６ 多重量子井戸構造活性層
７ Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎ蒸発防止層
８ ｐ−ＧａＮガイド層
９ ｐ−Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎｐ型クラッド層
１０ ｐ−ＧａＮｐ型コンタクト層
１２ ｎ側電極
１３ ＳｉＯ2絶縁膜
１４ Ｉｎ0.2Ｇａ0.8Ｎ量子井戸層
１５ Ｉｎ0.05Ｇａ0.95Ｎ障壁層
Claims (1)
- 基板上に、窒化物半導体からなるクラッド層及び／又はガイド層に挟まれた、少なくともインジウムとガリウムを含む窒化物半導体からなる量子井戸構造活性層を、気相成長法により形成する製造方法であって、
前記基板として、５μｍ以上４０μｍ以下の厚さを有する窒化ガリウム基板を用いる、
ことを特徴とする窒化ガリウム系半導体発光素子の製造方法。
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