JP3898537B2 - 窒化物半導体の薄膜形成方法および窒化物半導体発光素子 - Google Patents
窒化物半導体の薄膜形成方法および窒化物半導体発光素子 Download PDFInfo
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、窒化物半導体の薄膜形成方法および窒化物半導体発光素子に関し、より詳細には、p型窒化物半導体と電極間の接触抵抗および注入キャリアの非発光表面再結合による損失を低減させた、低消費電力、又は/及び、レーザ発振閾値の低い窒化物半導体発光素子およびそのための窒化物半導体の薄膜形成方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
窒化物半導体は、III 族元素であるB,Al,Ga,Inのうち少なくとも一つの元素と、窒素との化合物であり、BN,GaN,AlGaN,InGaN,あるいは、AlInGaN等の種類があり、これらの窒化物半導体は、可視光領域から近紫外領域の短波長帯の発光材料として、近年盛んに研究および技術開発が行われている。
【0003】
窒化物半導体薄膜を用いた発光ダイオードからは橙色から紫外領域の発光が得られ、これらの窒化物半導体薄膜を用いた発光ダイオードに関しては、例えば、1996年発行の応用物理第65巻第7号676ページで中村修二が解説している。
【0004】
一方、窒化物半導体を用いた半導体レーザ(以後、「窒化物半導体レーザ」という)では、450nmから370nm前後の発振波長で室温連続発振が達成されており、窒化物半導体レーザに関しては、例えば、Jpn.J.Appl.Phys.Part2,vol.36(1997)pp.5393で、I.Akasaki等による解説がある。また、ドライエッチングによりメサストライプを形成した窒化物半導体レーザも作製されており、この窒化物半導体レーザについては、Jpn.J.Appl.Phys.Part2,vol.35(1996)pp.L74で、S.Nakamura等が報告している。
【0005】
図10は、ドライエッチングによりメサストライプを形成した窒化物半導体レーザの構成例を説明するための図で、図10(a)は窒化物半導体レーザの平面図で、図10(b)は図10(a)のI−I´部分の断面を示している。
【0006】
この窒化物半導体レーザでは、サファイア基板100上に形成したn型のGaN(n−GaN)層101の上に、n型の窒化物半導体多層膜102と、InGaNの多重量子井戸(MQW:Multi−Quantum Well)活性層103と、p型の窒化物半導体多層膜104とを積層させてレーザ多層構造薄膜を形成し、これを反応性イオンエッチングでメサ構造とした後にp型電極105とn型電極106とを形成してレーザを構成している。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
現在、p型の窒化物半導体を得るためには、一般的にはMgがドーパントとして用いられている。しかしながら、現在最も広く使用されている窒化物半導体結晶であるGaNの場合、GaN結晶中でのMgの活性化エネルギは200meV程度であり室温の熱エネルギに比べて非常に大きいため、〜1017cm−3程度のホール濃度しか得られていない。さらに、GaN結晶はバンドギャップが大きく、良好なオーミック接触を得るのに適した仕事関数を有する適当な金属材料もない。これらの理由により、p型GaN(p−GaN)と電極との接触抵抗は他の半導体の場合に比べて桁違いに大きくなり、窒化物半導体を用いた発光素子の特性を向上させる障害となっているという問題があった。
【0008】
また、図10に示す構成のレーザの場合、メサは、サファイア基板100とn−GaN層101との界面近傍に存在するバッファ層領域にまで達しているため、横方向(サファイヤ基板100に平行で共振器に垂直な方向)の光閉じこめが非常に強いという特長がある。しかしながら、活性層であるInGaN−MQW層103の端面が露出しているため、電極105、106からInGaN−MQW層103に注入されたキャリアがInGaN−MQW層103の端面で非発光的に表面再結合しやすく、その結果、レーザ発振閾値や動作時消費電力が高くなってしまうという問題があった。
【0009】
本発明は、上述したような、窒化物半導体を用いた発光ダイオードや半導体レーザ等の発光素子で問題となっているp型窒化物半導体と電極との間の接触抵抗がデバイス特性に与える悪影響を軽減する手法、および、窒化物半導体レーザで問題となっている注入キャリアの非発光表面再結合による内部量子効率の損失を抑制する手法を提案し、上記の2つの問題点を同時に解決可能な窒化物半導体発光素子およびそのための薄膜形成方法を提供することを目的とする。
【0010】
【課題を解決するための手段】
本発明は、このような目的を達成するために、請求項1に記載の発明は、基板上に、(0001)面を主方位面とする窒化物半導体を選択成長させて、電流狭窄層として用いる窒化物半導体薄膜を形成するための窒化物半導体の薄膜形成方法であって、前記基板の主方位面上に、選択成長させる窒化物半導体の[1−100]方向に平行なストライプ状の開口部、または、任意の辺が選択成長させる窒化物半導体薄膜の[1−100]方向に平行な多角形状の開口部を有するマスク材を形成して前記基板の主方位面の一部を露出させ、該開口部領域に、基板温度800〜1200℃で、金属MgまたはMg化合物を含有するガスおよびアンモニアガスを用いた気相成長法により、(0001)主方位面方向の成長により形成された第1の窒化物半導体結晶部分と、{11−2x}(x=0,1,2)ファセット面の成長により形成された第2の窒化物半導体結晶部分と、からなる窒化物半導体薄膜を選択成長させ、前記第2の窒化物半導体結晶部分のMg濃度を、前記第1の窒化物半導体結晶部分のMg濃度に比べて低くすることを特徴とする。
【0011】
また、請求項2に記載の発明は、基板上に、(0001)面を主方位面とする窒化物半導体を選択成長させて、電流狭窄層として用いる窒化物半導体薄膜を形成するための窒化物半導体の薄膜形成方法であって、前記基板の主方位面上に、選択成長させる窒化物半導体の[11−20]方向に平行なストライプ状の開口部、または、任意の辺が選択成長させる窒化物半導体薄膜の[11−20]方向に平行な多角形状の開口部を有するマスク材を形成して前記基板の主方位面の一部を露出させ、該開口部領域に、基板温度800〜1200℃で、金属MgまたはMg化合物を含有するガスおよびアンモニアガスを用いた気相成長法により、(0001)主方位面方向の成長により形成された第1の窒化物半導体結晶部分と、{1−10x}(x=0,1)ファセット面の成長により形成された第2の窒化物半導体結晶部分と、からなる窒化物半導体薄膜を選択成長させ、前記第2の窒化物半導体結晶部分のMg濃度を、前記第1の窒化物半導体結晶部分のMg濃度に比べて低くすることを特徴とする。
【0012】
また、請求項3に記載の発明は、基板上に、(0001)面を主方位面とする窒化物半導体を選択成長させて、電流狭窄層として用いる窒化物半導体薄膜を形成するための窒化物半導体の薄膜形成方法であって、前記基板の主方位面上に、選択成長させる窒化物半導体の[1−100]方向に平行で、かつ、(0001)面を主方位面とするストライプ状の窒化物半導体下地層、または、任意の辺が選択成長させる窒化物半導体薄膜の[1−100]方向に平行で、かつ、(0001)面を主方位面とする多角形状の窒化物半導体下地層を形成し、該窒化物半導体下地層の主方位面および端面に、基板温度800〜1200℃で、金属MgまたはMg化合物を含有するガスおよびアンモニアガスを用いた気相成長法により、(0001)主方位面方向の成長により形成された第1の窒化物半導体結晶部分と、{11−2x}(x=0,1,2)ファセット面の成長により形成された第2の窒化物半導体結晶部分と、からなる窒化物半導体薄膜を選択成長させ、前記第2の窒化物半導体結晶部分のMg濃度を、前記第1の窒化物半導体結晶部分のMg濃度に比べて低くすることを特徴とする。
【0013】
また、請求項4に記載の発明は、基板上に、(0001)面を主方位面とする窒化物半導体を選択成長させて、電流狭窄層として用いる窒化物半導体薄膜を形成するための窒化物半導体の薄膜形成方法であって、前記基板の主方位面上に、選択成長させる窒化物半導体の[11−20]方向に平行で、かつ、(0001)面を主方位面とするストライプ状の窒化物半導体下地層、または、任意の辺が選択成長させる窒化物半導体薄膜の[11−20]方向に平行で、かつ、(0001)面を主方位面とする多角形状の窒化物半導体下地層を形成し、該窒化物半導体下地層の主方位面および端面に、基板温度800〜1200℃で、金属MgまたはMg化合物を含有するガスおよびアンモニアガスを用いた気相成長法により、(0001)主方位面方向の成長により形成された第1の窒化物半導体結晶部分と、{1−10x}(x=0,1)ファセット面の成長により形成された第2の窒化物半導体結晶部分と、からなる窒化物半導体薄膜を選択成長させ、前記第2の窒化物半導体結晶部分のMg濃度を、前記第1の窒化物半導体結晶部分のMg濃度に比べて低くすることを特徴とする。
【0014】
また、請求項5に記載の発明は、窒化物半導体発光素子であって、基板の主面上に、n型クラッド層とn型光ガイド層と活性層とp型ガイド層とp型コンタクト層とが順次積層された構造を備え、前記p型コンタクト層が、請求項1乃至4のいずれかに記載の窒化物半導体の薄膜形成方法によって形成された電流狭窄層として用いる窒化物半導体薄膜の薄膜形成方法によって形成された窒化物半導体薄膜により構成された電流狭窄型のp型コンタクト層であることを特徴とする。
【0015】
さらに、請求項6に記載の発明は、屈折率導波型の窒化物半導体レーザであって、基板の主面上に、n型クラッド層とn型光ガイド層と活性層とp型ガイド層とp型クラッド層とp型コンタクト層とが順次積層された構造を備え、前記p型コンタクト層と前記p型クラッド層の何れもが、請求項1乃至4のいずれかに記載の窒化物半導体の薄膜形成方法によって形成された電流狭窄層として用いる窒化物半導体薄膜により構成されており、前記p型コンタクト層は、電流狭窄型のp型コンタクト層であることを特徴とする。
【0016】
【発明の実施の形態】
以下に、図面を参照して、本発明の実施の形態を具体的かつ詳細に説明する。
【0017】
図1は、本発明の窒化物半導体発光素子の作成工程の第1の例の一部の工程を説明するための図で、図1(a)はこの作成工程における本発明の窒化物半導体発光素子の平面図で、図1(b)は図1(a)のA−A´部分の断面を示している。
【0018】
この窒化物半導体発光素子は、基板上に、(0001)面を主面とする窒化物半導体薄膜を選択成長させて形成する。ここで、基板としては、窒化物半導体、サファイア、窒化珪素(SiC)、シリコン、ガリウム砒素などを用いることができる。
【0019】
先ず、基板10と選択成長させる窒化物半導体薄膜との結晶方位の関係を鑑みて、窒化物半導体薄膜の[1−100]方向に平行となるストライプ状の開口部12を有するマスク材13を基板10の主面に形成し、さらに、金属MgまたはMg化合物を原料の一つとして含む成長ガスを用いて有機金属気相成長法(MOVPE:Metalorganic Vapour Phase Epitaxy)等の気相成長法により、Mgをドーピングしながら基板10の主面に形成したマスク材13の開口部12内に窒化物半導体薄膜11を選択成長させる。このとき、窒化物半導体薄膜11の側面が{11−2x}ファセット(x=0,1,2)となるように、結晶面相互の結晶学的関係および結晶成長条件を適切に選択する。
【0020】
なお、本明細書全体をとおして、結晶面指数は、例えば、
【0021】
【外1】
【0022】
(エイチ、ケイ、アイ・バー、エル)を、{hk−il}(エイチ、ケイ、マイナス・アイ、エル)のように表示する。
【0025】
このようにして得られる窒化物半導体薄膜11は、(0001)面が成長することによって形成された部分14(第1の窒化物半導体結晶部分)と、{11−2x}ファセットが成長することによって形成された部分15(第2の窒化物半導体結晶部分)とから構成され、これらの結晶表面では、各々の表面構造の違いによりドーパントであるMgの付着確率すなわち取り込み効率が異なる。この図において、符号16は、第1の窒化物半導体結晶部分の(0001)面を意味し、符号17は、第2の窒化物半導体結晶部分の{11−2x}(x=0,1,2)ファセット面を示している。また、以下に説明する図面中ではわざわざ符号を付すことはしないが、(0001)面が成長することによって形成された部分である第1の窒化物半導体結晶部分の(0001)面と、ファセットが成長することによって形成された部分である第2の窒化物半導体結晶部分のファセット面も、図1に示したのと同様に図示されている。
【0026】
本発明で用いたMOVPEの典型的な結晶成長条件下では、(0001)面のMg取り込み効率の方が{11−2x}ファセット面のMg取り込み効率に比較して大きいため、窒化物半導体薄膜11中のMg含有量は、(0001)面が成長することによって形成された部分14の方が、{11−2x}ファセットが成長することによって形成された部分15よりも遥かに多くなり、その結果、(0001)面が成長することによって形成された部分14の方が{11−2x}ファセットが成長することによって形成された部分15よりもバルク抵抗が低くなる。
【0027】
このようにして形成した窒化物半導体薄膜11の(0001)面上にp型電極を形成して窒化物半導体発光素子のp型コンタクト層として使用すれば、窒化物半導体薄膜11を流れる電流はバルク抵抗の低い領域である(0001)面が成長することによって形成された部分14を選択的に流れることとなり、バルク抵抗の大きな領域である{11−2x}ファセットが成長することによって形成された部分15は電流を絞り込む役割をする電流狭窄層として機能することとなる。従って、この電流狭窄層の存在によりp型電極の面積を従来の窒化物半導体発光素子よりも広くすることができるため窒化物半導体とp型電極との間の接触抵抗を低く抑えることが可能となり、発光素子動作に伴う消費電力を低減することができる。
【0028】
図2は、本発明の窒化物半導体発光素子の作成工程の第2の例の一部の工程を説明するための図で、図2(a)はこの作成工程における本発明の窒化物半導体発光素子の平面図で、図2(b)は図2(a)のB−B´部分の断面を示している。
【0029】
この窒化物半導体発光素子は、基板上に、(0001)面を主面とする下地層として作用する第1の窒化物半導体薄膜を予め部分的に形成し、この上に、第2の窒化物半導体薄膜を選択成長により形成する。ここで、基板としては、サファイア、SiC、シリコン、ガリウム砒素などを用いることができる。
【0030】
先ず、基板20上に予め形成した第1の窒化物半導体薄膜を、その[1−100]方向に平行なストライプ状にエッチングにより加工して、ストライプ状窒化物半導体薄膜22を形成する。
【0031】
さらに、金属MgまたはMg化合物を原料の一つとして含む成長ガスを用いてMOVPE法等の気相成長法により、Mgをドーピングしながら、ストライプ状窒化物半導体薄膜22の主面である(0001)面とエッチング端面に第2の窒化物半導体薄膜21を選択成長させる。この時、第2の窒化物半導体薄膜21の側面が{11−2x}ファセット(x=0,1,2)となるように、結晶面相互の結晶学的関係および結晶成長条件を適切に選択する。
【0032】
この窒化物半導体薄膜21は、(0001)面が成長することによって形成された部分23と、{11−2x}ファセットが成長することによって形成された部分24とから構成され、既に説明した理由により、窒化物半導体薄膜21中のMg含有量は、(0001)面が成長することによって形成された部分23の方が、{11−2x}ファセットが成長することによって形成された部分24よりも遥かに多くなる。その結果、(0001)面が成長することによって形成された部分23の方が{11−2x}ファセットが成長することによって形成された部分24よりもバルク抵抗が低くなる。
【0033】
このようにして形成した窒化物半導体薄膜21の(0001)面上にp型電極を形成して窒化物半導体発光素子の電流狭窄層として使用すれば、p型電極の面積を従来の窒化物半導体発光素子よりも広くすることができるため窒化物半導体とp型電極との間の接触抵抗を低く抑えることが可能となり、発光素子動作に伴う消費電力を低減することができる。また、窒化物半導体層21は、そのまま、屈折率導波型の窒化物レーザのクラッド層として用いることも可能である。
【0034】
本発明の窒化物半導体発光素子およびその作製方法は図1および図2を用いて説明した内容に限定されるものではなく、いくつかのバリエーションが存在する。
【0035】
例えば、上述のストライプ状のマスク材開口部12やストライプ状に加工した第1の窒化物半導体薄膜22の向きを、[1−100]方向の代わりに[11−20]方向に設定することによっても全く同様の効果が得られる。この場合に得られる窒化物半導体薄膜は、{1−10x}ファセット(x=0,1)を側面とし、かつ、このファセットの成長により形成された部分のMg含有量の方が(0001)面の成長により形成された部分のMg含有量に比べて少ない膜となる。
【0036】
さらに、マスク材の開口部12の形状や第1の窒化物半導体薄膜22を加工する形状をストライプ状にする代わりに、任意の辺が[1−100]または[11−20]方向である多角形状にすることによっても全く同様の効果が得られる。
【0037】
このように、本発明の窒化物半導体発光素子の作製方法によれば、p型のドーパントであるMgを含有する窒化物半導体薄膜の選択成長を行う際に、結晶基板の主面上に形成するマスク材の開口部や種結晶となる第1の窒化物半導体薄膜を所定の形状や方向にすることにより、窒化物半導体薄膜内部のMg含有量の空間的分布を自由に設計することが可能となる。
【0038】
さらに、窒化物半導体薄膜をp型のコンタクト層および電流狭窄層として用いた発光ダイオードまたは半導体レーザや、窒化物半導体薄膜をp型のコンタクト層、光閉じこめ層および電流狭窄層として用いた半導体レーザを作製することとすれば、素子動作時の消費電力の低減化が図られる。
【0039】
以下に、GaN系窒化物半導体についての実施例を挙げ、添付図面を参照して、本発明の実施の形態を更に具体的かつ詳細に説明する。
(実施例1)
図3および図4は、基板としてGaN結晶を用い、MgをドープしたGaN薄膜をエピタキシャルに選択成長させる場合の、本発明の窒化物半導体発光素子の第1の作成実施例の一部の工程を説明するための図で、図3(a)および図4(a)はこの作成工程における本発明の窒化物半導体発光素子の平面図で、図3(b)および図4(b)の各々は図3(a)および図4(a)のC−C´及びD−D´部分の断面を示している。
【0040】
図3は、GaN結晶基板30の主方位面(0001)の表面にストライプ状の開口部31を有するマスク材32を形成した状態を表している。このマスク材32は、スパッタ装置により蒸着した二酸化シリコン(SiO2)から成る。なお、本実施例では、マスク材32の厚みは100nmとした。また、開口部31は、フォトリソグラフィーと希フッ酸によるエッチングにより形成した。
【0041】
図3に示したように、このストライプ状の開口部31は、GaN結晶基板30の〈1−100〉方向に平行であり、開口部31の幅は、0.1μmから10mmの範囲で設定することができる。なお、結晶学では、〈1−100〉方向に等価なすべての方向をまとめて[1−100]方向と表記し、本明細書全体をとおしてこの表記法に則って表記してある。
【0042】
図3に示した状態の試料をMOVPE装置に挿入し、水素をキャリアガスとし、アンモニア、トリメチルガリウム(TMG)、および、Mg化合物であるシクロペンタジエニルマグネシウム(Cp2Mg)を原料として用いて、マスク材の開口部31の内側に露出したGaN結晶基板30の主方位面(0001)上に、MgをドープしたGaN薄膜をエピタキシャルに選択成長した。
【0043】
水素ガスとアンモニアガスの流量は、それぞれ、0.1〜100SLM(Standard Liter per Minute)の範囲で設定できる。また、TMGガスの流量は0.01〜10SCCM(Standard CubicCentimeter per Minute)の範囲で設定可能であり、Cp2Mgガスの流量はTMGガスの流量の百分の一程度に設定できる。さらに、基板温度は800〜1200℃の範囲で設定可能である。なお、GaN薄膜の厚さは、0.1〜10μm程度にすると、発光ダイオードや半導体レーザ等の発光素子に応用するために都合がよい。
【0044】
図4は、このようにして選択成長させたMgドープGaN薄膜の様子を説明するための図で、MgをドープしたGaN薄膜41の端部側面は{11−20}ファセットになっていた。この薄膜の断面を走査型電子顕微鏡(SEM:Scannning Electron Microscopy)で観察したところ、コントラストの明るい部分42と暗い部分43とが観察され、コントラストの明るい部分42は(0001)面が成長することによって形成された部分であり、コントラストの暗い部分43は{11−20}ファセットが成長することによって形成された部分に相当していた。
【0045】
既に説明したように、これらの結晶表面では、表面構造の違いによりドーパントであるMgの付着確率すなわち取り込み効率が異なる。一方、SEM像のコントラストの相違は、GaN薄膜中のキャリア濃度(本実施例の場合、ホール濃度)の差によるものである。すなわち、コントラストの明るい部分42はホール濃度が高く低抵抗でMg濃度が高いと考えられ、コントラストの暗い部分43はホール濃度が低く高抵抗でMg濃度が低いと考えられる。そこで、これらの部分42と43におけるカソードルミネッセンス(CL:Cathod Liminescence)測定を行なうことにより、SEM像のコントラストとMg濃度との相関関係を調べた。
【0046】
図5は、SEM像のコントラストの明るい部分とコントラストの暗い部分とから得られたCLスペクトルを示す図で、これらのスペクトルのうち、スペクトル50はコントラストの明るい部分から得られたCLスペクトルに対応し、スペクトル51はコントラストの暗い部分から得られたCLスペクトルに対応する。
【0047】
この図から判るように、コントラストの明るい部分から得られたCLスペクトル50には、Mgが適切な濃度でドーピングされた低抵抗p−GaNに特徴的な450nm付近の青色発光部分が観察されている。一方、コントラストの暗い部分から得られたCLスペクトル51は、Mg濃度が非常に薄い高抵抗GaNに特徴的な形をしている。さらに、マイクロオージェスペクトロスコピー(μ−AES)測定により、コントラストの明るい部分のMg含有濃度はコントラストの暗い部分より2桁以上高いことが確認された。これらの結果から、コントラストの明るい部分はMg濃度が高いp型低抵抗領域であり、コントラストの暗い部分はMg濃度が低い高抵抗領域であると考えられる。
また、このようなp型低抵抗部分と高抵抗部分とが隣り合って存在する構造は、電流狭窄型のp型コンタクト層として用いることが可能であった。
【0048】
(実施例2)
本実施例においては、実施例1におけるストライプ状のマスク開口部31の方向をGaN結晶基板の〈11−20〉方向に平行にして結晶成長を行なった。その他の工程・条件は、実施例1と全く同様とし、MgをドープしたGaN薄膜の端部を{1−100}ファセットとした。
【0049】
GaN結晶の{1−100}面は(0001)面に比べてMgの取り込み効率が2桁以上低い。このため実施例1と同様に、選択成長されたGaN薄膜は、(0001)面が成長することによって形成された低抵抗のp型の部分と、{1−100}ファセットが成長することによって形成された高抵抗の部分から構成されていた。
この実施例2で記された工程により作製された窒化物半導体薄膜もまた、電流狭窄型のp型コンタクト層として用いることが可能であった。
【0050】
(実施例3)
図6および図7は、基板としてn型のSiC(0001)結晶を用い、p型のAlGaN系クラッド層とp型のGaN系キャップ層とを備える本発明の窒化物半導体発光素子の第2の作成実施例の一部の工程を説明するための図で、図6(a)および図7(a)は本発明の窒化物半導体発光素子の作成工程における平面図で、図6(b)および図7(b)の各々は図6(a)および図7(a)のE−E´およびF−F´部分の断面を示している。
【0051】
図6は、後述する第2の窒化物半導体薄膜の下地層として作用する第1の窒化物半導体薄膜形成工程終了後の試料の状態を説明するための図で、この窒化物半導体発光素子は、n型のSiC(0001)基板60の主面上に、水素をキャリアガスとして用い、アンモニア、TMG、トリメチルアルミニウム(TMA)、トリメチルインジウム(TMI)、シランおよびCp2Mgを原料として用いるMOVPEにより、n−Al0.1Ga0.9Nクラッド層61と、n−GaN光ガイド層62と、InGaNのMQW活性層63と、p−GaN光ガイド層64とが順次積層されている。以下では、これらの各層61、62、63、および、64をまとめて第1の窒化物半導体薄膜65と呼ぶことにする。
【0052】
ここで、水素ガスとアンモニアガスの流量は、それぞれ、0.1〜100SLMの範囲で設定可能であり、TMGガスの流量は、0.01〜10SCCMの範囲で設定できる。また、TMA、TMI、シラン、およびCp2Mgのガス流量は、TMGのガス流量に対して、それぞれ、十分の一、十倍、一万分の一、および百分の一程度に設定できる。さらに、基板温度は、n−Al0.1Ga0.9Nクラッド層61、n−GaN光ガイド層62、および、p−GaN光ガイド層64を堆積する際には800〜1200℃の範囲で設定でき、InGaNのMQW活性層63を堆積する際には600〜900℃の範囲で設定できる。なお、第1の窒化物半導体薄膜65の厚さを0.5〜10μm程度にすると、発光ダイオードや半導体レーザ等の発光素子に応用するために都合がよい。
【0053】
これに続いて、第1の窒化物半導体薄膜65を、ECRドライエッチングにより、その〈1−100〉方向に平行なストライプ状に加工した。このストライプの幅は、0.1μmから10mmの範囲で設定することができる。
【0054】
図7は、後述する第2の窒化物半導体薄膜形成工程後の試料の状態を説明するための図で、図6に示した第1の窒化物半導体薄膜形成後の試料に、水素ガスをキャリアガスとして用い、アンモニア、TMG、TMA、およびCp2Mgを原料として用いるMOVPEにより、p−Al0.1Ga0.9Nクラッド層66とp−GaNキャップ層67を、第1の窒化物半導体層65の上面およびエッチング端面に選択的に成長させた後の試料の様子を示している。ここで、p−Al0.1Ga0.9Nクラッド層66とp−GaNキャップ層67とをまとめて第2の窒化物半導体薄膜68と呼ぶことにする。
【0055】
水素ガスとアンモニアガスの流量は、それぞれ、0.1〜100SLMの範囲で設定可能であり、TMGのガス流量は、0.01〜10SCCMの範囲で設定できる。また、TMA、およびCp2Mgのガス流量は、TMGのガス流量に対して、それぞれ、十倍の一、および百分の一程度に設定できる。さらに、基板温度は800〜1200℃の範囲で設定できる。第2の窒化物半導体薄膜68の厚さは、0.2〜5μm程度にすると、発光ダイオードや半導体レーザ等の発光素子に応用するために都合がよい。
【0056】
図7において、第2の窒化物半導体薄膜68の端部側面は、実施例1と同様に、{11−20}ファセットになっていた。また、p−Al0.1Ga0.9Nクラッド層66とp−GaNキャップ層67ともに、それらの{11−20}面は(0001)面に比べてMgの取り込み効率が2桁以上低い。このため、実施例1と同様に、選択成長された第2の窒化物半導体薄膜68は、(0001)面が成長することによって形成されたp型低抵抗の部分と、{11−20}ファセットが成長することによって形成された高抵抗の部分とから構成されていた。
【0057】
本実施例で記された工程により作製された第2の窒化物半導体薄膜68もまた、電流狭窄型のp型コンタクト層として用いることが可能であった。さらに、この試料は、SiC(0001)基板60の〈11−20〉方向に劈開して共振器を形成することにより、屈折率導波型の窒化物半導体レーザとして、単一横モードでレーザ発振した。このレーザでは、InGaNのMQW活性層63のエッチング端面がp−Al0.1Ga0.9Nクラッド層66の高抵抗部分に覆われているため、従来の窒化物半導体レーザで問題となっていた注入キャリアの非発光的な表面再結合を抑制させることができ発振閾値が低下した。
【0058】
(実施例4)
本実施例では、実施例3における第1の窒化物半導体薄膜65を、ECRドライエッチングにより、その〈1−100〉方向ではなく、〈11−20〉方向に平行なストライプ状に加工して窒化物半導体薄膜を形成した。その他の条件・工程は、実施例3と全く同様とし、第2の窒化物半導体薄膜の端部側面を{1−100}ファセットとした。
【0059】
p−Al0.1Ga0.9N層とp−GaN層ともに、それらの{1−100}面は(0001)面に比べてMgの取り込み効率が2桁以上低い。このため、実施例3と同様に、選択成長された窒化物半導体薄膜は、(0001)面が成長することによって形成されたp型低抵抗の部分と、{1−100}ファセットが成長することによって形成された高抵抗の部分から構成されていた。
【0060】
本実施例で記された工程により作製された第2の窒化物半導体薄膜もまた、電流狭窄型のp型コンタクト層として用いることが可能であった。さらに、この試料SiC(0001)基板の〈1−100〉方向に劈開して共振器を形成することにより、屈折率導波型の窒化物半導体レーザとして、単一横モードでのレーザ発振が確認された。この場合も、従来の窒化物半導体レーザで問題となっていた注入キャリアの非発光的な表面再結合が抑制され、発振閾値が低下した。
【0061】
(実施例5)
図8および図9は、基板としてn型のSiC(0001)結晶を用い、p型のAlGaN系クラッド層とp−GaNキャップ層とを備える本発明の窒化物半導体発光素子の作製実施例の一部の工程を説明するための図で、図8(a)および図9(a)はこの作製工程における本発明の窒化物半導体発光素子の平面図で、図8(b)および図9(b)の各々は図8(a)および図9(a)のG−G´およびH−H´部分の断面を示している。
【0062】
図8は、後述する第2の窒化物半導体薄膜の下地層として作用する第1の窒化物半導体薄膜形成工程後の試料の状態を説明するための図で、この窒化物半導体発光素子は、n型のSiC(0001)基板80の主面上に、水素をキャリアガスとして用い、アンモニア、TMG、TMA、TMI、シランおよびCp2Mgを原料として用いるMOVPEにより、n−Al0.1Ga0.9Nクラッド層81、n−GaN光ガイド層82、InGaNのMQW活性層83、およびp−GaN光ガイド層84によって構成される第1の窒化物半導体薄膜85を形成した。ここで、各ガスの供給量と基板温度は実施例3の場合と全く同様であり、第1の窒化物半導体薄膜85の厚さも実施例3の場合と全く同様である。
【0063】
これに続いて、第1の窒化物半導体薄膜85を、ECRドライエッチングにより、各辺が第1の窒化物半導体薄膜85の[1−100]方向に平行である正六角形の形状に加工した。なお、この正六角形の一辺の長さは、0.1μmから10mmの範囲で設定できる。
【0064】
図9は、後述する第2の窒化物半導体薄膜形成工程後の試料の状態を説明するための図で、図8に示した第1の窒化物半導体薄膜形成後の試料に、アンモニア、TMG、TMAおよびCp2Mgを原料として用いるMOVPEにより、p−Al0.1Ga0.9Nクラッド層86とp−GaNキャップ層87によって構成される第2の窒化物半導体薄膜88を、第1の窒化物半導体層85の上面およびエッチング端面に選択的に成長させた。各ガスの供給量と基板温度は実施例3の場合と全く同様であり、第2の窒化物半導体薄膜88の厚さも実施例3の場合と全く同様である。
【0065】
この第2の窒化物半導体薄膜88の端部側面は、実施例3と同様に、{11−20}ファセットになっていた。さらに、選択成長された第2の窒化物半導体薄膜88は、(0001)面が成長することによって形成されたp型低抵抗の部分と、{11−20}ファセットが成長することによって形成された高抵抗の部分から構成されていた。
【0066】
本実施例で記された工程により作製された第2の窒化物半導体薄膜88も、電流狭窄型のp型コンタクト層として用いることが可能であった。また、リングキャビティを有する窒化物半導体レーザとして、単一横モードでレーザ発振した。
【0067】
【発明の効果】
以上、説明したように、本発明によれば、窒化物半導体薄膜の[1−100]方向に平行となるストライプ状の開口部を有するマスク材を基板の主面に形成し、気相成長法により金属MgまたはMg化合物を原料の1つとして必ず用いてMgをドーピングしながら基板の主面に形成したマスク材の開口部内に窒化物半導体薄膜を選択成長させることとしたので、得られた窒化物半導体薄膜は、(0001)面が成長することによって形成されたp型低抵抗の部分と、{11−2x}ファセット(x=0,1,2)が成長することによって形成された高抵抗の部分から構成されることとなり、電流狭窄層として機能するp型コンタクト層が得られ、p型電極の面積を従来よりも広くすることが可能となって接触抵抗による電力のロスを低減することができる。
【0068】
また、本発明によれば、基板上に(0001)面を主面とする第1の窒化物半導体薄膜を形成し、第1の窒化物半導体薄膜を、その[1−100]方向に平行なストライプ状にエッチングにより加工し、気相成長法により金属MgまたはMg化合物を原料の1つとして必ず用いてMgをドーピングしながら、ストライプ状に加工した第1の窒化物半導体薄膜の主面である(0001)面とエッチング端面に第2の窒化物半導体薄膜を選択成長させることとしたので、得られた第2の窒化物半導体薄膜は、(0001)面が成長することによって形成されたp型低抵抗の部分と、{11−2x}ファセット(x=0,1,2)が成長することによって形成された高抵抗の部分から構成されることとなり、電流狭窄層として機能するp型コンタクト層が得られ、p型電極の面積を従来よりも広くすることが可能となって接触抵抗による電力のロスを低減することができ、さらに、第2の窒化物半導体薄膜は、そのまま、屈折率導波型の窒化物半導体レーザのクラッド層として用いることも可能であるため、注入キャリアの非発光的な表面再結合を抑制してレーザの発振閾値を低下させることが可能となる。
【0069】
なお、本発明にはいくつかのバリエーションが存在し、ストライプ状のマスク材開口部やストライプ状に加工した第1の窒化物半導体薄膜の向きを[1−100]方向の代わりに[11−20]方向に設定することによっても、全く同様の効果が得られる。
【0070】
また、マスク材の開口部の形状や第1の窒化物半導体薄膜を加工する形状をストライプにする代わりに、任意の辺が[1−100]または[11−20]方向である多角形状にすることによっても全く同様の効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明で課題を解決するための手段における一工程を説明する図であり、{11−2x}ファセット(x=0,1,2)を側面とし、Mgをドープされた窒化物半導体薄膜を基板上に選択成長した状態を示す図である。(a)は平面図で、(b)は(a)のA−A´部分の断面を示している。
【図2】本発明で課題を解決するための手段における一工程を説明する図であり、基板上に形成した第1の窒化物半導体薄膜の主面とエッチング端面に、{11−2x}ファセット(x=0,1,2)を側面とし、Mgをドープされた第2の窒化物半導体薄膜を選択成長した状態を示す図である。
【図3】実施例1における一工程を説明する図であり、GaN結晶基板の主方位面(0001)の表面にストライプ状の開口部を有するマスク材を形成した状態を示す図である。
【図4】実施例1における一工程を説明する図であり、マスク材の開口部の内側に露出したGaN結晶基板の主方位面(0001)上に、MgをドープしたGaN薄膜をエピタキシャルに選択成長した状態を示す図である。
【図5】MgをドープしたGaN薄膜のCLスペクトルを示す図である。
【図6】実施例3における一工程を説明する図であり、n型のSiC(0001)基板の主面上に形成した第1の窒化物半導体薄膜を、ECRドライエッチングにより、その〈1100〉方向に平行なストライプ状に加工した状態を示す図である。
【図7】実施例3における一工程を説明する図であり、第2の窒化物半導体薄膜を、第1の窒化物半導体層の上面およびエッチング端面に選択的に成長した状態を示す図である。
【図8】実施例5における一工程を説明する図であり、n型のSiC(0001)基板の主面上に、第1の窒化物半導体薄膜を形成した後、ECRドライエッチングにより各辺が第1の窒化物半導体薄膜の[1−100]方向に平行である正六角形の形状に加工した状態を示す図である。
【図9】実施例5における一工程を説明する図であり、第2の窒化物半導体薄膜を、第1の窒化物半導体層の上面およびエッチング端面に選択的に成長した状態を示す図である。
【図10】従来の窒化物半導体レーザの構造例を示す図である。
【符号の説明】
10、20 基板
11 (0001)面を主面とする窒化物半導体薄膜
12、31 マスク材の開口部
13、32 マスク材
14、23 (0001)面が成長することによって形成された部分
15、24 {11−2x}ファセット(x=0,1,2)が成長することによって形成された部分
16 第1の窒化物半導体結晶部分の(0001)面
17 第2の窒化物半導体結晶部分の{11−2x}(x=0,1,2)ファセット面
21 (0001)面を主面とする第2の窒化物半導体薄膜
22 (0001)面を主面とする第1の窒化物半導体薄膜
30 GaN結晶基板
41 MgをドープしたGaN薄膜
42 MgをドープしたGaN薄膜の(0001)面が成長することによって形成された部分
43 MgをドープしたGaN薄膜の{11−20}ファセットが成長することによって形成された部分
50 MgをドープしたGaN薄膜の(0001)面が成長することによって形成された部分のCLスペクトル
51 MgをドープしたGaN薄膜の{11−20}ファセットが成長することによって形成された部分のCLスペクトル
60、80 n型のSiC(0001)基板
61、81 n−Al0.1Ga0.9Nクラッド層
62、82 n−GaN光ガイド層
63、83、103 InGaNのMQW活性層
64、84 p−GaN光ガイド層
65、85 第1の窒化物半導体薄膜
66、86 p−Al0.1Ga0.9Nクラッド層
67、87 p−GaNキャップ層
68、88 第2の窒化物半導体薄膜
100 サファイア基板
101 n型のGaN層
102 n型の窒化物半導体多層膜
104 n型の窒化物半導体多層膜
105 p型電極
106 n型電極
Claims (6)
- 基板上に、(0001)面を主方位面とする窒化物半導体を選択成長させて、電流狭窄層として用いる窒化物半導体薄膜を形成するための窒化物半導体の薄膜形成方法であって、
前記基板の主方位面上に、選択成長させる窒化物半導体の[1−100]方向に平行なストライプ状の開口部、または、任意の辺が選択成長させる窒化物半導体薄膜の[1−100]方向に平行な多角形状の開口部を有するマスク材を形成して前記基板の主方位面の一部を露出させ、
該開口部領域に、基板温度800〜1200℃で、金属MgまたはMg化合物を含有するガスおよびアンモニアガスを用いた気相成長法により、(0001)主方位面方向の成長により形成された第1の窒化物半導体結晶部分と、{11−2x}(x=0,1,2)ファセット面の成長により形成された第2の窒化物半導体結晶部分と、からなる窒化物半導体薄膜を選択成長させ、
前記第2の窒化物半導体結晶部分のMg濃度を、前記第1の窒化物半導体結晶部分のMg濃度に比べて低くすることを特徴とする窒化物半導体の薄膜形成方法。 - 基板上に、(0001)面を主方位面とする窒化物半導体を選択成長させて、電流狭窄層として用いる窒化物半導体薄膜を形成するための窒化物半導体の薄膜形成方法であって、
前記基板の主方位面上に、選択成長させる窒化物半導体の[11−20]方向に平行なストライプ状の開口部、または、任意の辺が選択成長させる窒化物半導体薄膜の[11−20]方向に平行な多角形状の開口部を有するマスク材を形成して前記基板の主方位面の一部を露出させ、
該開口部領域に、基板温度800〜1200℃で、金属MgまたはMg化合物を含有するガスおよびアンモニアガスを用いた気相成長法により、(0001)主方位面方向の成長により形成された第1の窒化物半導体結晶部分と、{1−10x}(x=0,1)ファセット面の成長により形成された第2の窒化物半導体結晶部分と、からなる窒化物半導体薄膜を選択成長させ、
前記第2の窒化物半導体結晶部分のMg濃度を、前記第1の窒化物半導体結晶部分のMg濃度に比べて低くすることを特徴とする窒化物半導体の薄膜形成方法。 - 基板上に、(0001)面を主方位面とする窒化物半導体を選択成長させて、電流狭窄層として用いる窒化物半導体薄膜を形成するための窒化物半導体の薄膜形成方法であって、
前記基板の主方位面上に、選択成長させる窒化物半導体の[1−100]方向に平行で、かつ、(0001)面を主方位面とするストライプ状の窒化物半導体下地層、または、任意の辺が選択成長させる窒化物半導体薄膜の[1−100]方向に平行で、かつ、(0001)面を主方位面とする多角形状の窒化物半導体下地層を形成し、
該窒化物半導体下地層の主方位面および端面に、基板温度800〜1200℃で、金属MgまたはMg化合物を含有するガスおよびアンモニアガスを用いた気相成長法により、(0001)主方位面方向の成長により形成された第1の窒化物半導体結晶部分と、{11−2x}(x=0,1,2)ファセット面の成長により形成された第2の窒化物半導体結晶部分と、からなる窒化物半導体薄膜を選択成長させ、
前記第2の窒化物半導体結晶部分のMg濃度を、前記第1の窒化物半導体結晶部分のMg濃度に比べて低くすることを特徴とする窒化物半導体の薄膜形成方法。 - 基板上に、(0001)面を主方位面とする窒化物半導体を選択成長させて、電流狭窄層として用いる窒化物半導体薄膜を形成するための窒化物半導体の薄膜形成方法であって、
前記基板の主方位面上に、選択成長させる窒化物半導体の[11−20]方向に平行で、かつ、(0001)面を主方位面とするストライプ状の窒化物半導体下地層、または、任意の辺が選択成長させる窒化物半導体薄膜の[11−20]方向に平行で、かつ、(0001)面を主方位面とする多角形状の窒化物半導体下地層を形成し、
該窒化物半導体下地層の主方位面および端面に、基板温度800〜1200℃で、金属MgまたはMg化合物を含有するガスおよびアンモニアガスを用いた気相成長法により、(0001)主方位面方向の成長により形成された第1の窒化物半導体結晶部分と、{1−10x}(x=0,1)ファセット面の成長により形成された第2の窒化物半導体結晶部分と、からなる窒化物半導体薄膜を選択成長させ、
前記第2の窒化物半導体結晶部分のMg濃度を、前記第1の窒化物半導体結晶部分のMg濃度に比べて低くすることを特徴とする窒化物半導体の薄膜形成方法。 - 基板の主面上に、n型クラッド層とn型光ガイド層と活性層とp型ガイド層とp型コンタクト層とが順次積層された構造を備え、
前記p型コンタクト層が、請求項1乃至4のいずれかに記載の窒化物半導体の薄膜形成方法によって形成された電流狭窄層として用いる窒化物半導体薄膜により構成された電流狭窄型のp型コンタクト層であることを特徴とする窒化物半導体発光素子。 - 基板の主面上に、n型クラッド層とn型光ガイド層と活性層とp型ガイド層とp型クラッド層とp型コンタクト層とが順次積層された構造を備え、
前記p型コンタクト層と前記p型クラッド層の何れもが、請求項1乃至4のいずれかに記載の窒化物半導体の薄膜形成方法によって形成された電流狭窄層として用いる窒化物半導体薄膜により構成されており、
前記p型コンタクト層は、電流狭窄型のp型コンタクト層であることを特徴とする屈折率導波型の窒化物半導体レーザ。
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