JP4277283B2 - Nitride semiconductor light emitting device - Google Patents

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本発明は発光ダイオード素子、レーザダイオード素子等の発光素子、太陽電池、光センサ等の受光素子、あるいはトランジスタ、パワーデバイス等の電子デバイスに用いられる窒化物半導体(InAlGa1−X−YN、0≦X、0≦Y、X+Y≦1)よりなる素子に関する。 The present invention relates to a nitride semiconductor (In X Al Y Ga 1-X-- ) used in light-emitting elements such as light-emitting diode elements and laser diode elements, light-receiving elements such as solar cells and optical sensors, or electronic devices such as transistors and power devices. YN , 0 ≦ X, 0 ≦ Y, X + Y ≦ 1).

窒化物半導体は短波長レーザ素子の材料として知られており、本出願人は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.35(1996)L74、Jpn.J.Appl.Phys.35(1996)L217等}。このレーザ素子は、InGaNを用いた多重量子井戸構造(MQW:Multi−Quantum− Well)の活性層を有するダブルへテロ構造を有し、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、410nmの発振を示す。さらに本出願人は研究を進歩させ、室温での連続発振にも初めて成功し、発表した。{例えば、日経エレクトロニクス 1996年12月2日号 技術速報、Appl.Phys.Lett.69(1996)3034−、Appl.Phys.Lett.69(1996)4056− 等}、このレーザ素子は20℃において、閾値電流密度3.6kA/cm、閾値電圧5.5V、1.5mW出力において、27時間の連続発振を示す。 Nitride semiconductors are known as materials for short-wavelength laser elements, and the present applicants have first announced a 410 nm laser oscillation at room temperature under a pulse current using this material {see, for example, Jpn. J. et al. Appl. Phys. 35 (1996) L74, Jpn. J. et al. Appl. Phys. 35 (1996) L217 etc.}. This laser device has a double hetero structure having an active layer of a multi-quantum well structure (MQW: Multi-Quantum Well) using InGaN, a threshold current of 610 mA under the conditions of a pulse width of 2 μs and a pulse period of 2 ms, Oscillation at a threshold current density of 8.7 kA / cm 2 and 410 nm is exhibited. In addition, the applicant has advanced his research and succeeded for the first time in continuous oscillation at room temperature. {For example, Nikkei Electronics December 2, 1996, Technical Bulletin, Appl. Phys. Lett. 69 (1996) 3034, Appl. Phys. Lett. 69 (1996) 4056-etc.], And this laser element exhibits continuous oscillation for 27 hours at 20 ° C. at a threshold current density of 3.6 kA / cm 2 , a threshold voltage of 5.5 V, and an output of 1.5 mW.

前記レーザ素子は全て窒化物半導体の成長基板にはサファイアが用いられている。サファイアは窒化物半導体と格子整合する材料ではないが、基板の量産性に優れ、比較的結晶性の良い窒化物半導体が成長できるために多用されている。レーザ素子の基本構造としては、サファイア基板上にGaNよりなるコンタクト層(電極形成層)、AlGaNよりなるn側クラッド層、GaNよりなるn側ガイド層、InGaNを含むMQW活性層、GaNよりなるp側光ガイド層、AlGaNよりなるp側クラッド層、GaNよりなるp側コンタクト層が順に積層された分離閉じ込め(SCH)構造を有している。前記レーザ素子の場合、屈折率が大きい活性層を屈折率の小さいAlGaNよりなるクラッド層で挟んでいるが、基板とn側クラッド層との間に、屈折率が活性層よりは小さいが、基板及びn側クラッド層よりも大きいGaN層をコンタクト層として有している。従ってAlGaNよりなるクラッド層で閉じ込めきれなかった光は、サファイア基板の屈折率がGaNコンタクト層の屈折率より小さいため、GaNコンタクト層で導波される。そのため窒化物半導体層端面から出射されるレーザ光のファーフィールドパターン(FFP)は、ヘテロ接合界面に垂直な方向(y軸)に対して正規分布した形状とならずに、複数のビームがある形状となってしまう。このような複数のビームがあるレーザ光は光ディスクのピックアップに用いる光源としては使用しにくい。   In all the laser elements, sapphire is used as a growth substrate for nitride semiconductor. Sapphire is not a material that lattice-matches with a nitride semiconductor, but is widely used because it can grow a nitride semiconductor with excellent substrate mass productivity and relatively good crystallinity. As a basic structure of the laser element, a GaN contact layer (electrode formation layer), an AlGaN n-side cladding layer, a GaN n-side guide layer, an InGaN-containing MQW active layer, and a GaN p-layer on a sapphire substrate. It has a separate confinement (SCH) structure in which a side light guide layer, a p-side cladding layer made of AlGaN, and a p-side contact layer made of GaN are sequentially stacked. In the case of the laser element, an active layer having a large refractive index is sandwiched between cladding layers made of AlGaN having a small refractive index, but the refractive index is smaller than that of the active layer between the substrate and the n-side cladding layer. And a GaN layer larger than the n-side cladding layer as a contact layer. Accordingly, light that cannot be confined by the cladding layer made of AlGaN is guided by the GaN contact layer because the refractive index of the sapphire substrate is smaller than that of the GaN contact layer. Therefore, the far-field pattern (FFP) of the laser light emitted from the end face of the nitride semiconductor layer does not have a normal distribution shape in the direction perpendicular to the heterojunction interface (y-axis), but has a shape with a plurality of beams. End up. Such a laser beam having a plurality of beams is difficult to use as a light source for picking up an optical disk.

一方、活性層の発光の閉じ込め率を高くしようとすれば、クラッド層の屈折率をさらに小さくして、厚膜で成長させる必要がある。しかしながら従来の窒化物半導体は、サファイアのような格子定数、及び熱膨張係数が異なる基板の上に成長されているため、結晶欠陥が非常に多く、例えば断面TEMで観察すると1×10個/cm以上ある。結晶欠陥の多い窒化物半導体層が積層されたレーザ素子では連続発振させた場合に、その結晶欠陥で電子とホールが非輻射再結合して発熱して寿命を短くする。特にクラッド層となるようなAlを含む窒化物半導体は結晶成長中に、結晶欠陥、及びクラックが発生しやすい傾向にある。従来のレーザ素子ではAlGaNクラッド層を例えば0.5μm以下の膜厚で成長させているが、このクラッド層でも結晶欠陥が非常に多く、またクラックも発生している可能性がある。またクラッド層の屈折率を小さくするためAl混晶比を上げようとすると、さらにクラックが多くなる傾向にある。 On the other hand, in order to increase the light confinement rate of the active layer, it is necessary to further increase the refractive index of the cladding layer and to grow it with a thick film. However, since conventional nitride semiconductors are grown on substrates having different lattice constants and different thermal expansion coefficients such as sapphire, there are many crystal defects. For example, when observed with a cross-sectional TEM, 1 × 10 9 / There are cm 2 or more. In a laser device in which a nitride semiconductor layer having many crystal defects is laminated, when the semiconductor device is continuously oscillated, electrons and holes are non-radiatively recombined by the crystal defects and heat is generated to shorten the lifetime. In particular, a nitride semiconductor containing Al which becomes a cladding layer tends to easily generate crystal defects and cracks during crystal growth. In the conventional laser element, the AlGaN cladding layer is grown to a thickness of, for example, 0.5 μm or less. However, the cladding layer also has a large number of crystal defects and may have cracks. Further, if the Al mixed crystal ratio is increased in order to reduce the refractive index of the cladding layer, the number of cracks tends to increase.

従って、本発明はこのような事情を鑑みて成されたものであって、その目的とするところは、厚膜のAlを含む窒化物半導体、またはAl混晶比の高い窒化物半導体を成長可能として、その窒化物半導体をクラッド層、コンタクト層として有する窒化物半導体素子を提供することにある。   Therefore, the present invention has been made in view of such circumstances, and the object of the present invention is to grow a nitride semiconductor containing a thick Al film or a nitride semiconductor having a high Al mixed crystal ratio. An object of the present invention is to provide a nitride semiconductor device having the nitride semiconductor as a cladding layer and a contact layer.

本発明によれば、上記した課題は、次のようにして解決される。
第1の発明は、窒化物半導体を成長させた後、さらに、窒化物半導体を選択的に横方向に成長させて形成された、結晶欠陥が1×10 個/cm 以下の下地層と、前記下地層の上に形成された、Inを含む窒化物半導体よりなる井戸層を有する量子井戸構造の活性層と、前記活性層の上に形成された、Alを含む窒化物半導体層および前記Alを含む窒化物半導体層とは異なる組成を有する窒化物半導体層が積層された超格子構造よりなるp側クラッド層と、前記下地層の裏面側に形成されたn電極と、を備え、前記下地層は、不純物濃度が5×10 16 /cm 〜1×10 19 /cm である、ことを特徴とする窒化物半導体発光素子である。
なお、本発明は、「Alを含む窒化物半導体層」および「Alを含む窒化物半導体層とは異なる組成を有する窒化物半導体層」を後述する実施の形態に限定するものではないが、本発明の理解を容易にするために、これらに対応する実施の形態の窒化物半導体層を述べると、前者については第4の窒化物半導体層が対応し、後者については第5の窒化物半導体層が対応する。
According to the present invention, the above-described problem is solved as follows.
According to a first aspect of the present invention, there is provided an underlayer having a crystal defect of 1 × 10 7 pieces / cm 2 or less formed by growing a nitride semiconductor and then selectively growing the nitride semiconductor in a lateral direction. An active layer of a quantum well structure having a well layer made of a nitride semiconductor containing In formed on the underlayer , a nitride semiconductor layer containing Al formed on the active layer, and A p-side cladding layer having a superlattice structure in which a nitride semiconductor layer having a composition different from that of a nitride semiconductor layer containing Al is laminated, and an n-electrode formed on the back side of the base layer , underlayer impurity concentration of 5 × 10 16 / cm 3 ~1 × 10 19 / cm 3, a nitride semiconductor light emitting device characterized by.
Note that the present invention does not limit the “nitride semiconductor layer containing Al” and the “nitride semiconductor layer having a composition different from the nitride semiconductor layer containing Al” to the embodiments described later. In order to facilitate understanding of the invention, the nitride semiconductor layers of the embodiments corresponding to these will be described. The former corresponds to the fourth nitride semiconductor layer, and the latter corresponds to the fifth nitride semiconductor layer. Corresponds.

第2の発明は、前記下地層は、窪みを有する窒化物半導体を成長させた後、さらに、窒化物半導体を選択的に横方向に成長させて形成されたものである、ことを特徴とする第1の発明に係る窒化物半導体発光素子である。   According to a second aspect of the present invention, the base layer is formed by growing a nitride semiconductor having depressions and then selectively growing the nitride semiconductor in a lateral direction. 1 is a nitride semiconductor light emitting device according to a first invention;

第3の発明は、前記Alを含む窒化物半導体層と、前記Alを含む窒化物半導体層とは異なる組成を有する窒化物半導体層とは、不純物濃度が異なる、ことを特徴とする第1の発明又は第2の発明に係る窒化物半導体発光素子である。   According to a third aspect of the invention, the nitride semiconductor layer containing Al and the nitride semiconductor layer having a composition different from that of the nitride semiconductor layer containing Al have different impurity concentrations. A nitride semiconductor light emitting device according to the invention or the second invention.

第4の発明は、前記Alを含む窒化物半導体層がAlGa1−yN(0<y≦1)よりなる、ことを特徴とする第1の発明乃至第3の発明のいずれか1つに係る窒化物半導体発光素子である。 According to a fourth invention, in any one of the first to third inventions, the nitride semiconductor layer containing Al is made of Al y Ga 1-y N (0 <y ≦ 1). The nitride semiconductor light emitting device according to the above.

第5の発明は、第1の発明乃至第4の発明のいずれか1つに係る窒化物半導体発光素子において、さらに、異種基板よりも上にAl Ga 1−x N(0≦x≦0.5)よりなるバッファ層が形成され、このバッファ層よりも上に前記下地層が形成され、この異種基板とこのバッファ層とが除去されたことを特徴とする窒化物半導体発光素子である。
第6の発明は、前記下地層にドープされる不純物がn型不純物であることを特徴とする第1の発明乃至第5の発明のいずれか1つに係る窒化物半導体発光素子である。
第7の発明は、前記n型不純物は、Si、Ge、Se、S、Oから選択されることを特徴とする第6の発明に係る窒化物半導体発光素子である。
According to a fifth invention, in the nitride semiconductor light emitting device according to any one of the first invention to the fourth invention , Al x Ga 1-x N (0 ≦ x ≦ 0) 5), a base layer is formed above the buffer layer, and the heterogeneous substrate and the buffer layer are removed .
A sixth invention is the nitride semiconductor light emitting device according to any one of the first to fifth inventions, wherein the impurity doped in the underlayer is an n-type impurity.
A seventh invention is the nitride semiconductor light emitting device according to the sixth invention, wherein the n-type impurity is selected from Si, Ge, Se, S, and O.

以上説明したように、本発明の素子によると、Alを含む窒化物半導体を成長させる前の窒化物半導体の結晶欠陥が少ないために、厚膜で成長可能となり、レーザ素子では低閾値で発振できるようになって長寿命となる。結晶欠陥が少ないということはGaN下地層中の歪みが小さいと言うことを意味し、歪みの小さいGaN下地層の上に格子不整合の状態でAlGaNを成長させると、同様にAlGaN中の歪みも小さくなるために、クラックが入りにくくなり厚膜のAlGaNが成長できる。
その上、本発明の素子によると、下地層に不純物がドープされるため、下地層の裏面側にn電極が形成された窒化物半導体発光素子において、抵抗を下げることができる。
As described above, according to the device of the present invention, since the nitride semiconductor has few crystal defects before the growth of the nitride semiconductor containing Al, it can be grown in a thick film, and the laser device can oscillate at a low threshold. As a result, long life is achieved. Less crystal defects mean that the strain in the GaN underlayer is small. When AlGaN is grown in a lattice-mismatched state on a GaN underlayer with low strain, the strain in the AlGaN is also reduced. Since it becomes smaller, cracks are less likely to occur, and thick AlGaN can be grown.
Moreover, according to the element of the present invention, since the impurity is doped in the underlayer, the resistance can be lowered in the nitride semiconductor light emitting element in which the n electrode is formed on the back surface side of the underlayer.

結晶欠陥が1×10個/cm以下の窒化物半導体を含む下地層とは、例えば結晶欠陥の少ない窒化物半導体基板であっても良いし、また窒化物半導体と異なる材料よりなる基板(以下、異種基板という。)上に成長された結晶欠陥の少ない窒化物半導体層であってもよい。その下地層は例えば以下に述べる方法によって作製することができる。 The underlayer containing a nitride semiconductor having crystal defects of 1 × 10 7 / cm 2 or less may be, for example, a nitride semiconductor substrate with few crystal defects, or a substrate made of a material different from the nitride semiconductor ( Hereinafter, it may be a nitride semiconductor layer with few crystal defects grown on a different substrate. The underlayer can be produced, for example, by the method described below.

それは異種基板上に窒化物半導体を成長後、若しくは成長前に、その窒化物半導体層表面、若しくは異種基板の表面に、窒化物半導体が成長しにくい性質を有する保護膜を部分的に形成し、その保護膜によって異種基板と窒化物半導体との格子定数不整、熱膨張係数差等の要因によって発生する窒化物半導体の結晶欠陥を止める手法である。保護膜形成後、その保護膜及び窓部(保護膜が形成されていない部分)の上に再度窒化物半導体を成長させることにより、窓部から横方向に窒化物半導体の成長を促進させて、保護膜上部にまで窒化物半導体を成長させる。その保護膜上部に成長した窒化物半導体は、結晶欠陥が少ない窒化物半導体下地層となる。下地層の組成はAlを0.3以下で含むAlGa1−XN、好ましくはGaNとすることが最も望ましい。またこのGaN下地層にSi、Ge、S等のn型不純物をドープして導電性を制御しても良い。n型不純物をドープするとGaN下地層がn電極形成層として好ましく使用できる。GaN下地層の結晶欠陥は好ましくは5×10個/cm以下、さらに好ましくは1×10個/cm以下、最も好ましくは5×10個/cmであることが望ましい。なお下地層中の結晶欠陥は、断面TEMによる観察により写真撮影して計測できる数値を示している。 That is, after growing the nitride semiconductor on the heterogeneous substrate or before the growth, partially forming a protective film having a property that the nitride semiconductor is difficult to grow on the surface of the nitride semiconductor layer, or on the surface of the heterogeneous substrate, This is a method for stopping crystal defects of the nitride semiconductor caused by factors such as an irregular lattice constant between the heterogeneous substrate and the nitride semiconductor and a difference in thermal expansion coefficient by the protective film. After the protective film is formed, by growing the nitride semiconductor again on the protective film and the window part (part where the protective film is not formed), the growth of the nitride semiconductor is promoted laterally from the window part, A nitride semiconductor is grown to the top of the protective film. The nitride semiconductor grown on the protective film becomes a nitride semiconductor underlayer with few crystal defects. The composition of the underlayer is most desirably Al X Ga 1-X N containing Al at 0.3 or less, preferably GaN. Further, the conductivity may be controlled by doping the GaN underlayer with n-type impurities such as Si, Ge, and S. When an n-type impurity is doped, the GaN underlayer can be preferably used as an n-electrode forming layer. The number of crystal defects in the GaN underlayer is preferably 5 × 10 6 pieces / cm 2 or less, more preferably 1 × 10 6 pieces / cm 2 or less, and most preferably 5 × 10 5 pieces / cm 2 . In addition, the crystal defect in a base layer has shown the numerical value which can be photographed and measured by observation by cross-sectional TEM.

図1乃至図4はGaN下地層を作製する際の、窒化物半導体ウェーハの構造を示す模式的な断面図である。これらの図において、1は異種基板、2は窒化物半導体よりなるバッファ層、3は第1の下地層、3’は第2の下地層、11は第1の保護膜、12は第2の保護膜を示しており、本発明の素子の下地層となるのは第1の下地層3、若しくは第2の下地層3’である。これらの図を元にしてGaNよりなる下地層の製法の一例を説明する。   1 to 4 are schematic sectional views showing the structure of a nitride semiconductor wafer when a GaN underlayer is produced. In these figures, 1 is a heterogeneous substrate, 2 is a buffer layer made of a nitride semiconductor, 3 is a first underlayer, 3 ′ is a second underlayer, 11 is a first protective film, and 12 is a second underlayer. A protective film is shown, and the base layer of the element of the present invention is the first base layer 3 or the second base layer 3 ′. An example of a method for producing a base layer made of GaN will be described based on these drawings.

図1に示すように、異種基板1の表面に、GaNよりなるバッファ層2を例えば10μm以下の膜厚で成長させる。このバッファ層は基板に直接、あるいは低温成長バッファ層を介して、900℃以上の高温で成長される層であり、結晶欠陥が全ての断面において、例えば1×10個/cm以上あるため、GaN下地層とはなり得ない。異種基板1は窒化物半導体と異なる材料よりなる基板であればどのようなものでも良く、例えば、C面の他、R面、A面を主面とするサファイア、スピネル(MgA1)のような絶縁性基板、SiC(6H、4H、3Cを含む)、ZnS、ZnO、GaAs、Si等の従来知られている窒化物半導体と異なる基板材料を用いることができる。またバッファ層2を成長させる前に、GaN、AlN、AlGaN等の900℃以下で成長させる低温成長バッファ層を異種基板1に接して、0.5μm以下の膜厚で成長させることが望ましい。 As shown in FIG. 1, a buffer layer 2 made of GaN is grown on the surface of a heterogeneous substrate 1 with a film thickness of, for example, 10 μm or less. This buffer layer is a layer grown at a high temperature of 900 ° C. or higher directly on the substrate or via a low-temperature growth buffer layer, and there are, for example, 1 × 10 9 pieces / cm 2 or more in all cross sections. It cannot be a GaN underlayer. Heterogeneous substrate 1 may be of any type as long as the substrate made of different material from the nitride semiconductor, for example, other C plane, sapphire having the principal R-plane, A plane, spinel (MgA1 2 O 4) A substrate material different from a conventionally known nitride semiconductor such as an insulating substrate, SiC (including 6H, 4H, 3C), ZnS, ZnO, GaAs, Si, or the like can be used. Further, before the buffer layer 2 is grown, it is desirable that a low temperature growth buffer layer such as GaN, AlN, AlGaN or the like grown at 900 ° C. or less is in contact with the heterogeneous substrate 1 and grown to a thickness of 0.5 μm or less.

次に図1に示すように、バッファ層2の上に窒化物半導体が直接成長しないか、若しくは成長しにくい性質を有する第1の保護膜11を所定の形状で部分的に形成する。保護膜の形状としてはストライプ状、ドット状、碁盤目状等どのような形状でも良いが、バッファ層の露出部分、即ち保護膜が形成されていない部分(窓部)よりも保護膜の面積を大きくする方が、より結晶欠陥の少ない第1の下地層3が成長しやすい。第1の保護膜11、第2の保護膜12の材料としては、例えば酸化ケイ素(SiO)、窒化ケイ素(Si)、酸化チタン(TiO)、酸化ジルコニウム(ZrO)等の酸化物、窒化物、またこれらの多層膜の他、1200℃以上の融点を有する金属等を用いることができる。これらの保護膜材料は、窒化物半導体の成長温度600℃〜1100℃の温度にも耐え、その表面に窒化物半導体が成長しないか、成長しにくい性質を有している。保護膜材料を窒化物半導体表面に形成するには、例えば蒸着、スパッタ、CVD等の気相成膜技術を用いることができる。部分的(選択的)に形成するためには、フォトリソグラフィー技術を用いて、所定の形状を有するフォトマスクを作製し、そのフォトマスクを介して、前記材料を気相成膜することにより、所定の形状を有する第1の保護膜11、第2の保護膜12を形成できる。図1ではバッファ層2の上に例えばストライプ状の保護膜を形成し、そのストライプに対して垂直な方向でウェーハを切断した際の部分的な断面図を示しており、結晶欠陥をバッファ層2内部に示す細線でもって模式的に示している。この図に示すように、バッファ層2にはほぼ均一に無数の結晶欠陥が発生するので、この層を本発明の素子のGaN下地層とすることは不可能である。 Next, as shown in FIG. 1, a first protective film 11 having a property that the nitride semiconductor does not grow directly or is difficult to grow on the buffer layer 2 is partially formed in a predetermined shape. The shape of the protective film may be any shape such as stripes, dots, and grids, but the area of the protective film is larger than the exposed portion of the buffer layer, that is, the portion where the protective film is not formed (window portion). Increasing the size makes it easier for the first underlayer 3 with fewer crystal defects to grow. Examples of the material of the first protective film 11 and the second protective film 12 include silicon oxide (SiO X ), silicon nitride (Si X N Y ), titanium oxide (TiO X ), and zirconium oxide (ZrO X ). In addition to oxides, nitrides, and multilayer films thereof, metals having a melting point of 1200 ° C. or higher can be used. These protective film materials withstand the nitride semiconductor growth temperature of 600 ° C. to 1100 ° C., and have a property that the nitride semiconductor does not grow or hardly grow on the surface thereof. In order to form the protective film material on the surface of the nitride semiconductor, for example, a vapor deposition technique such as vapor deposition, sputtering, or CVD can be used. In order to form partially (selectively), a photomask having a predetermined shape is produced by using a photolithography technique, and the material is vapor-phase-deposited through the photomask. The first protective film 11 and the second protective film 12 having the shape can be formed. FIG. 1 shows a partial cross-sectional view when, for example, a stripe-shaped protective film is formed on the buffer layer 2 and the wafer is cut in a direction perpendicular to the stripe. It is schematically shown by the thin line shown inside. As shown in this figure, innumerable crystal defects are generated almost uniformly in the buffer layer 2, so that this layer cannot be used as the GaN underlayer of the element of the present invention.

次に第1の保護膜11を形成したウェーハの上に第1の下地層3を成長させる。図2に示すように、第1の保護膜11を形成したバッファ層2の上に、第1の下地層3を成長させると、最初は第1の保護膜11の上にはGaN層が成長せず、窓部のバッファ層2の上に第1の下地層3が選択成長される。図2は、窓部に多くGaNが成長して、第1の保護膜11の上にほとんど成長されないことを示している。   Next, the first underlayer 3 is grown on the wafer on which the first protective film 11 is formed. As shown in FIG. 2, when the first underlayer 3 is grown on the buffer layer 2 on which the first protective film 11 is formed, a GaN layer grows on the first protective film 11 first. Instead, the first underlayer 3 is selectively grown on the buffer layer 2 in the window portion. FIG. 2 shows that a large amount of GaN grows on the window and hardly grows on the first protective film 11.

さらに第1の下地層3の成長を続けると、第1の下地層3が第1の保護膜11の上に覆いかぶさって行き、隣接した第1の下地層3同士でつながって、図3に示すように、あたかも第1の保護膜11の上に第1の下地層3が成長したかのような状態となる。つまり、第1の下地層3を保護膜を介して横方向に成長させる。ここで重要なことは、基板の上に成長されているバッファ層2の結晶欠陥と、第1の保護膜11の上に成長されている第1の下地層3との結晶欠陥の数である。図3において、基板から第1の窒化物半導体層の表面に渡って示している複数の細線は図1、2と同じく結晶欠陥を模式的に示している。つまり、異種基板と窒化物半導体との格子定数のミスマッチにより、異種基板の上に成長される窒化物半導体には非常に多くの結晶欠陥が発生し、この結晶欠陥は窒化物半導体成長中、表面まで伝わる。一方、第1の保護膜11上に形成された第1の下地層3は基板から成長したものではなく、隣接する第1の下地層3が成長中に横方向につながったものであるため、結晶欠陥の数は基板から成長したものに比べて非常に少なくなる。従って、この第1の下地層3をAlを含む第1の窒化物半導体成長時の下地層に用いることにより、結晶欠陥、クラック等が発生しないため、Alを含む窒化物半導体が厚膜で成長できる。下地層の格子欠陥の数は保護膜11の面積を調整することによって調整可能である。   If the growth of the first underlayer 3 is further continued, the first underlayer 3 covers the first protective film 11 and is connected with the adjacent first underlayers 3 in FIG. As shown, the state is as if the first underlayer 3 has grown on the first protective film 11. That is, the first underlayer 3 is grown in the lateral direction through the protective film. What is important here is the number of crystal defects of the buffer layer 2 grown on the substrate and the first underlayer 3 grown on the first protective film 11. . In FIG. 3, a plurality of thin lines shown from the substrate to the surface of the first nitride semiconductor layer schematically show crystal defects as in FIGS. In other words, due to the mismatch of the lattice constant between the heterogeneous substrate and the nitride semiconductor, a large number of crystal defects are generated in the nitride semiconductor grown on the heterogeneous substrate. It is transmitted to. On the other hand, the first underlayer 3 formed on the first protective film 11 is not grown from the substrate, but the adjacent first underlayer 3 is connected in the lateral direction during growth. The number of crystal defects is very small compared to those grown from the substrate. Accordingly, since the first underlayer 3 is used for the underlayer during the growth of the first nitride semiconductor containing Al, no crystal defects, cracks, etc. occur, so that the nitride semiconductor containing Al grows in a thick film. it can. The number of lattice defects in the underlayer can be adjusted by adjusting the area of the protective film 11.

図4はさらに好ましいGaN下地層の製法を示したものであり、第1の下地層3成長後、第1の保護膜11の窓部に対応する第1の下地層3の表面近傍に第2の保護膜12を形成することにより、基板と窒化物半導体層との界面から発生した格子欠陥が表面に現れている第1の下地層3の結晶欠陥を、更には、第1の下地層3の成長初期に窓部から転位し成長の途中で転位を中断した結晶欠陥の再転位を第2の保護膜12で止めることができる。第1の下地層3の成長初期に窓部から転位する結晶欠陥は、第1の下地層3の成長の途中で激減する傾向があり、この転位を中断した結晶欠陥が、素子を動作中に再転位する恐れが考えられるので、第2の保護膜を窓部上部に形成することが好ましい。なお、図4では図3で成長させた第1の下地層3表面の凹凸を少なくするため、研磨してフラットな面としているが、特に研磨せず、そのまま第1の下地層3の表面に第2の保護膜12を形成しても良い。好ましくは第2の保護膜12の面積を第1の保護膜11の窓の面積よりも大きくする。具体的には、保護膜の形状をドット、ストライプ等で形成した場合には、単位ドットの表面積、単位ストライプ幅を窓よりも大きくする。なぜなら、結晶欠陥は必ずしも基板から垂直に転移するのではなく、斜めに入ったり、途中で折れ曲がって転移する場合が多い。そのため第1の保護膜11の直上部にある第1の下地層3に結晶欠陥が侵入してくる可能性があるため、図4に示すように、第2の保護膜12の表面積を窓部よりも大きくすることが望ましい。以上のようにして第1の下地層3の上に形成された第2の保護膜12を介して第2の下地層を成長させると、第1の下地層3よりもさらに結晶欠陥の少ないGaN結晶が得られ、GaN下地層として十分に使用できる。このように結晶欠陥の数は、保護膜の面積、保護膜の形成回数によって制御可能である。但し、以上述べたGaN下地層の製法は単なる一例を示すものであって、本発明の素子のGaN下地層が以上の製法により拘束されるものではない。   FIG. 4 shows a more preferable manufacturing method of the GaN underlayer. After the growth of the first underlayer 3, the second underlayer is formed near the surface of the first underlayer 3 corresponding to the window portion of the first protective film 11. By forming the protective film 12, the crystal defects of the first underlayer 3 in which lattice defects generated from the interface between the substrate and the nitride semiconductor layer appear on the surface, and further, the first underlayer 3 The second protective film 12 can stop the re-dislocation of the crystal defect that has been dislocated from the window portion in the early stage of growth and interrupted during the growth. Crystal defects that dislocation from the window portion in the early stage of the growth of the first underlayer 3 tend to drastically decrease during the growth of the first underlayer 3. Since there is a possibility of rearrangement, it is preferable to form the second protective film on the upper portion of the window. In FIG. 4, in order to reduce unevenness on the surface of the first underlayer 3 grown in FIG. 3, the surface is polished to be a flat surface. However, the surface is not polished and is directly applied to the surface of the first underlayer 3. The second protective film 12 may be formed. Preferably, the area of the second protective film 12 is made larger than the area of the window of the first protective film 11. Specifically, when the protective film is formed of dots, stripes, etc., the surface area and unit stripe width of the unit dots are made larger than the window. This is because crystal defects do not always move perpendicularly from the substrate, but often move obliquely or bend in the middle. For this reason, there is a possibility that crystal defects may enter the first underlayer 3 immediately above the first protective film 11, so that the surface area of the second protective film 12 is set to the window portion as shown in FIG. It is desirable to make it larger. When the second underlayer is grown through the second protective film 12 formed on the first underlayer 3 as described above, GaN having fewer crystal defects than the first underlayer 3. A crystal is obtained and can be sufficiently used as a GaN underlayer. Thus, the number of crystal defects can be controlled by the area of the protective film and the number of times the protective film is formed. However, the manufacturing method of the GaN underlayer described above is merely an example, and the GaN underlayer of the element of the present invention is not restricted by the above manufacturing method.

更に、下地層のその他の作成方法として以下の方法が挙げられる。
窒化物半導体と異なる材料よりなる異種基板の上に、窒化物半導体を成長させた後、該窒化物半導体の縦方向の成長を抑え、窒化物半導体を横方向のみに成長させ、続いて、縦と横方向に成長させる窒化物半導体の成長方法である。
上記成長方法は、異種基板の表面で発生する結晶欠陥が窒化物半導体を厚く成長させても窒化物半導体の表面まで連続して転位することを防止するために、窒化物半導体を成長させた後、窒化物半導体の縦方向の成長を抑え、横方向にのみ成長させ、続いて縦と横方向に成長させることで、結晶欠陥が非常に少ない結晶性の良好な窒化物半導体を得ることができる。
本発明において、窒化物半導体の縦方向の成長を抑えるとは、少なくとも窒化物半導体の成長が縦に進行しないようにすればよく、また横方向に成長させるとは、少なくとも成長させた窒化物半導体の端面を露出させて、この端面のみから成長させるようにすればよい。このように成長方向をコントロールされた窒化物半導体は、縦方向から横方向に成長を始め、成長を続けていくと横の成長に加えて再び縦方向にも成長をはじめる。
Furthermore, the following method is mentioned as another preparation method of a base layer.
After growing a nitride semiconductor on a heterogeneous substrate made of a material different from that of the nitride semiconductor, the nitride semiconductor is restrained from growing in the vertical direction, and the nitride semiconductor is grown only in the lateral direction. And a method of growing a nitride semiconductor that is grown laterally.
In the above growth method, after the nitride semiconductor is grown, the crystal defects generated on the surface of the different substrate are prevented from being continuously transferred to the surface of the nitride semiconductor even if the nitride semiconductor is grown thick. By suppressing growth in the vertical direction of nitride semiconductor, growing only in the horizontal direction, and subsequently growing in the vertical and horizontal directions, a nitride semiconductor having excellent crystallinity with very few crystal defects can be obtained. .
In the present invention, to suppress the growth of the nitride semiconductor in the vertical direction, at least the growth of the nitride semiconductor should be prevented from proceeding vertically, and to grow in the horizontal direction means to at least grow the nitride semiconductor. It is only necessary to expose the end face of the substrate and grow only from this end face. The nitride semiconductor whose growth direction is controlled in this way starts to grow in the horizontal direction from the vertical direction, and continues to grow in the vertical direction in addition to the horizontal growth as the growth continues.

このように窒化物半導体の成長方向をコントロールして行う窒化物半導体の成長方法の具体的な方法の一実施の形態としては、図8及び図9に示すように、窒化物半導体と異なる材料よりなる異種基板の上に第11の窒化物半導体を成長させ、その後、前記第11の窒化物半導体に部分的に段差を形成して第11の窒化物半導体の端面を露出させ、段差上面にある第11の窒化物半導体の平面及び段差の異種基板に対して水平な面に保護膜を形成し、更にその後、前記第11の窒化物半導体の端面から第12の窒化物半導体を成長させる窒化物半導体の成長方法である。   As a specific embodiment of the nitride semiconductor growth method performed by controlling the growth direction of the nitride semiconductor as described above, as shown in FIGS. 8 and 9, a material different from the nitride semiconductor is used. An eleventh nitride semiconductor is grown on the dissimilar substrate, and then a step is partially formed in the eleventh nitride semiconductor to expose an end face of the eleventh nitride semiconductor, and is on the upper surface of the step. A nitride for forming a twelfth nitride semiconductor from an end face of the eleventh nitride semiconductor, after forming a protective film on the plane of the eleventh nitride semiconductor and a horizontal surface with respect to the stepped heterogeneous substrate This is a semiconductor growth method.

つまり、成長させた第11の窒化物半導体の縦方向の成長を抑制するために、第11の窒化物半導体が縦の方向に成長可能な平面(例えば窒化物半導体の平面や異種基板面)に保護膜を形成し、また、第11の窒化物半導体に段差を形成して横方向への成長を可能とする第11の窒化物半導体の端面を形成し、このように窒化物半導体の成長方向を制御した後、第11の窒化物半導体の端面に第12の窒化物半導体を成長させる。このように窒化物半導体を成長させると、異種基板の表面に発生する結晶欠陥が窒化物半導体に転位するのを防止でき、結晶欠陥の非常に少ない結晶性の良好な窒化物半導体を得ることができる。   In other words, in order to suppress the growth of the grown eleventh nitride semiconductor in the vertical direction, the eleventh nitride semiconductor is grown on a plane in which the eleventh nitride semiconductor can grow in the vertical direction (for example, a plane of a nitride semiconductor or a different substrate surface). A protective film is formed, and a step is formed in the eleventh nitride semiconductor to form an end face of the eleventh nitride semiconductor that allows lateral growth, and thus the growth direction of the nitride semiconductor. Then, a twelfth nitride semiconductor is grown on the end face of the eleventh nitride semiconductor. When a nitride semiconductor is grown in this way, it is possible to prevent crystal defects generated on the surface of a heterogeneous substrate from being dislocated to the nitride semiconductor, and to obtain a nitride semiconductor having excellent crystallinity with very few crystal defects. it can.

上記の成長方向をコントロールして窒化物半導体を成長させる方法は、第11の窒化物半導体に部分的に設けた段差の上面にある第11の窒化物半導体の平面及び段差の底面(異種基板に水平な面)に保護膜を設けることで、異種基板の表面に発生する結晶欠陥が連続的に転位するのを防止する。更に、このように保護膜を形成すると、窒化物半導体が保護膜上に成長しにくいことから、第12の窒化物半導体の成長が選択的に第11の窒化物半導体の端面から横方向に成長をはじめる。ここで、異種基板の表面に発生する結晶欠陥は、窒化物半導体が横方向に成長する過程では、縦方向に成長する場合に比べて、転位が極めて少なくなる。更に横方向に転位した結晶欠陥は、窒化物半導体が横から縦方向へも成長し始める際にほとんど転位が起こらないと推定される。その結果、結晶欠陥のほとんどない、結晶性の非常に良好な第2の窒化物半導体を厚膜で得ることができる。ここで、窒化物半導体は保護膜上に成長しにくいが、第12の窒化物半導体が横方向と縦方向の成長を続けることで、あたかも保護膜の上に成長しているかのように保護膜を覆って成長する。   The above-described method for growing a nitride semiconductor by controlling the growth direction includes a plane of an eleventh nitride semiconductor on a top surface of a step partially provided on the eleventh nitride semiconductor and a bottom surface of the step (on a different substrate). By providing a protective film on the horizontal surface), it is possible to prevent the crystal defects generated on the surface of the different substrate from being dislocations continuously. Further, when the protective film is formed in this way, the nitride semiconductor is difficult to grow on the protective film, and therefore the growth of the twelfth nitride semiconductor is selectively grown laterally from the end face of the eleventh nitride semiconductor. Begin. Here, the crystal defects generated on the surface of the heterogeneous substrate have extremely fewer dislocations in the process of growing the nitride semiconductor in the lateral direction than in the case of growing in the vertical direction. Further, it is presumed that the crystal defects dislocations in the lateral direction hardly cause dislocations when the nitride semiconductor starts to grow from the lateral direction to the vertical direction. As a result, the second nitride semiconductor having very good crystallinity with almost no crystal defects can be obtained as a thick film. Here, although the nitride semiconductor is difficult to grow on the protective film, the twelfth nitride semiconductor continues to grow in the horizontal direction and the vertical direction, so that the protective film is as if grown on the protective film. Growing over.

更に窒化物半導体の成長方向をコントロールして窒化物半導体を成長させる方法について、図8及び図9を用いて更に詳細に説明する。
図8及び図9は、成長方向をコントロールして窒化物半導体を成長させる方法の一実施の形態の概略を示した模式的断面図である。
Further, a method for growing a nitride semiconductor by controlling the growth direction of the nitride semiconductor will be described in more detail with reference to FIGS.
8 and 9 are schematic cross-sectional views showing an outline of an embodiment of a method for growing a nitride semiconductor by controlling the growth direction.

まず、図8のように、異種基板81上に第11の窒化物半導体82を成長させ、第11の窒化物半導体82の端面を露出させるために第11の窒化物半導体82に部分的に段差を形成し、第11の窒化物半導体82の成長の方向をコントロールするために段差の上面にある第11の窒化物半導体82の平面及び段差の異種基板81に水平な面に保護膜83及び保護膜84を形成し、続いて、成長の方向が制御された第11の窒化物半導体82、つまり第11の窒化物半導体82の端面から第12の窒化物半導体85を成長させ、図9のように厚膜の第12の窒化物半導体85を得ることができる。
異種基板81上に第11の窒化物半導体82を成長させる前に、異種基板81上にバッファ層(図示されていない)を形成してもよい。
First, as shown in FIG. 8, an eleventh nitride semiconductor 82 is grown on a heterogeneous substrate 81, and a step is partially formed on the eleventh nitride semiconductor 82 to expose the end face of the eleventh nitride semiconductor 82. In order to control the growth direction of the eleventh nitride semiconductor 82, a protective film 83 and a protective film 83 are formed on the plane of the eleventh nitride semiconductor 82 on the upper surface of the step and on a plane parallel to the different substrate 81 of the step. A film 84 is formed, and then an eleventh nitride semiconductor 82 whose growth direction is controlled, that is, a twelfth nitride semiconductor 85 is grown from the end face of the eleventh nitride semiconductor 82, as shown in FIG. In addition, a twelfth nitride semiconductor 85 having a thick film can be obtained.
A buffer layer (not shown) may be formed on the heterogeneous substrate 81 before the eleventh nitride semiconductor 82 is grown on the heterogeneous substrate 81.

上記成長方法において、部分的に段差を形成するとは、少なくとも第11の窒化物半導体82の端面が露出されるように、第11の窒化物半導体82の表面から異種基板81方向に窪みを形成してあればよく、第11の窒化物半導体82にいずれの形状で段差を設けてもよく、例えば、ランダムな窪み、ストライプ状、碁盤面状、ドット状に形成できる。
第11の窒化物半導体82に部分的に設けられた段差は、第11の窒化物半導体82の途中まで、又は異種基板81に達する深さで形成され、この段差の深さは、第11の窒化物半導体82の膜厚や、保護膜84の膜厚等にも左右される値であり、第11の窒化物半導体82の端面から横方向に成長する第12の窒化物半導体85が成長し易いように端面が形成されるように段差が形成されることが好ましい。段差の深さは、第11の窒化物半導体82が残る程度の深さが好ましい。仮に、段差を形成する際に異種基板81が露出されていると、保護膜84の形成時に第11の窒化物半導体82の端面付近に保護膜84が形成しにくいと考えられることから、保護膜84が十分に異種基板81の表面を覆ってない場合には、異種基板81の表面に第12の窒化物半導体85が成長し、そこから結晶欠陥が発生する可能性があるからである。
段差の具体的な深さは、特に限定せず通常500オングストローム〜5μm程度であれば十分である。
In the above growth method, partially forming a step means forming a recess from the surface of the eleventh nitride semiconductor 82 toward the heterogeneous substrate 81 so that at least the end face of the eleventh nitride semiconductor 82 is exposed. The step may be provided in any shape in the eleventh nitride semiconductor 82, and for example, it can be formed in a random depression, stripe shape, grid surface shape, or dot shape.
A step provided partially in the eleventh nitride semiconductor 82 is formed halfway through the eleventh nitride semiconductor 82 or at a depth reaching the dissimilar substrate 81. The value depends on the film thickness of the nitride semiconductor 82, the film thickness of the protective film 84, etc., and the twelfth nitride semiconductor 85 that grows laterally from the end face of the eleventh nitride semiconductor 82 grows. It is preferable that the step is formed so that the end face is formed so as to be easy. The depth of the step is preferably such a depth that the eleventh nitride semiconductor 82 remains. If the heterogeneous substrate 81 is exposed when the step is formed, it is considered that the protective film 84 is difficult to form near the end face of the eleventh nitride semiconductor 82 when the protective film 84 is formed. If 84 does not sufficiently cover the surface of the heterogeneous substrate 81, the twelfth nitride semiconductor 85 may grow on the surface of the heterogeneous substrate 81 and crystal defects may be generated therefrom.
The specific depth of the step is not particularly limited, and is usually about 500 angstroms to 5 μm.

段差を形成する方法としては、第11の窒化物半導体82を一部分取り除くことができる方法であればいずれの方法でもよく、例えばエッチング、ダイシング等が挙げられる。また、エッチングによって段差を形成する場合、エッチング面が、図8に示すように異種基板に対して端面がほぼ垂直となる形状、又は順メサ形状や逆メサ形状でもよく、あるいは第11の窒化物半導体82の端面が階段状になるように形成された形状等がある。   As a method for forming the step, any method may be used as long as the eleventh nitride semiconductor 82 can be partially removed. Examples thereof include etching and dicing. When the step is formed by etching, the etching surface may have a shape in which the end surface is substantially perpendicular to the heterogeneous substrate as shown in FIG. 8, or a forward mesa shape or a reverse mesa shape, or the eleventh nitride. There is a shape formed so that the end face of the semiconductor 82 is stepped.

第11の窒化物半導体82が縦方向に成長するのを制御するために、例えば段差の上面にある第11の窒化物半導体82の平面に保護膜83を、段差の下面の異種基板81に対してほぼ水平な面に保護膜84を、保護膜としてそれぞれ形成する。段差の形状が階段状である場合は、階段の各段の異種基板にほぼ水平な面に保護膜84をそれぞれ形成する。   In order to control the growth of the eleventh nitride semiconductor 82 in the vertical direction, for example, a protective film 83 is provided on the plane of the eleventh nitride semiconductor 82 on the upper surface of the step, and the heterogeneous substrate 81 on the lower surface of the step. A protective film 84 is formed as a protective film on a substantially horizontal surface. When the shape of the step is a staircase, the protective film 84 is formed on a substantially horizontal surface on the heterogeneous substrate at each step of the staircase.

保護膜83及び保護膜84の膜厚は、特に限定せず、ドライエッチングにより端面を露出させられる膜厚であり、且つ底面を被覆できる膜厚にする必要がある。また、保護膜83と保護膜84の膜厚は、第12の窒化物半導体85が横方向に成長し易いように調整されていることが好ましく、場合によってはそれぞれの膜厚が異なってもよい。
例えば、保護膜83は、薄く形成された方が、第11の窒化物半導体の端面から横方向に成長させる第12の窒化物半導体85が保護膜83と同程度の膜厚となった時、隣接している第12の窒化物半導体85同士が接合し易くなると考えられる。また保護膜84は、比較的厚く(但し、第11の窒化物半導体82の端面が第12の窒化物半導体85が成長される程度に十分露出されている範囲)形成された方が、第12の窒化物半導体85の成長初期において、段差の下面(第11の窒化物半導体82の平面又は異種基板81面)を十分に覆うことができると共に熱による保護膜84へのピンホールの発生を防止できると考えられる。ピンホールが保護膜に発生すると、ピンホールから第12の窒化物半導体85が縦方向に成長する恐れがあり、結晶欠陥の発生の原因となると考えられる。
また、第11の窒化物半導体82の縦方向の成長を防止する一実施の形態として、保護膜を形成して行うことを挙げたが、これに限定されない。また、横方向から第12の窒化物半導体85を成長させる一実施の形態として第11の窒化物半導体82に窪みを形成して端面を設けることを挙げたが、これに限定されない。
The film thicknesses of the protective film 83 and the protective film 84 are not particularly limited, and the film thickness is such that the end face can be exposed by dry etching and can cover the bottom face. In addition, the film thicknesses of the protective film 83 and the protective film 84 are preferably adjusted so that the twelfth nitride semiconductor 85 is easily grown in the lateral direction. .
For example, when the protective film 83 is formed thinner, the twelfth nitride semiconductor 85 grown laterally from the end face of the eleventh nitride semiconductor has a film thickness comparable to that of the protective film 83. It is considered that the adjacent twelfth nitride semiconductors 85 can be easily joined. The protective film 84 is formed to be relatively thick (however, the end surface of the eleventh nitride semiconductor 82 is sufficiently exposed to the extent that the twelfth nitride semiconductor 85 is grown). In the initial growth stage of the nitride semiconductor 85, the lower surface of the step (the plane of the eleventh nitride semiconductor 82 or the surface of the different substrate 81) can be sufficiently covered and the generation of pinholes in the protective film 84 due to heat can be prevented. It is considered possible. If pinholes occur in the protective film, the twelfth nitride semiconductor 85 may grow in the vertical direction from the pinholes, which may cause crystal defects.
In addition, as an embodiment for preventing the growth of the eleventh nitride semiconductor 82 in the vertical direction, the protective film is formed. However, the present invention is not limited to this. In addition, as an embodiment for growing the twelfth nitride semiconductor 85 from the lateral direction, a recess is formed in the eleventh nitride semiconductor 82 to provide an end face, but the present invention is not limited to this.

上記のように保護膜83及び保護膜84を形成したことにより、第12の窒化物半導体85が成長可能な部分を、第11の窒化物半導体82の端面のみとし、第11の窒化物半導体82の端面から第12の窒化物半導体85が選択的に横方向に成長し始める。そして、成長を続けるうちに、第12の窒化物半導体85が横方向に加え縦方向にも成長をはじめ、窒化物半導体が成長しにくい保護膜上にあたかも成長したかのように、第12の窒化物半導体85は保護膜83及び保護膜84を覆い成長を続ける。このように成長初期に成長方向を特定された第12の窒化物半導体85は、厚膜に成長させても、結晶欠陥のない非常に良好な結晶性を有する。   By forming the protective film 83 and the protective film 84 as described above, the portion where the twelfth nitride semiconductor 85 can be grown is only the end face of the eleventh nitride semiconductor 82, and the eleventh nitride semiconductor 82. The twelfth nitride semiconductor 85 starts to grow selectively in the lateral direction from the end face of the first. As the growth continues, the twelfth nitride semiconductor 85 begins to grow in the vertical direction as well as in the horizontal direction, and the twelfth nitride semiconductor 85 grows on the protective film that is difficult to grow. The nitride semiconductor 85 covers the protective film 83 and the protective film 84 and continues to grow. As described above, the twelfth nitride semiconductor 85 whose growth direction is specified at the early stage of growth has very good crystallinity without crystal defects even when grown in a thick film.

第12の窒化物半導体85は、成長の初期においては、保護膜の形成されていない第11の窒化物半導体82の端面に選択的に成長し、向き合っている第11の窒化物半導体82の端面から横方向に成長した第12の窒化物半導体85が保護膜84の上面を覆い、次第に横方向から縦方向に成長し始め保護膜83と同程度の膜厚に成長すると、第12の窒化物半導体85が保護膜83の上部に向かって横方向に成長し、そして隣接している第12の窒化物半導体85同士でつながる。その結果、図9に示すように、第12の窒化物半導体85があたかも保護膜83、84上に成長したかのような状態となる。   In the initial stage of growth, the twelfth nitride semiconductor 85 is selectively grown on the end face of the eleventh nitride semiconductor 82 on which no protective film is formed, and the end faces of the eleventh nitride semiconductor 82 facing each other. When the twelfth nitride semiconductor 85 grown laterally from the top covers the upper surface of the protective film 84 and gradually grows from the lateral direction to the vertical direction and grows to the same thickness as the protective film 83, the twelfth nitride semiconductor 85 The semiconductor 85 grows laterally toward the top of the protective film 83 and is connected by the adjacent twelfth nitride semiconductors 85. As a result, as shown in FIG. 9, the twelfth nitride semiconductor 85 is in a state as if it has grown on the protective films 83 and 84.

本発明の窒化物半導体素子では、格子欠陥が1×10個/cm以下の下地層の上にAlを含む第1の窒化物半導体層が成長される。第1の窒化物半導体層は下地層に接して成長されていても良いし、また下地層と第1の窒化物半導体層との間に他の窒化物半導体層が成長されていても良い。第1の窒化物半導体層の膜厚は0.3μm以上、さらに好ましくは0.5μm以上、最も好ましくは1μm以上とする。0.3μmよりも薄いとレーザ素子の場合光閉じ込めが不十分となる傾向にある。また第1の窒化物半導体層はAlGa1−XN(0<X≦1)を成長させることが望ましく、さらに好ましくはX値が0.1以上、さらに好ましくは0.2以上、最も好ましくは0.3以上のAlGa1−XNを成長させる。 In the nitride semiconductor device of the present invention, the first nitride semiconductor layer containing Al is grown on the base layer having lattice defects of 1 × 10 7 pieces / cm 2 or less. The first nitride semiconductor layer may be grown in contact with the base layer, or another nitride semiconductor layer may be grown between the base layer and the first nitride semiconductor layer. The film thickness of the first nitride semiconductor layer is 0.3 μm or more, more preferably 0.5 μm or more, and most preferably 1 μm or more. If the thickness is less than 0.3 μm, light confinement tends to be insufficient in the case of a laser element. The first nitride semiconductor layer desirably grows Al X Ga 1-X N (0 <X ≦ 1), more preferably the X value is 0.1 or more, more preferably 0.2 or more, most preferably Preferably, Al X Ga 1-X N of 0.3 or more is grown.

さらに本発明の素子の場合、このAlを含む第1の窒化物半導体層の上にInを含む窒化物半導体よりなる井戸層を含む量子構造の活性層を有している。Inを含む井戸層を有する活性層が存在することにより、この層が第2のバッファ層のような作用を奏する。つまりレーザ素子の場合、連続発振中に第1の窒化物半導体層中に存在する結晶欠陥が素子全体、特に活性層に広がって素子の寿命を短くするのを防止する作用がある。井戸層の膜厚は70オングストローム以下、さらに好ましくは50オングストローム以下に調整する。多重量子井戸構造の場合、障壁層は井戸層よりもバンドギャップエネルギーが大きい窒化物半導体で形成し、特にInを含んでいなくても良く、膜厚は200オングストローム以下、さらに好ましくは150オングストローム以下、最も好ましくは100オングストローム以下に調整する。   Furthermore, the element of the present invention has an active layer having a quantum structure including a well layer made of a nitride semiconductor containing In on the first nitride semiconductor layer containing Al. Since there is an active layer having a well layer containing In, this layer acts as a second buffer layer. That is, in the case of a laser element, there is an effect that crystal defects existing in the first nitride semiconductor layer during continuous oscillation are prevented from spreading to the entire element, particularly the active layer, and shortening the lifetime of the element. The film thickness of the well layer is adjusted to 70 angstroms or less, more preferably 50 angstroms or less. In the case of a multi-quantum well structure, the barrier layer is formed of a nitride semiconductor having a band gap energy larger than that of the well layer, and does not need to contain In, and the film thickness is 200 angstroms or less, more preferably 150 angstroms or less. Most preferably, it is adjusted to 100 angstroms or less.

さらに好ましい態様として、本発明の素子では第1の窒化物半導体層がAlを含む第2の窒化物半導体と、その第2の窒化物半導体と異なる組成を有する第3の窒化物半導体とが積層されてなる超格子構造よりなる。なお第3の窒化物半導体はAlを含んでいなくても良い。超格子層の第2の窒化物半導体層、及び第3の窒化物半導体層の膜厚は100オングストローム以下、さらに好ましくは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の膜厚に調整する。多重量子井戸構造の活性層の場合、井戸層と障壁層のバンドギャップエネルギーは必ず障壁層を大きくする必要があるが、第1の窒化物半導体層が超格子構造である場合、第2の窒化物半導体と第3の窒化物半導体層とのバンドギャップエネルギーは同じでも良い。   As a more preferable aspect, in the device of the present invention, the first nitride semiconductor layer includes a second nitride semiconductor containing Al and a third nitride semiconductor having a composition different from that of the second nitride semiconductor. It consists of a superlattice structure. Note that the third nitride semiconductor may not contain Al. The thicknesses of the second nitride semiconductor layer and the third nitride semiconductor layer of the superlattice layer are adjusted to 100 angstroms or less, more preferably 70 angstroms or less, and most preferably 50 angstroms or less. In the case of an active layer having a multiple quantum well structure, the band gap energy between the well layer and the barrier layer must be increased. However, when the first nitride semiconductor layer has a superlattice structure, The band gap energy of the physical semiconductor and the third nitride semiconductor layer may be the same.

さらに、超格子を構成する第2の窒化物半導体と第3の窒化物半導体層とにn型不純物を変調ドープする方が、レーザ素子のVf、及び閾値が低下しやすい傾向にある。変調ドープとは第2の窒化物半導体層と第3の窒化物半導体層とのn型不純物濃度を異ならせることである。変調ドープの場合、一方の層はアンドープ(undope)でも良い。
n型不純物濃度は5×1016/cm〜1×1021/cmの範囲、さらに好ましくは、1×1017/cm〜1×1019/cmに調整することが望ましい。n側クラッド層5全体の膜厚は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。
Furthermore, the modulation doping of the n-type impurity into the second nitride semiconductor and the third nitride semiconductor layer constituting the superlattice tends to lower the Vf and the threshold value of the laser element. Modulation doping is to make the n-type impurity concentrations of the second nitride semiconductor layer and the third nitride semiconductor layer different. In the case of modulation doping, one layer may be undoped.
The n-type impurity concentration is desirably adjusted to a range of 5 × 10 16 / cm 3 to 1 × 10 21 / cm 3 , more preferably 1 × 10 17 / cm 3 to 1 × 10 19 / cm 3 . The total thickness of the n-side cladding layer 5 is desirably 100 angstroms or more and 2 μm or less, more preferably 500 angstroms or more and 1 μm or less.

第1の窒化物半導体を超格子構造とする場合、超格子層を構成する窒化物半導体層は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く、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。例えば超格子層を構成する最初の層(第2の窒化物半導体層)をInGa1−XN(0≦X≦1)で構成し、次の層(第3の窒化物半導体層)をAlGa1−YN(0<Y≦1)で構成すると、第3の窒化物半導体層のバンドギャップエネルギーが必ず第2の窒化物半導体層よりも大きくなるが、第2の窒化物半導体層をInGa1−XN(0≦X≦1)で構成し、第3の窒化物半導体層をInAl1−ZN(0<Z≦1)で構成すれば、第2の窒化物半導体層と第3の窒化物半導体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2の窒化物半導体層をAlGa1−YN(0<Y≦1)で構成し、第3の窒化物半導体層をInAl1−ZN(0<Z≦1)で構成すれば、同様に第2の窒化物半導体層と第3の窒化物半導体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。超格子層はAlを含む窒化物半導体層を有していれば良く、組成が異なってバンドギャップエネルギーが同じ構成でも良い。超格子層を構成する各窒化物半導体層の膜厚は100オングストローム以下、さらに好ましくは70オングストローム以下、最も好ましくは10オングストローム以上、40オングストローム以下の範囲に調整する。100オングストロームよりも厚いと弾性歪み限界以上の膜厚となり、膜中に微少なクラック、あるいは結晶欠陥が入りやすい傾向にある。井戸層、障壁層の膜厚の下限は特に限定せず1原子層以上であればよいが10オングストローム以上に調整することが望ましい。このように、単一膜厚が100オングストローム以下、さらに好ましくは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の互いに組成の異なる窒化物半導体層を積層成長させた超格子構造とすると、単一の窒化物半導体層の膜厚が弾性臨界膜厚以下となって、結晶性が非常に良くなり、容易に室温で連続発振する。 When the first nitride semiconductor has a superlattice structure, the nitride semiconductor layers constituting the superlattice layer need only be composed of nitride semiconductors having different compositions, and the same even if the band gap energy is different. But it doesn't matter. For example, the first layer (second nitride semiconductor layer) constituting the superlattice layer is composed of In X Ga 1-X N (0 ≦ X ≦ 1), and the next layer (third nitride semiconductor layer) Is made of Al Y Ga 1-Y N (0 <Y ≦ 1), the band gap energy of the third nitride semiconductor layer is necessarily larger than that of the second nitride semiconductor layer, but the second nitride If the semiconductor layer is composed of In X Ga 1-X N (0 ≦ X ≦ 1) and the third nitride semiconductor layer is composed of In Z Al 1-Z N (0 <Z ≦ 1), the second Although the nitride semiconductor layer and the third nitride semiconductor layer have different compositions, the band gap energy may be the same. The second nitride semiconductor layer is made of Al Y Ga 1-Y N (0 <Y ≦ 1), and the third nitride semiconductor layer is made of In Z Al 1-Z N (0 <Z ≦ 1). If configured, the second nitride semiconductor layer and the third nitride semiconductor layer may have the same composition but different band gap energies. The superlattice layer only needs to have a nitride semiconductor layer containing Al, and may have a different composition and the same band gap energy. The thickness of each nitride semiconductor layer constituting the superlattice layer is adjusted to a range of 100 angstroms or less, more preferably 70 angstroms or less, most preferably 10 angstroms or more and 40 angstroms or less. If it is thicker than 100 angstroms, the film thickness exceeds the elastic strain limit, and fine cracks or crystal defects tend to enter the film. The lower limit of the thickness of the well layer and the barrier layer is not particularly limited as long as it is one atomic layer or more, but is preferably adjusted to 10 angstroms or more. As described above, when a superlattice structure in which nitride semiconductor layers having different compositions with a single film thickness of 100 angstroms or less, more preferably 70 angstroms or less, and most preferably 50 angstroms or less are laminated and grown, When the film thickness of the physical semiconductor layer becomes equal to or less than the critical elastic film thickness, the crystallinity becomes very good, and continuous oscillation easily occurs at room temperature.

さらに、超格子層を構成する第2の窒化物半導体層、第3の窒化物半導体層の窒化物半導体はバンドギャップエネルギーが異なるものを積層することが望ましく、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を活性層よりも大きくするように調整することが望ましい。好ましくは一方の層をInGa1−XN(0≦X≦1)とし、もう一方の層をAlGa1−YN(0<Y≦1)で構成することにより、結晶性のよい超格子層を形成することができる。また、AlGaNは結晶成長中にクラックが入りやすい性質を有している。そこで、超格子層を構成する第2の窒化物半導体層を膜厚100オングストローム以下のAlを含まない窒化物半導体層とすると、Alを含む窒化物半導体よりなるもう一方の第3の窒化物半導体層を成長させる際のバッファ層として作用し、第3の窒化物半導体層にクラックが入りにくくなる。そのため超格子層を積層してもクラックのない超格子を形成できるので、結晶性が良くなり、素子の寿命が向上する。これもまた一方の層をInGa1−XN(0≦X≦1)とし、もう一方の層をAlGa1−YN(0<Y≦1)、とした場合の利点である。 Further, the second nitride semiconductor layer constituting the superlattice layer and the nitride semiconductor of the third nitride semiconductor layer are preferably laminated with different band gap energies, and the nitride semiconductor constituting the superlattice layer It is desirable to adjust so that the average band gap energy is larger than that of the active layer. Preferably, one of the layers is made of In X Ga 1-X N (0 ≦ X ≦ 1) and the other layer is made of Al Y Ga 1-Y N (0 <Y ≦ 1). A good superlattice layer can be formed. In addition, AlGaN has a property that cracks are easily generated during crystal growth. Therefore, if the second nitride semiconductor layer constituting the superlattice layer is a nitride semiconductor layer not containing Al having a thickness of 100 angstroms or less, the other third nitride semiconductor made of a nitride semiconductor containing Al is used. It acts as a buffer layer when the layer is grown, and the third nitride semiconductor layer is hardly cracked. Therefore, even if a superlattice layer is stacked, a superlattice without cracks can be formed, so that the crystallinity is improved and the lifetime of the element is improved. This was also the one of the layers In X Ga 1-X N ( 0 ≦ X ≦ 1), it is at an advantage in the case where the other layer Al Y Ga 1-Y N ( 0 <Y ≦ 1), and .

さらに超格子を構成する窒化物半導体に不純物をドープする場合、n型不純物は第2の窒化物半導体層、第3の窒化物半導体層両方の層にドープすることは言うまでもないが、好ましくバンドギャップエネルギーの大きな方の層に多くドープするか、またはバンドギャップエネルギーの小さな方をアンドープとして、バンドギャップエネルギーの大きな方にn型不純物をドープする方が、閾値電圧、閾値電流が低下しやすい傾向にある。   Further, when doping impurities into the nitride semiconductor constituting the superlattice, it goes without saying that the n-type impurity is doped in both the second nitride semiconductor layer and the third nitride semiconductor layer, but preferably the band gap The threshold voltage and threshold current tend to decrease more when the higher energy layer is doped, or when the smaller band gap energy is undoped and the n band impurity is doped with n type impurities. is there.

さらに、この第2の窒化物半導体層と第3の窒化物半導体層とのn型不純物濃度が異なる。これはいわゆる変調ドープと呼ばれるもので、一方の層のn型不純物濃度を小さく、好ましくは不純物をドープしない状態(アンドープ)として、もう一方を高濃度にドープすると、閾値電圧、Vf等を低下させることができる。これは不純物濃度の低い層を超格子層中に存在させることにより、その層の移動度が大きくなり、また不純物濃度が高濃度の層も同時に存在することにより、キャリア濃度が高いままで超格子層が形成できることによる。つまり、不純物濃度が低い移動度の高い層と、不純物濃度が高いキャリア濃度が大きい層とが同時に存在することにより、キャリア濃度が大きく、移動度も大きい層となるために、閾値電圧、Vfが低下すると推察される。   Further, the n-type impurity concentrations of the second nitride semiconductor layer and the third nitride semiconductor layer are different. This is called so-called modulation doping. When the n-type impurity concentration of one layer is small, preferably when the other is heavily doped with no impurity doped (undoped), the threshold voltage, Vf, etc. are lowered. be able to. This is because when a layer with a low impurity concentration is present in the superlattice layer, the mobility of the layer increases, and a layer with a high impurity concentration also exists at the same time, so that the carrier concentration remains high and the superlattice layer remains By being able to form a layer. That is, since a layer having a high mobility with a low impurity concentration and a layer having a high impurity concentration and a high carrier concentration exist at the same time, the layer has a high carrier concentration and a high mobility. Presumed to decline.

バンドギャップエネルギーの大きな窒化物半導体層に高濃度に不純物をドープした場合、この変調ドープにより高不純物濃度層と、低不純物濃度層との間に二次元電子ガスができ、この二次元電子ガスの影響により抵抗率が低下すると推察される。例えば、n型不純物がドープされたバンドギャップの大きい窒化物半導体層と、バンドギャップが小さいアンドープの窒化物半導体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、障壁層側が空乏化し、バンドギャップの小さい層側の厚さ前後の界面に電子(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の小さい側にできるので、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、超格子の電子の移動度が高くなり、抵抗率が低下する。なおp側の変調ドープも同様に二次元正孔ガスの影響によると推察される。またp層の場合、AlGaNはGaNに比較して抵抗率が高い。そこでAlGaNの方にp型不純物を多くドープすることにより抵抗率が低下するために、超格子層の実質的な抵抗率が低下するので素子を作製した場合に、閾値が低下する傾向にあると推察される。   When a nitride semiconductor layer having a large band gap energy is doped with a high concentration of impurities, this modulation doping generates a two-dimensional electron gas between the high impurity concentration layer and the low impurity concentration layer. It is presumed that the resistivity decreases due to the influence. For example, in a superlattice layer in which a nitride semiconductor layer having a large band gap doped with an n-type impurity and an undoped nitride semiconductor layer having a small band gap are stacked, a layer doped with an n-type impurity and an undoped layer The barrier layer side is depleted at the heterojunction interface, and electrons (two-dimensional electron gas) accumulate at the interface around the thickness of the layer side having a small band gap. Since the two-dimensional electron gas can be generated on the side having a small band gap, the electrons are not scattered by impurities when they travel, so that the mobility of electrons in the superlattice increases and the resistivity decreases. It is presumed that the modulation doping on the p side is also influenced by the two-dimensional hole gas. In the case of the p layer, AlGaN has a higher resistivity than GaN. Therefore, since the resistivity is lowered by doping a large amount of p-type impurities into AlGaN, the substantial resistivity of the superlattice layer is lowered. Therefore, when an element is manufactured, the threshold tends to be lowered. Inferred.

一方、バンドギャップエネルギーの小さな窒化物半導体層に高濃度に不純物をドープした場合、以下のような作用があると推察される。例えばAlGaN層とGaN層にMgを同量でドープした場合、AlGaN層ではMgのアクセプター準位の深さが大きく、活性化率が小さい。一方、GaN層のアクセプター準位の深さはAlGaN層に比べて浅く、Mgの活性化率は高い。例えばMgを1×1020/cmドープしてもGaNでは1×1018/cm程度のキャリア濃度であるのに対し、AlGaNでは1×1017/cm程度のキャリア濃度しか得られない。そこで、本発明ではAlGaN/GaNとで超格子とし、高キャリア濃度が得られるGaN層の方に多く不純物をドープすることにより、高キャリア濃度の超格子が得られるものである。しかも超格子としているため、トンネル効果でキャリアは不純物濃度の少ないAlGaN層を移動するため、実質的にキャリアはAlGaN層の作用は受けず、AlGaN層はバンドギャップエネルギーの高いクラッド層として作用する。従って、バンドギャップエネルギーの小さな方の窒化物半導体層に不純物を多くドープしても、レーザ素子、LED素子の閾値を低下させる上で非常に効果的である。なおこの説明はp型層側に超格子を形成する例について説明したが、n層側に超格子を形成する場合においても、同様の効果がある。 On the other hand, it is presumed that when the nitride semiconductor layer having a small band gap energy is doped with an impurity at a high concentration, the following effects are obtained. For example, when the AlGaN layer and the GaN layer are doped with the same amount of Mg, the AlGaN layer has a large Mg acceptor level depth and a low activation rate. On the other hand, the acceptor level of the GaN layer is shallower than the AlGaN layer, and the activation rate of Mg is high. For example, even if Mg is doped with 1 × 10 20 / cm 3, GaN has a carrier concentration of about 1 × 10 18 / cm 3 , whereas AlGaN can obtain only a carrier concentration of about 1 × 10 17 / cm 3. . Therefore, in the present invention, a superlattice with a high carrier concentration can be obtained by forming a superlattice with AlGaN / GaN and doping more impurities into the GaN layer that can obtain a high carrier concentration. In addition, since the superlattice is used, carriers move through the AlGaN layer having a low impurity concentration due to the tunnel effect, so that the carriers are not substantially affected by the AlGaN layer, and the AlGaN layer functions as a cladding layer having a high band gap energy. Therefore, even if the nitride semiconductor layer having the smaller band gap energy is doped with a large amount of impurities, it is very effective in reducing the threshold values of the laser element and the LED element. Although this description has been given of an example in which a superlattice is formed on the p-type layer side, the same effect can be obtained when a superlattice is formed on the n-layer side.

バンドギャップエネルギーが大きい窒化物半導体層にn型不純物を多くドープする場合、バンドギャップエネルギーが大きい窒化物半導体層への好ましいドープ量としては、1×1017/cm〜1×1021/cm、さらに好ましくは1×1018/cm〜5×1019/cmの範囲に調整する。1×1017/cmよりも少ないと、バンドギャップエネルギーの小さい窒化物半導体層との差が少なくなって、キャリア濃度の大きい層が得られにくい傾向にあり、また1×1021/cmよりも多いと、素子自体のリーク電流が多くなりやすい傾向にある。一方、バンドギャップエネルギーの小さい窒化物半導体層のn型不純物濃度はバンドギャップエネルギーの大きい窒化物半導体層よりも少なければ良く、好ましくは1/10以上少ない方が望ましい。最も好ましくはアンドープとすると最も移動度の高い層が得られるが、膜厚が薄いため、バンドギャップエネルギーの大きい窒化物半導体側から拡散してくるn型不純物があり、その量は1×1019/cm以下が望ましい。n型不純物としてはSi、Ge、Se、S、O等の周期律表第IVB族、VIB族元素を選択し、好ましくはSi、Ge、Sをn型不純物とする。この作用は、バンドギャップエネルギーが大きい窒化物半導体層にn型不純物を少なくドープして、バンドギャップエネルギーが小さい窒化物半導体層にn型不純物を多くドープする場合も同様である。
以上、超格子層に不純物を好ましく変調ドープする場合について述べたが、バンドギャップエネルギーが大きい窒化物半導体層とバンドギャップエネルギーが小さい窒化物半導体層との不純物濃度を等しくすることもできる。
When doping a nitride semiconductor layer having a large band gap energy with a large amount of n-type impurities, a preferable doping amount to the nitride semiconductor layer having a large band gap energy is 1 × 10 17 / cm 3 to 1 × 10 21 / cm. 3, more preferably adjusted to the range of 1 × 10 18 / cm 3 ~5 × 10 19 / cm 3. If it is less than 1 × 10 17 / cm 3 , the difference from the nitride semiconductor layer having a small band gap energy tends to be small, and a layer having a high carrier concentration tends to be difficult to obtain, and 1 × 10 21 / cm 3. If it is more, the leakage current of the element itself tends to increase. On the other hand, the n-type impurity concentration of the nitride semiconductor layer having a small band gap energy should be less than that of the nitride semiconductor layer having a large band gap energy, and preferably 1/10 or less. Most preferably, when undoped, a layer having the highest mobility can be obtained, but since the film thickness is small, there is an n-type impurity diffused from the side of the nitride semiconductor having a large band gap energy, and the amount thereof is 1 × 10 19. / Cm 3 or less is desirable. As the n-type impurity, elements of Group IVB and VIB of the periodic table such as Si, Ge, Se, S, and O are selected. Preferably, Si, Ge, and S are n-type impurities. This effect is the same when the nitride semiconductor layer having a large band gap energy is doped with a small amount of n-type impurities and the nitride semiconductor layer having a small band gap energy is doped with a large amount of n-type impurities.
Although the case where the impurity is preferably modulation-doped in the superlattice layer has been described above, the impurity concentration of the nitride semiconductor layer having a large band gap energy and that of the nitride semiconductor layer having a small band gap energy can be made equal.

具体的な素子構造として、本発明の素子では、前記井戸層を有する活性層の上に、Alを含む第4の窒化物半導体層と、第4の窒化物半導体層と異なる組成を有する第5の窒化物半導体層とが積層された超格子層の窒化物半導体層をp側クラッド層として有している。このp側クラッド層も第1の窒化物半導体層と同じく、GaN下地層をベース層として形成しているために、Alを含む第4の窒化物半導体層のAl混晶比を高くすることが可能である。特にp側クラッド層を超格子構造とすると、超格子構造でないものよりも抵抗率の低いp側クラッド層が得られ易くレーザ素子の閾値電圧、LED素子のVfも低下する傾向にある。第4の窒化物半導体層は少なくともAlを含む窒化物半導体、好ましくはAlGa1−XN(0<X≦1)を成長させることが望ましく、第5の窒化物半導体は好ましくはAlGa1−YN(0≦Y<1、X>Y)、InGa1−ZN(0≦Z≦1)のような2元混晶、3元混晶の窒化物半導体を成長させることが望ましい。第4の窒化物半導体層、及び第5の窒化物半導体層の膜厚は100オングストローム以下、さらに好ましくは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調整する。 As a specific element structure, in the element of the present invention, the fourth nitride semiconductor layer containing Al is formed on the active layer having the well layer, and the fifth nitride semiconductor layer has a composition different from that of the fourth nitride semiconductor layer. The nitride semiconductor layer of the superlattice layer in which the nitride semiconductor layers are stacked is used as the p-side cladding layer. Since this p-side cladding layer is also formed using the GaN foundation layer as a base layer, like the first nitride semiconductor layer, the Al mixed crystal ratio of the fourth nitride semiconductor layer containing Al can be increased. Is possible. In particular, when the p-side cladding layer has a superlattice structure, a p-side cladding layer having a lower resistivity than that having no superlattice structure is easily obtained, and the threshold voltage of the laser element and the Vf of the LED element tend to decrease. The fourth nitride semiconductor layer preferably grows a nitride semiconductor containing at least Al, preferably Al X Ga 1-X N (0 <X ≦ 1), and the fifth nitride semiconductor is preferably Al Y Ga 1-Y N (0 ≦ Y <1, X> Y), 2 -way mixed crystal such as in Z Ga 1-Z N ( 0 ≦ Z ≦ 1), growing a nitride semiconductor of ternary mixed crystal It is desirable. The film thicknesses of the fourth nitride semiconductor layer and the fifth nitride semiconductor layer are adjusted to 100 angstroms or less, more preferably 70 angstroms or less, and most preferably 50 angstroms or less.

p側クラッド層を超格子構造とすると、超格子構造が発光素子に与える作用は、n側層の超格子層の作用と同じであるが、さらにn層側に形成した場合に加えて次のような作用がある。即ち、p型窒化物半導体はn型窒化物半導体に比べて、通常抵抗率が2桁以上高い。そのため超格子層をp層側に形成することにより、Vfの低下が顕著に現れる。詳しく説明すると窒化物半導体はp型結晶が非常に得られにくい半導体であることが知られている。p型結晶を得るため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、水素を除去する技術が知られている(特許第2540791号)。しかしp型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型層を超格子層とすることにより結晶性が良くなり、抵抗率が1桁以上低下するためVfの低下が現れやすい。   When the p-side cladding layer has a superlattice structure, the action of the superlattice structure on the light-emitting element is the same as that of the n-side superlattice layer. There is an effect. That is, the resistivity of the p-type nitride semiconductor is usually two orders of magnitude higher than that of the n-type nitride semiconductor. Therefore, when the superlattice layer is formed on the p layer side, the decrease in Vf appears remarkably. More specifically, it is known that a nitride semiconductor is a semiconductor in which p-type crystals are very difficult to obtain. A technique for removing hydrogen by annealing a nitride semiconductor layer doped with a p-type impurity to obtain a p-type crystal is known (Japanese Patent No. 2540791). However, even if p-type is obtained, the resistivity is several Ω · cm or more. Therefore, by using this p-type layer as a superlattice layer, the crystallinity is improved and the resistivity is lowered by one digit or more, so that a decrease in Vf tends to appear.

p側クラッド層の第4の窒化物半導体層と第5の窒化物半導体層とのp型不純物濃度が異なり、一方の層の不純物濃度を大きく、もう一方の層の不純物濃度を小さくする。n側層の超格子層と同様に、バンドギャップエネルギーの大きな第4の窒化物半導体層の方のp型不純物濃度を大きくして、バンドギャップエネルギーの小さな第5の窒化物半導体層の方のp型不純物濃度を小さく、好ましくはアンドープとすると、閾値電圧、Vf等を低下させることができる。またその逆でも良い。つまりバンドギャップエネルギーの大きな第4の窒化物半導体層のp型不純物濃度を小さくして、バンドギャップエネルギーの小さな第5の窒化物半導体層のp型不純物濃度を大きくしても良い。理由は先に述べたとおりである。   The p-type impurity concentration of the fourth nitride semiconductor layer and the fifth nitride semiconductor layer of the p-side cladding layer are different, the impurity concentration of one layer is increased, and the impurity concentration of the other layer is decreased. Similar to the superlattice layer of the n-side layer, the p-type impurity concentration of the fourth nitride semiconductor layer having the larger band gap energy is increased, and the fifth nitride semiconductor layer having the smaller band gap energy is increased. If the p-type impurity concentration is low, preferably undoped, the threshold voltage, Vf, etc. can be lowered. The reverse is also possible. That is, the p-type impurity concentration of the fourth nitride semiconductor layer having a large band gap energy may be decreased, and the p-type impurity concentration of the fifth nitride semiconductor layer having a small band gap energy may be increased. The reason is as described above.

第4の窒化物半導体層への好ましいドープ量としては1×1018/cm〜1×1021/cm、さらに好ましくは1×1019/cm〜5×1020/cmの範囲に調整する。1×1018/cmよりも少ないと、同様に第5の窒化物半導体層との差が少なくなって、同様にキャリア濃度の大きい層が得られにくい傾向にあり、また1×1021/cmよりも多いと、結晶性が悪くなる傾向にある。一方、第5の窒化物半導体層のp型不純物濃度は第4の窒化物半導体層よりも少なければ良く、好ましくは1/10以上少ない方が望ましい。最も好ましくはアンドープとすると最も移動度の高い層が得られるが、膜厚が薄いため、第4の窒化物半導体側から拡散してくるp型不純物があり、その量は1×1020/cm以下が望ましい。p型不純物としてはMg、Zn、Ca、Be等の周期律表第IIA族、IIB族元素を選択し、好ましくはMg、Ca等をp型不純物とする。この作用は、バンドギャップエネルギーが大きい第4の窒化物半導体層にp型不純物を少なくドープして、バンドギャップエネルギーが小さい第5の窒化物半導体層にp型不純物を多くドープする場合も同様である。 The preferred doping amount to the fourth nitride semiconductor layer is in the range of 1 × 10 18 / cm 3 to 1 × 10 21 / cm 3 , more preferably 1 × 10 19 / cm 3 to 5 × 10 20 / cm 3 . Adjust to. If it is less than 1 × 10 18 / cm 3 , the difference from the fifth nitride semiconductor layer is similarly reduced, and a layer having a high carrier concentration tends to be difficult to obtain, and 1 × 10 21 / When it is more than cm 3 , the crystallinity tends to deteriorate. On the other hand, the p-type impurity concentration of the fifth nitride semiconductor layer should be less than that of the fourth nitride semiconductor layer, and preferably 1/10 or less. Most preferably, when undoped, a layer having the highest mobility is obtained, but since the film thickness is thin, there is a p-type impurity diffused from the fourth nitride semiconductor side, and the amount is 1 × 10 20 / cm. 3 or less is desirable. As the p-type impurity, elements of Group IIA and IIB of the periodic table such as Mg, Zn, Ca, and Be are selected, and Mg, Ca, and the like are preferably used as the p-type impurity. This effect is the same in the case where the fourth nitride semiconductor layer having a large band gap energy is doped with a small amount of p-type impurities and the fifth nitride semiconductor layer having a small band gap energy is doped with a large amount of p-type impurities. is there.

さらにまた超格子を構成する窒化物半導体層において、不純物が高濃度にドープされる層は、厚さ方向に対し、半導体層中心部近傍の不純物濃度が大きく、両端部近傍の不純物濃度が小さい(好ましくはアンドープ)とすることが望ましい。具体的に説明すると、例えばn型不純物としてSiをドープしたAlGaNと、アンドープのGaN層とで超格子層を形成した場合、AlGaNはSiをドープしているのでドナーとして電子を伝導帯に出すが、電子はポテンシャルの低いGaNの伝導帯に落ちる。GaN結晶中にはドナー不純物をドープしていないので、不純物によるキャリアの散乱を受けない。そのため電子は容易にGaN結晶中を動くことができ、実質的な電子の移動度が高くなる。これは前述した二次元電子ガスの効果と類似しており、電子横方向の実質的な移動度が高くなり、抵抗率が小さくなる。さらに、バンドギャップエネルギーの大きいAlGaNの中心領域にn型不純物を高濃度にドープすると効果はさらに大きくなる。即ちGaN中を移動する電子によっては、AlGaN中に含まれるn型不純物イオン(この場合Si)の散乱を多少とも受ける。しかしAlGaN層の厚さ方向に対して両端部をアンドープとするとSiの散乱を受けにくくなるので、さらにアンドープGaN層の移動度が向上するのである。作用は若干異なるが、p層側の第4の窒化物半導体層と第5の窒化物半導体層とで超格子を構成した場合も類似した効果があり、バンドギャップエネルギーの大きい第4の窒化物半導体層の中心領域に、p型不純物を多くドープし、両端部を少なくするか、あるいはアンドープとすることが望ましい。一方、バンドギャップエネルギーの小さな窒化物半導体層にn型不純物を多くドープした層を、前記不純物濃度の構成とすることもできる。 超格子層は、少なくともp側層にあることが好ましく、p側層に超格子層があるとより閾値が低下し好ましい。   Furthermore, in the nitride semiconductor layer constituting the superlattice, the layer doped with impurities at a high concentration has a large impurity concentration near the center of the semiconductor layer and a small impurity concentration near both ends in the thickness direction ( Preferably, it is undoped. More specifically, for example, when a superlattice layer is formed of AlGaN doped with Si as an n-type impurity and an undoped GaN layer, since AlGaN is doped with Si, electrons are emitted to the conduction band as donors. Electrons fall into the low-potential GaN conduction band. Since the GaN crystal is not doped with a donor impurity, it is not subject to carrier scattering by the impurity. Therefore, the electrons can easily move in the GaN crystal, and the substantial mobility of electrons increases. This is similar to the effect of the two-dimensional electron gas described above, and the substantial mobility in the lateral direction of the electron increases and the resistivity decreases. Further, the effect is further enhanced when the n-type impurity is doped at a high concentration in the central region of AlGaN having a large band gap energy. That is, depending on the electrons moving in GaN, the n-type impurity ions (Si in this case) contained in AlGaN are somewhat scattered. However, if both ends are undoped with respect to the thickness direction of the AlGaN layer, it is difficult to receive Si scattering, and the mobility of the undoped GaN layer is further improved. Although the operation is slightly different, there is a similar effect when the superlattice is constituted by the fourth nitride semiconductor layer and the fifth nitride semiconductor layer on the p-layer side, and the fourth nitride having a large band gap energy is obtained. It is desirable that the central region of the semiconductor layer is doped with a large amount of p-type impurities and both end portions are decreased or undoped. On the other hand, a layer in which a large amount of n-type impurities are doped in a nitride semiconductor layer having a small band gap energy may be configured to have the impurity concentration. The superlattice layer is preferably at least in the p-side layer, and a superlattice layer in the p-side layer is preferable because the threshold value is further lowered.

従来の窒化物半導体レーザ素子では結晶欠陥が多く、Al混晶比の高いクラッド層を厚膜で成長させることが難しい傾向にあった。従ってクラッド層による光閉じ込めが不十分となって、基板とGaNコンタクト層との界面で反射されて、再度GaNコンタクト層で光が導波される。GaNコンタクト層で活性層の光が導波されると、観測されるレーザ光のファーフィールドパターンには、活性層導波路による分と、コンタクト層導波路による分、その他基板界面での乱反射分等というように、複数のビームができる。しかしながら本発明によると、Alクラッド層が厚膜で成長できるため、活性層の光閉じ込めが向上し、ファーフィールドパターンの形状を従来より向上させることができる。   Conventional nitride semiconductor laser elements have many crystal defects, and it has been difficult to grow a clad layer having a high Al mixed crystal ratio as a thick film. Therefore, light confinement by the clad layer becomes insufficient, the light is reflected at the interface between the substrate and the GaN contact layer, and light is guided again through the GaN contact layer. When the light of the active layer is guided by the GaN contact layer, the observed far-field pattern of the laser light includes the part due to the active layer waveguide, the part due to the contact layer waveguide, and other irregular reflections at the substrate interface, etc. As a result, a plurality of beams are formed. However, according to the present invention, since the Al cladding layer can be grown as a thick film, the optical confinement of the active layer is improved, and the shape of the far field pattern can be improved as compared with the conventional case.

図5は本発明の一実施例に係るレーザ素子の構造を示す模式的な斜視図、図6は本発明の他の実施例に係るレーザ素子の構造を示す断面図、図7は本発明の他の実施例に係るレーザ素子の構造を示す断面図である。図5、図6に示すように異種基板1を素子構造として残す場合には、前にも述べたようにウェーハの反りの関係から、下地層3の膜厚は1μm以上、50μm以下に調整することが望ましい。p電極、n電極とは同一面側から取り出す構造とする場合、本発明の素子では、n電極は図5に示すように第1の窒化物半導体層5の表面に形成する場合と、図6に示すように下地層3の表面に形成する場合とがある。図5のように第1の窒化物半導体層の表面に形成する場合には、第1の窒化物半導体はキャリアを閉じ込めるクラッド層及び電流を注入するためのコンタクト層として作用するので、下地層3の窒化物半導体はアンドープでも良い。一方、図6に示すように下地層3の表面にn電極を形成する場合には、下地層の窒化物半導体がコンタクト層として作用するため、下地層にはn型不純物をドープする方が好ましい。この場合、第1の窒化物半導体層はクラッド層としてのみ作用する。このように異種基板を素子自体に残す場合は、活性層の発光は下地層3中で多少導波されるが、クラッド層の光閉じ込め率が向上しているため、閾値が低下する。   FIG. 5 is a schematic perspective view showing the structure of a laser device according to one embodiment of the present invention, FIG. 6 is a cross-sectional view showing the structure of a laser device according to another embodiment of the present invention, and FIG. It is sectional drawing which shows the structure of the laser element which concerns on another Example. As shown in FIGS. 5 and 6, when the heterogeneous substrate 1 is left as an element structure, the film thickness of the underlayer 3 is adjusted to 1 μm or more and 50 μm or less because of the warpage of the wafer as described above. It is desirable. In the case of a structure in which the p electrode and the n electrode are taken out from the same surface side, in the element of the present invention, the n electrode is formed on the surface of the first nitride semiconductor layer 5 as shown in FIG. In some cases, it is formed on the surface of the underlayer 3 as shown in FIG. When the first nitride semiconductor layer is formed on the surface of the first nitride semiconductor layer as shown in FIG. 5, the first nitride semiconductor functions as a clad layer for confining carriers and a contact layer for injecting current. This nitride semiconductor may be undoped. On the other hand, when the n-electrode is formed on the surface of the underlayer 3 as shown in FIG. 6, it is preferable that the underlayer is doped with an n-type impurity because the nitride semiconductor of the underlayer functions as a contact layer. . In this case, the first nitride semiconductor layer functions only as a cladding layer. When the heterogeneous substrate is left in the element itself as described above, the light emission of the active layer is guided to some extent in the underlayer 3, but the threshold is lowered because the light confinement rate of the cladding layer is improved.

一方、図7のように異種基板を除去した構造の場合、異種基板を除去するために下地層3の膜厚は80μm以上あることが望ましい。この場合n電極は第1の窒化物半導体層が形成されてない側の下地層面、つまり下地層の裏面側に形成することができ、下地層にはn型不純物がドープされていることが望ましい。下地層のキャリア濃度、あるいは不純物濃度としては5×1016/cm〜1×1019/cmに調整する方が、シリーズ抵抗を下げる上で非常に好ましい。このように下地層を直接基板とする場合には、活性層から出るレーザ光のファーフィールドパターンのビームは1つになる。 On the other hand, in the case of the structure in which the foreign substrate is removed as shown in FIG. 7, it is desirable that the film thickness of the base layer 3 is 80 μm or more in order to remove the foreign substrate. In this case, the n-electrode can be formed on the base layer surface on which the first nitride semiconductor layer is not formed, that is, the back side of the base layer, and the base layer is preferably doped with n-type impurities. . Adjusting the carrier concentration or impurity concentration of the underlayer to 5 × 10 16 / cm 3 to 1 × 10 19 / cm 3 is very preferable in terms of reducing the series resistance. In this way, when the base layer is directly used as a substrate, the far-field pattern beam of laser light emitted from the active layer becomes one.

図5は本発明の一実施例に係るレーザ素子の形状及び構造を示す模式的な斜視図であり、以下、図1〜図3及び図5を元に本発明の実施例1について説明する。   FIG. 5 is a schematic perspective view showing the shape and structure of a laser device according to an embodiment of the present invention. Hereinafter, Embodiment 1 of the present invention will be described based on FIGS. 1 to 3 and FIG.

2インチφ、C面を主面とするサファイアよりなる異種基板1を反応容器内にセットし、500℃にて異種基板1の上にGaNよりなる低温成長バッファ層(図示せず。)を200オングストロームの膜厚で成長させた後、温度を1050℃にしてGaNよりなるバッファ層2を5μmの膜厚で成長させる。低温成長バッファ層は900℃以下の低温で成長させ、GaN、AlN等を成長させる。一方、低温成長バッファ層の上に成長させるバッファ層2はAl混晶比X値が0.5以下のAlGa1−XN(0≦X≦0.5)を成長させることが望ましい。0.5を超えると、結晶欠陥というよりも結晶自体にクラックが入りやすくなってしまうため、結晶成長自体が困難になる傾向にある。なおこのバッファ層2は通常10μm以下の膜厚で成長させるが、前にも述べたように本発明の素子の下地層とはなり得ない。 A heterogeneous substrate 1 made of sapphire having a 2-inch φ and C-plane as a main surface is set in a reaction vessel, and a low temperature growth buffer layer (not shown) made of GaN is formed on the heterogeneous substrate 1 at 200 ° C. After growing to a thickness of angstrom, the temperature is set to 1050 ° C., and the buffer layer 2 made of GaN is grown to a thickness of 5 μm. The low temperature growth buffer layer is grown at a low temperature of 900 ° C. or lower to grow GaN, AlN, or the like. On the other hand, it is desirable that the buffer layer 2 grown on the low temperature growth buffer layer grows Al X Ga 1-X N (0 ≦ X ≦ 0.5) having an Al mixed crystal ratio X value of 0.5 or less. If it exceeds 0.5, the crystal itself tends to crack rather than a crystal defect, so that the crystal growth itself tends to be difficult. Although the buffer layer 2 is usually grown with a thickness of 10 μm or less, it cannot be a base layer of the element of the present invention as described above.

バッファ層2成長後、ウェーハを反応容器から取り出し、バッファ層2の表面に、ストライプ状のフォトマスクを形成し、CVD装置によりストライプ幅20μm、ストライプ間隔(窓部)5μmのSiOよりなる第1の保護膜11を0.1μmの膜厚で形成する。図1はストライプの長辺方向に垂直な方向で切断した際の部分的なウェーハの構造を示す模式断面図である。 After the growth of the buffer layer 2, the wafer is taken out from the reaction vessel, a stripe-shaped photomask is formed on the surface of the buffer layer 2, and a first SiO 2 having a stripe width of 20 μm and a stripe interval (window portion) of 5 μm is formed by a CVD apparatus. The protective film 11 is formed to a thickness of 0.1 μm. FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing a partial wafer structure when cut in a direction perpendicular to the long side direction of the stripe.

第1の保護膜11形成後、ウェーハを再度反応容器内にセットし、500℃にて、AlNよりなる第2の低温成長バッファ層(図示せず。)を200オングストロームの膜厚で成長させる。下地層を成長させる前に、保護膜上に第2の低温成長バッファ層を形成すると、下地層の横方向の成長が促進されて下地層の結晶性が良くなり、薄膜で保護膜上に下地層が成長しやすい傾向にある。なおこの低温成長バッファ層はAlN、若しくはAlを含む窒化物半導体を900℃以下の低温で成長させることが望ましい。次に、1050℃で、アンドープGaNよりなる第1の下地層3を10μmの膜厚で成長させる(図2、図3)。第1の下地層3の好ましい成長膜厚は、先に形成した第1の保護膜11の膜厚、大きさによっても異なるが、第1の保護膜11の表面を覆うように成長させる。第1の保護膜11の大きさは特に限定しないが、第1の保護膜11の面積を窓部の面積よりも大きくする方が結晶欠陥の少ないGaN基板を得る上で非常に好ましい。   After forming the first protective film 11, the wafer is set in the reaction vessel again, and a second low-temperature growth buffer layer (not shown) made of AlN is grown at a thickness of 200 Å at 500 ° C. If the second low-temperature growth buffer layer is formed on the protective film before growing the base layer, lateral growth of the base layer is promoted to improve the crystallinity of the base layer, and a thin film is formed on the protective film. The strata tend to grow easily. The low-temperature growth buffer layer is preferably formed by growing AlN or a nitride semiconductor containing Al at a low temperature of 900 ° C. or lower. Next, the first underlayer 3 made of undoped GaN is grown to a thickness of 10 μm at 1050 ° C. (FIGS. 2 and 3). The preferred growth film thickness of the first underlayer 3 varies depending on the film thickness and size of the first protective film 11 formed earlier, but is grown so as to cover the surface of the first protective film 11. The size of the first protective film 11 is not particularly limited, but it is very preferable to make the area of the first protective film 11 larger than the area of the window portion in order to obtain a GaN substrate with few crystal defects.

素子構造となる窒化物半導体を成長させる場合、結晶欠陥の少ない下地層の好ましい膜厚は、素子においてその異種基板を残すか否かによって異なる。即ち図5及び図6のように異種基板を残す素子構造の場合、下地層の総膜厚は1μm以上、50μm以下に調整することが望ましい。異種基板上に窒化物半導体を成長させると、異種基板の種類によっても異なるが、異種基板との熱膨張係数差により、成長後にウェーハ全体が反る傾向にある。その反りは窒化物半導体を厚膜で成長させるほど大きくなる傾向にある。従ってウェーハが反り返っても、異種基板をつけたままで加工できる限界、即ち50μm以下の膜厚が上限値として好ましく、また1μm以上でなければ保護膜の上に窒化物半導体を成長させることが難しい。一方、図7のように異種基板を除去する場合、下地層が基板となるため、下地層全体の膜厚は80μm以上にすることが望ましい。   When growing a nitride semiconductor having an element structure, the preferred film thickness of the underlayer with few crystal defects depends on whether or not the heterogeneous substrate is left in the element. That is, in the case of an element structure in which a different kind of substrate is left as shown in FIGS. 5 and 6, the total thickness of the underlayer is preferably adjusted to 1 μm or more and 50 μm or less. When a nitride semiconductor is grown on a heterogeneous substrate, the entire wafer tends to warp after growth due to a difference in thermal expansion coefficient with the heterogeneous substrate, although it varies depending on the type of heterogeneous substrate. The warp tends to increase as the nitride semiconductor grows thicker. Therefore, even if the wafer is warped, the upper limit is preferably the limit at which processing can be performed with a dissimilar substrate attached, that is, a film thickness of 50 μm or less, and it is difficult to grow a nitride semiconductor on the protective film unless it is 1 μm or more. On the other hand, when removing a different type of substrate as shown in FIG. 7, since the underlayer becomes the substrate, the thickness of the entire underlayer is preferably 80 μm or more.

続いて、温度を1050℃に保持したままSiを1×1019/cmドープしたAl0.4Ga0.6N層(第2の窒化物半導体層)を40オングストローム成長させ、次にSiを1×1018/cmドープしたGaNよりなる層(第3の窒化物半導体層)を40オングストローム成長させる。そして第2の窒化物半導体層と第3の窒化物半導体層を交互に積層して総膜厚1.6μmの超格子よりなる第1の窒化物半導体層4を成長させる。 Subsequently, while maintaining the temperature at 1050 ° C., an Al 0.4 Ga 0.6 N layer (second nitride semiconductor layer) doped with 1 × 10 19 / cm 3 of Si was grown by 40 Å, and then Si A layer made of GaN doped with 1 × 10 18 / cm 3 (third nitride semiconductor layer) is grown by 40 Å. Then, the second nitride semiconductor layer and the third nitride semiconductor layer are alternately stacked to grow the first nitride semiconductor layer 4 made of a superlattice having a total film thickness of 1.6 μm.

次に、温度を800℃にして、アンドープのIn0.2Ga0.8Nよりなる井戸層、25オングストロームと、アンドープIn0.01Ga0.99Nよりなる障壁層、50オングストロームを交互に積層してなる総膜厚175オングストロームの多重量子井戸構造(MQW)の活性層5を成長させる。 Next, at a temperature of 800 ° C., a well layer made of undoped In 0.2 Ga 0.8 N, 25 Å, a barrier layer made of undoped In 0.01 Ga 0.99 N, and 50 Å alternately The stacked active layer 5 having a total film thickness of 175 Å and having a multiple quantum well structure (MQW) is grown.

次に、温度を1050℃に上げMgを1×1020/cmドープしたp型Al0.4Ga0.6N層(第4の窒化物半導体層)を40オングストローム成長させ、次にMgを1×1018/cmドープしたp型GaNよりなる層(第5の窒化物半導体層)を40オングストローム成長させる。そして第4の窒化物半導体層と第5の窒化物半導体層を交互に積層して総膜厚1.6μmの超格子よりなるp側クラッド層6を成長させる。このp側クラッド層は、活性層の発光及びキャリアを閉じ込める層として作用する。 Next, the temperature was raised to 1050 ° C., and a p-type Al 0.4 Ga 0.6 N layer (fourth nitride semiconductor layer) doped with 1 × 10 20 / cm 3 of Mg was grown by 40 Å, and then Mg A layer (fifth nitride semiconductor layer) made of p-type GaN doped with 1 × 10 18 / cm 3 is grown by 40 Å. Then, the fourth nitride semiconductor layer and the fifth nitride semiconductor layer are alternately stacked to grow the p-side cladding layer 6 made of a superlattice having a total film thickness of 1.6 μm. This p-side cladding layer functions as a layer for confining light emission and carriers in the active layer.

続いて、1050℃にて、Mgを2×1020/cmドープしたp型GaNよりなるp側コンタクト層7を150オングストロームの膜厚で成長させる。p側コンタクト層は500オングストローム以下、さらに好ましくは400オングストローム以下、20オングストローム以上に膜厚を調整すると、p層抵抗が小さくなるため閾値における電圧を低下させる上で有利である。 Subsequently, at 1050 ° C., the p-side contact layer 7 made of p-type GaN doped with 2 × 10 20 / cm 3 of Mg is grown to a thickness of 150 Å. When the thickness of the p-side contact layer is adjusted to 500 angstroms or less, more preferably 400 angstroms or less, or 20 angstroms or more, the p-layer resistance is reduced, which is advantageous in reducing the threshold voltage.

反応終了後、反応容器内において、ウェーハを窒素雰囲気中、700℃でアニーリングを行い、p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5に示すように、RIE装置により最上層のp側コンタクト層7と、p側クラッド層6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。   After completion of the reaction, the wafer is annealed in a nitrogen atmosphere at 700 ° C. in the reaction vessel to further reduce the resistance of the p layer. After annealing, the wafer is taken out of the reaction vessel, and as shown in FIG. 5, the uppermost p-side contact layer 7 and p-side cladding layer 6 are etched by an RIE apparatus to form a ridge shape having a stripe width of 4 μm. To do.

リッジ形成後、p側クラッド層6をさらにエッチングして、n電極を形成すべき第1の窒化物半導体層4の表面を露出させ、露出した第1の窒化物半導体層4の表面にWとAlよりなるn電極22を図5に示すような形状で形成する。   After the ridge is formed, the p-side cladding layer 6 is further etched to expose the surface of the first nitride semiconductor layer 4 where the n-electrode is to be formed, and W and W are exposed on the exposed surface of the first nitride semiconductor layer 4. An n electrode 22 made of Al is formed in a shape as shown in FIG.

そして、p側コンタクト層7のストライプリッジ最表面にNi/Auよりなるp電極20を形成した後、p電極とn電極との間にSiOよりなる絶縁膜23を形成して、p電極20の上に、ボンディング用のpパッド電極21を形成する。 After forming the p electrode 20 made of Ni / Au on the stripe ridge outermost surface of the p-side contact layer 7, the insulating film 23 made of SiO 2 is formed between the p electrode and the n electrode, and the p electrode 20 A p-pad electrode 21 for bonding is formed on the substrate.

電極形成後、異種基板1の裏面を研磨して50μm厚とした後、ストライプ状のp電極20、n電極22のストライプに垂直な方向で異種基板1を劈開して、活性層の劈開面を共振面とする。劈開後のレーザ素子形状を図5に示している。劈開面を断面TEMにより観察すると、第1のGaN下地層3の結晶欠陥はおよそ1×10個/cmしかなく、またドライエッチングにより第1の下地層までエッチングしてそのエッチピットを計測してもほぼ同じ個数となり、非常に結晶性の良いGaN下地層が得られていたことが判明した。 After the electrodes are formed, the back surface of the heterogeneous substrate 1 is polished to a thickness of 50 μm, and then the heterogeneous substrate 1 is cleaved in a direction perpendicular to the stripes of the striped p-electrode 20 and the n-electrode 22 to form the active layer cleavage plane. Resonant surface. FIG. 5 shows the shape of the laser element after cleavage. When the cleaved surface is observed with a cross-sectional TEM, the first GaN foundation layer 3 has only about 1 × 10 5 crystal defects / cm 2 , and the etch pit is measured by etching to the first foundation layer by dry etching. However, it was found that the number was almost the same, and a GaN underlayer having very good crystallinity was obtained.

なおこのレーザ素子を室温でレーザ発振させたところ、閾値電流密度1.8kA/cm、閾値電圧4.1Vで、発振波長405nmの連続発振が確認され、2000時間以上の寿命を示した。 When this laser device was oscillated at room temperature, continuous oscillation at an oscillation wavelength of 405 nm was confirmed at a threshold current density of 1.8 kA / cm 2 and a threshold voltage of 4.1 V, and a lifetime of 2000 hours or more was exhibited.

図6は本発明の他の実施例に係るレーザ素子の構造を示す模式的な断面図であり、基本的な構造は図5に示すレーザ素子と同じであるが、実施例2では下地層3を成長させる工程において、Siを1×1018/cmドープしたGaNよりなる下地層3を15μmの膜厚で成長させる。その他、n電極を形成する工程において、SiドープGaNよりなる下地層3の表面が露出するまでエッチングを行い、エッチングにより露出した下地層3の表面にn電極22を形成する点で実施例1と異なる。このように下地層3の表面にn電極22を形成しても、下地層3の結晶性が優れているため、容易に下地層と好ましいオーミック接触が得られる。なお、このレーザ素子も実施例1のものとほぼ同等の特性を示し、第1の下地層3の結晶欠陥はおよそ1×10個/cm以下しかなかった。 FIG. 6 is a schematic cross-sectional view showing the structure of a laser device according to another embodiment of the present invention. The basic structure is the same as that of the laser device shown in FIG. The base layer 3 made of GaN doped with Si at 1 × 10 18 / cm 3 is grown to a thickness of 15 μm. In addition, in the step of forming the n-electrode, etching is performed until the surface of the foundation layer 3 made of Si-doped GaN is exposed, and the n-electrode 22 is formed on the surface of the foundation layer 3 exposed by the etching. Different. Thus, even if the n-electrode 22 is formed on the surface of the underlayer 3, since the crystallinity of the underlayer 3 is excellent, preferable ohmic contact with the underlayer can be easily obtained. This laser element also exhibited substantially the same characteristics as those in Example 1, and the number of crystal defects in the first underlayer 3 was approximately 1 × 10 6 pieces / cm 2 or less.

図7は本発明の他の実施例に係るレーザ素子の構造を示す模式的な断面図である。このレーザ素子は図5、6に示すレーザ素子と異なり、下地層を直接基板としている。以下この図を元に実施例3について説明する。   FIG. 7 is a schematic cross-sectional view showing the structure of a laser device according to another embodiment of the present invention. Unlike the laser elements shown in FIGS. 5 and 6, this laser element uses a base layer as a direct substrate. Embodiment 3 will be described below with reference to this figure.

実施例1と同様にして、サファイアよりなる異種基板1の上に、GaNよりなる低温成長バッファ層と、Siを1×1018/cmドープしたGaNよりなるバッファ層2を成長させた後、同様にしてそのバッファ層の表面にストライプ状の第1の保護膜を形成する。 In the same manner as in Example 1, after growing a low-temperature growth buffer layer made of GaN and a buffer layer 2 made of GaN doped with Si at 1 × 10 18 / cm 3 on a heterogeneous substrate 1 made of sapphire, Similarly, a stripe-shaped first protective film is formed on the surface of the buffer layer.

その後、Siを1×1018/cmドープしたGaNよりなる第1の下地層3を150μmの膜厚で成長させる。第1の下地層成長後、ウェーハを反応容器から取り出し、反った状態のウェーハを研磨装置に移送して、異種基板、バッファ層、第1の保護膜を研磨除去する。研磨後の第1の下地層の結晶欠陥はおよそ1×10個/cmであった。 Thereafter, a first underlayer 3 made of GaN doped with Si at 1 × 10 18 / cm 3 is grown to a thickness of 150 μm. After the growth of the first underlayer, the wafer is taken out from the reaction vessel, the warped wafer is transferred to a polishing apparatus, and the foreign substrate, the buffer layer, and the first protective film are removed by polishing. The number of crystal defects in the first underlayer after polishing was approximately 1 × 10 6 pieces / cm 2 .

研磨後、基板となった第1の下地層を再度反応容器内に移送し、実施例1と同様にして、第1の下地層3の上に、Siを変調ドープした超格子層よりなる第1の窒化物半導体層4、活性層5、Mgを変調ドープしたp側クラッド層6、及びp側コンタクト層7を成長させる。成長後、実施例1と同様にしてアニール、リッジ形成を行う。さらにp電極20と、pパッド電極21を形成した後、第1の下地層3の裏面のほぼ全面にn電極22を形成する。電極形成後、第1の下地層を劈開してその劈開面を共振面とするレーザ素子を作製したところ、実施例1とほぼ同等の特性を有するレーザ素子が得られた。   After the polishing, the first underlayer serving as the substrate is transferred again into the reaction vessel, and in the same manner as in Example 1, the first underlayer 3 made of a superlattice layer modulation-doped with Si is formed on the first underlayer 3. 1 nitride semiconductor layer 4, active layer 5, p-side cladding layer 6 modulation-doped with Mg, and p-side contact layer 7 are grown. After the growth, annealing and ridge formation are performed in the same manner as in Example 1. Further, after forming the p electrode 20 and the p pad electrode 21, the n electrode 22 is formed on almost the entire back surface of the first underlayer 3. After forming the electrode, the first underlayer was cleaved and a laser element having the cleaved surface as the resonance surface was produced. As a result, a laser element having substantially the same characteristics as in Example 1 was obtained.

実施例1において、第1の窒化物半導体層4を成長させる際、超格子構造とせずに、Siを5×1018/cmドープしたAl0.3Ga0.7Nよりなる層を0.8μmの膜厚で成長させる他は同様にしてレーザ素子を得たところ、閾値が若干上昇し、寿命は実施例1のものに比較しておよそ20%程短くなった。 In Example 1, when the first nitride semiconductor layer 4 was grown, a layer made of Al 0.3 Ga 0.7 N doped with 5 × 10 18 / cm 3 of Si was not used without forming a superlattice structure. The laser element was obtained in the same manner except that it was grown to a thickness of .8 μm. As a result, the threshold value increased slightly, and the lifetime was shortened by about 20% compared to that of Example 1.

実施例1において、バッファ層2成長後、以下のように図8及び図9のに示すようにして下地層を作製する他は同様にして行った。   In Example 1, after the growth of the buffer layer 2, the same procedure was performed except that a base layer was produced as shown in FIGS. 8 and 9 as follows.

バッファ層2を成長後、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TMG、アンモニア、シランガスを用い、Siを1×1018/cmドープしたGaNよりなる第11の窒化物半導体層82を2μmの膜厚で成長させる。 After growing the buffer layer 2, only TMG is stopped and the temperature is raised to 1050 ° C. When the temperature reaches 1050 ° C., an 11th nitride semiconductor layer 82 made of GaN doped with Si at 1 × 10 18 / cm 3 is grown to a thickness of 2 μm using TMG, ammonia, and silane gas as source gases.

第11の窒化物半導体層82を成長後、ストライプ状のフォトマスクを形成し、スパッタ装置によりストライプ幅15μm、ストライプ間隔3μmのSiOよりなる保護膜83を1μmの膜厚で形成し、続いて、RIE装置により第11の窒化物半導体層82の途中までエッチングして段差を形成することにより第11の窒化物半導体82の端面を露出させる。なお、ストライプ方向は、オリフラ面に対して垂直な方向で形成する。 After the growth of the eleventh nitride semiconductor layer 82, a striped photomask is formed, and a protective film 83 made of SiO 2 with a stripe width of 15 μm and a stripe interval of 3 μm is formed with a thickness of 1 μm by a sputtering apparatus. Then, the end face of the 11th nitride semiconductor 82 is exposed by etching to the middle of the 11th nitride semiconductor layer 82 by the RIE apparatus to form a step. The stripe direction is formed in a direction perpendicular to the orientation flat surface.

第11の窒化物半導体層82に、段差を形成した後、段差を形成した第11の窒化物半導体82の表面にスパッタ装置により保護膜を形成し、CFとOガスにより、段差を形成したことにより形成された第11の窒化物半導体82の端面部の保護膜のみをエッチングすることにより、保護膜83及び保護膜84を形成する。 After the step is formed in the eleventh nitride semiconductor layer 82, a protective film is formed on the surface of the eleventh nitride semiconductor 82 where the step is formed by a sputtering apparatus, and the step is formed by CF 4 and O 2 gas. The protective film 83 and the protective film 84 are formed by etching only the protective film on the end face portion of the eleventh nitride semiconductor 82 formed as described above.

保護膜83及び保護膜84を形成後、反応容器内にセットし、温度を1050℃で、原料ガスにTMG、アンモニア、シランガスを用い、Siを1×1018/cmドープしたGaNよりなる第12の窒化物半導体層85を30μmの膜厚で成長させる。 After the formation of the protective film 83 and the protective film 84, the film is set in a reaction vessel, the temperature is 1050 ° C., TMG, ammonia, silane gas is used as a source gas, and Si is doped with 1 × 10 18 / cm 3 doped GaN. Twelve nitride semiconductor layers 85 are grown to a thickness of 30 μm.

第12の窒化物半導体層85を成長後、ウェーハを反応容器から取り出し、SiドープGaNよりなる窒化物半導体基板を得る。   After growing the twelfth nitride semiconductor layer 85, the wafer is taken out of the reaction vessel to obtain a nitride semiconductor substrate made of Si-doped GaN.

上記のようにして得られた窒化物半導体基板(下地層)上に、実施例1と同様に素子構造となる窒化物半導体を成長させ、図5に示す形状のレーザ素子を得た。その結果、実施例1とほぼ同様に良好であった。   On the nitride semiconductor substrate (underlayer) obtained as described above, a nitride semiconductor having an element structure was grown in the same manner as in Example 1 to obtain a laser element having the shape shown in FIG. As a result, it was as good as Example 1.

実施例1において、第1の窒化物半導体成長時に、Siを1×1019/cmドープしたGaNよりなる層(第3の窒化物半導体層)を40オングストロームと、Siを1×1018/cmドープしたのAl0.40Ga0.60Nよりなる層(第2の窒化物半導体層)を40オングストローム成長させて、このペアを200回成長させ、総膜厚1.6μm(16000オングストローム)の超格子構造よりなるを成長させ、また、p側クラッド層6成長時に、Mgを1×1020/cmドープしたGaNよりなる層(第5の窒化物半導体層)を40オングストロームと、Mgを1×1018/cmドープしたAl0.40Ga0.60Nよりなる層(第4の窒化物半導体層)を40オングストローム成長させて、このペアを200回成長させ、総膜厚1.6μm(16000オングストローム)の超格子構造よりなるp側クラッド層6を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ところ、実施例1と同様に良好であった。 In Example 1, during the growth of the first nitride semiconductor, a layer made of GaN doped with Si at 1 × 10 19 / cm 3 (third nitride semiconductor layer) is 40 Å, and Si is 1 × 10 18 / cm 3 doped with the Al 0.40 Ga consisting 0.60 N layer (second nitride semiconductor layer) was 40 Å growth, this pair is grown 200 times, the total film thickness 1.6 [mu] m (16000 Å ) And a layer made of GaN doped with 1 × 10 20 / cm 3 of Mg (fifth nitride semiconductor layer) at the time of growing the p-side cladding layer 6 and 40 angstroms, mg 1 × 10 18 / cm 3 doped with Al 0.40 Ga 0.60 consisting N layer (fourth semiconductor layer) are allowed to 40 angstroms grow, this Bae A laser device was obtained in the same manner as in Example 1 except that a p-side cladding layer 6 having a superlattice structure with a total film thickness of 1.6 μm (16000 angstroms) was grown. It was equally good.

なお本発明は主としてレーザ素子について説明したが、本発明はレーザ素子の他に、LED素子、受光素子のような、他の窒化物半導体を用いたあらゆる電子デバイスに適用可能である。 Although the present invention has been described mainly with respect to laser elements, the present invention is applicable to any electronic device using other nitride semiconductors such as LED elements and light receiving elements in addition to laser elements.

第1の下地層を得るための一製法において得られる窒化物半導体ウェーハの構造を示す模式的断面図。The typical sectional view showing the structure of the nitride semiconductor wafer obtained in one manufacturing method for obtaining the 1st foundation layer. 第1の下地層を得るための一製法において得られる窒化物半導体ウェーハの構造を示す模式的断面図。The typical sectional view showing the structure of the nitride semiconductor wafer obtained in one manufacturing method for obtaining the 1st foundation layer. 第1の下地層を得るための一製法において得られる窒化物半導体ウェーハの構造を示す模式的断面図。The typical sectional view showing the structure of the nitride semiconductor wafer obtained in one manufacturing method for obtaining the 1st foundation layer. 第1の下地層を得るための一製法において得られる窒化物半導体ウェーハの構造を示す模式的断面図。The typical sectional view showing the structure of the nitride semiconductor wafer obtained in one manufacturing method for obtaining the 1st foundation layer. 本発明の一実施例に係る窒化物半導体素子の構造を示す斜視図。The perspective view which shows the structure of the nitride semiconductor element which concerns on one Example of this invention. 本発明の他の実施例に係る窒化物半導体素子の構造を示す模式断面図。FIG. 6 is a schematic cross-sectional view showing the structure of a nitride semiconductor device according to another embodiment of the present invention. 本発明の他の実施例に係る窒化物半導体素子の構造を示す模式断面図。FIG. 6 is a schematic cross-sectional view showing the structure of a nitride semiconductor device according to another embodiment of the present invention. 第1の下地層を得るための一製法において得られる窒化物半導体ウェーハの構造を示す模式的断面図。The typical sectional view showing the structure of the nitride semiconductor wafer obtained in one manufacturing method for obtaining the 1st foundation layer. 第1の下地層を得るための一製法において得られる窒化物半導体ウェーハの構造を示す模式的断面図。The typical sectional view showing the structure of the nitride semiconductor wafer obtained in one manufacturing method for obtaining the 1st foundation layer.

符号の説明Explanation of symbols

1・・・・異種基板 2・・・・バッファ層 3・・・・第1の下地層 4・・・・第1の窒化物半導体層 5・・・・活性層 6・・・・p側クラッド層 7・・・・p側コンタクト層 20・・・・p電極 21・・・・pパッド電極 22・・・・n電極 23・・・・絶縁膜   DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Dissimilar board | substrate 2 ... Buffer layer 3 ... 1st base layer 4 ... 1st nitride semiconductor layer 5 ... Active layer 6 ... p side Clad layer 7... P-side contact layer 20... P electrode 21... P pad electrode 22.

Claims (7)

窒化物半導体を成長させた後、さらに、窒化物半導体を選択的に横方向に成長させて形成された、結晶欠陥が1×10 個/cm 以下の下地層と、
前記下地層の上に形成された、Inを含む窒化物半導体よりなる井戸層を有する量子井戸構造の活性層と、
前記活性層の上に形成された、Alを含む窒化物半導体層および前記Alを含む窒化物半導体層とは異なる組成を有する窒化物半導体層が積層された超格子構造よりなるp側クラッド層と、
前記下地層の裏面側に形成されたn電極と、
を備え、
前記下地層は、不純物濃度が5×10 16 /cm 〜1×10 19 /cm である、
ことを特徴とする窒化物半導体発光素子。
An underlayer having a crystal defect of 1 × 10 7 pieces / cm 2 or less formed by growing a nitride semiconductor and then selectively growing the nitride semiconductor in a lateral direction ;
An active layer of a quantum well structure having a well layer made of a nitride semiconductor containing In , formed on the underlayer;
A p-side cladding layer having a superlattice structure in which a nitride semiconductor layer containing Al and a nitride semiconductor layer having a composition different from that of the nitride semiconductor layer containing Al are formed on the active layer; ,
An n-electrode formed on the back side of the base layer;
With
The underlayer has an impurity concentration of 5 × 10 16 / cm 3 to 1 × 10 19 / cm 3 .
A nitride semiconductor light emitting device characterized by that.
前記下地層は、窪みを有する窒化物半導体を成長させた後、さらに、窒化物半導体を選択的に横方向に成長させて形成されたものである、ことを特徴とする請求項1に記載の窒化物半導体発光素子。   2. The base layer according to claim 1, wherein the underlayer is formed by growing a nitride semiconductor having a depression and then further selectively growing the nitride semiconductor in a lateral direction. Nitride semiconductor light emitting device. 前記Alを含む窒化物半導体層と、前記Alを含む窒化物半導体層とは異なる組成を有する窒化物半導体層とは、不純物濃度が異なる、ことを特徴とする請求項1又は2に記載の窒化物半導体発光素子。   The nitride semiconductor layer according to claim 1 or 2, wherein the nitride semiconductor layer containing Al and the nitride semiconductor layer having a different composition from the nitride semiconductor layer containing Al have different impurity concentrations. Semiconductor light emitting device. 前記Alを含む窒化物半導体層がAlGa1−yN(0<y≦1)よりなる、ことを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載の窒化物半導体発光素子。 4. The nitride semiconductor light-emitting element according to claim 1, wherein the Al-containing nitride semiconductor layer is made of Al y Ga 1-y N (0 <y ≦ 1). 5. 請求項1乃至4のいずれか1項に記載の窒化物半導体発光素子において、さらに、異種基板よりも上にAl Ga 1−x N(0≦x≦0.5)よりなるバッファ層が形成され、このバッファ層よりも上に前記下地層が形成され、この異種基板とこのバッファ層とが除去されたことを特徴とする窒化物半導体発光素子。 5. The nitride semiconductor light emitting device according to claim 1, further comprising: a buffer layer made of Al x Ga 1-x N (0 ≦ x ≦ 0.5) is formed above the heterogeneous substrate. A nitride semiconductor light emitting device , wherein the base layer is formed above the buffer layer, and the heterogeneous substrate and the buffer layer are removed . 前記下地層にドープされる不純物がn型不純物であることを特徴とする請求項1乃至5のいずれか1項に記載の窒化物半導体発光素子。6. The nitride semiconductor light emitting device according to claim 1, wherein the impurity doped in the underlayer is an n-type impurity. 前記n型不純物は、Si、Ge、Se、S、Oから選択されることを特徴とする請求項6に記載の窒化物半導体発光素子。The nitride semiconductor light emitting device according to claim 6, wherein the n-type impurity is selected from Si, Ge, Se, S, and O.
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