JP4378070B2 - 窒化物半導体素子 - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明はLED(発光ダイオード)、LD(レーザダイオード)等の発光素子、太陽電池、光センサー等の受光素子、又はトランジスタ等の電子デバイスに使用される窒化物半導体(InAlGa1−X−YN、0≦X、0≦Y、X+Y≦1)よりなる素子に関する。なお、本明細書において使用する一般式InGa1−XN、AlGa1−YN等は単に窒化物半導体層の組成式を示すものであって、異なる層が例えば同一の一般式で示されていても、それらの層のX値、Y値が一致していることまで示すものではない。
【0002】
【従来の技術】
窒化物半導体は高輝度青色LED、純緑色LEDの材料として、フルカラーLEDディスプレイ、交通信号等で最近実用化されたばかりである。これらの各種デバイスに使用されるLEDは、n型窒化物半導体層とp型窒化物半導体層との間に、単一量子井戸構造(SQW:Single-Quantum- Well)のInGaNよりなる活性層が挟まれたダブルへテロ構造を有している。青色、緑色等の波長はInGaN活性層のIn組成比を増減することで決定されている。
【0003】
また、本出願人は、最近この材料を用いてパルス電流下、室温での410nmのレーザ発振を世界で初めて発表した(例えば、Jpn.J.Appl.Phys. Vol35 (1996) pp.L74-76)。このレーザ素子はパルス幅2μs、パルス周期2msの条件で、閾値電流610mA、閾値電流密度8.7kA/cm2、410nmの発振を示す。さらにまた、閾値電流が低い改良したレーザ素子を、Appl.Phys.Lett.,Vol.69,No.10,2 Sep. 1996,p.1477-1479において発表した。このレーザ素子は、p型窒化物半導体層の一部にリッジストライプが形成された構造を有しており、パルス幅1μs、パルス周期1ms、デューティー比0.1%で、閾値電流187mA、閾値電流密度3kA/cm2、410nmの発振を示す。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
窒化物半導体よりなる青色、緑色LEDは順方向電流(If)20mAで、順方向電圧(Vf)が3.4V〜3.6Vあり、GaAlAs系の半導体よりなる赤色LEDに比べて2V以上高いため、さらなるVfの低下が望まれている。また、LDでは閾値での電流、電圧が未だ高く、室温で連続発振させるためには、この閾値電流、電圧が下がるような、さらに電力効率の高い素子を実現する必要がある。
【0005】
従って本発明の目的とするところは、主として窒化物半導体よりなるLD素子の閾値での電流、電圧を低下させることにより連続発振を実現し、またLED素子ではVfを低下させ、信頼性が高く、電力効率に優れた窒化物半導体素子を実現することにある。
【0006】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、窒化物半導体素子について、活性層を挟んだp型層、及び/又はn型層を改良すべく鋭意検討した結果、活性層を除くp型層、及び/又はn型層に超格子層を用いることにより、超格子層を用いた層の結晶性を良好にでき、前記問題を解決できることを新たに見いだし本発明を成すに至った。
すなわち、本発明に係る請求項1記載の窒化物半導体素子は、 基板上に、バッファ層と、表面に電極が形成されるn側コンタクト層を含む1又は多層のn型窒化物半導体層と、活性層と、1又は多層のp型窒化物半導体層とを有する窒化物半導体素子において、 前記バッファ層と前記n側コンタクト層の間に、前記n側コンタクト層に比較して不純物濃度が低い窒化物半導体からなる第2のバッファ層を有し、該第2のバッファ層上に直接前記n側コンタクト層が形成されており、前記バッファ層はGaNよりなり、前記第2のバッファ層は、窒化物半導体からなる第1の層と、該第1の層と組成が異なる窒化物半導体からなる第2の層とが積層された超格子層であり、前記第1の層及び前記第2の層の内の少なくとも一方に、該層の導電型をn型に設定する不純物がドープされており、前記第1の層及び前記第2の層の前記不純物の濃度が互いに異なることを特徴とする。
【0007】
また、本発明に係る請求項2に記載の発明は、請求項1に記載の窒化物半導体素子において、前記第2のバッファ層が前記バッファ層より厚いとしたものである
【0008】
さらに、本発明に係る請求項3に記載の発明は、請求項1又は2に記載の窒化物半導体素子において、前記第2のバッファ層の膜厚が0.1μm以上、20μm以下であるとしたものである。
【0009】
また、本発明に係る請求項4に記載の発明は、請求項1乃至のうちのいずれか1項に記載の窒化物半導体素子において、前記第1の層及び第2の層は、膜厚100オングストローム以下であるとしたものである。
【0010】
また、本発明に係る請求項5に記載の発明は、請求項1乃至4のうちのいずれか1項に記載の窒化物半導体素子において、前記第2のバッファ層はIn Al Ga 1−X−Y N(0≦X、0≦Y、X+Y≦1)で構成されるとしたものである
【0011】
また、本発明に係る請求項6に記載の発明は、請求項5に記載の窒化物半導体素子において、前記第2のバッファ層は、アンドープでY値が0.1以下のAl Ga 1−Y Nで構成されるとしたものである
【0020】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明に係る実施の形態の窒化物半導体素子について説明する。
実施形態1.
図1は、本発明に係る実施形態1の窒化物半導体素子の構造を示す模式的な断面図であり、該窒化物半導体素子は、基本的な構造として、サファイアよりなる基板1の上に、GaNよりなるバッファ層2、Siドープn型GaNよりなるn側コンタクト層3、単一量子井戸構造のInGaNよりなる活性層4、互いに組成の異なる第1の層と第2の層とが積層された超格子層よりなるp側クラッド層5、MgドープGaNよりなるp側コンタクト層6とが順に積層されているLED素子である。なお、実施形態1の窒化物半導体素子において、p側コンタクト層6表面のほぼ全面には、透光性の全面電極7が形成され、全面電極7の表面にはボンディング用のp電極8が設けられており、さらにp側コンタクト層6より窒化物半導体層の一部をエッチング除去して露出されたn側コンタクト層2の表面にはn電極9が設けられている。
【0021】
ここで、実施形態1の窒化物半導体素子は、例えばp型不純物としてMgをドープしたInGa1−XN(0≦X≦1)よりなる膜厚30オングストロームの第1の層と、同じくp型不純物としてMgを第1の層と同量でドープしたp型AlGa1−YN(0≦Y≦1)よりなる膜厚30オングストロームの第2の層とが積層された超格子層で構成された低い抵抗値を有するp側クラッド層5を備えているので、Vfを低くできる。このように超格子層をp層側に形成する場合は、Mg、Zn、Cd、Be等のp型不純物を第1の層、及び/又は第2の層にドープしてp型の導電型を有する超格子層とする。積層順としては、第1+第2+第1・・・、若しくは第2+第1+第2・・・の順でも良く、少なくとも合計2層以上積層する。
【0022】
尚、超格子層を構成する窒化物半導体よりなる第1の層及び第2の層は、InGa1−XN(0≦X≦1)よりなる層及びAlGa1−YN(0≦Y≦1)よりなる層に限定されるわけではなく、互いに組成が異なる窒化物半導体で構成されていれば良い。また、第1の層と第2の層とのバンドギャップエネルギーが異なっていても、同一でもかまわない。例えば、第1の層をInGa1−XN(0≦X≦1)で構成し、第2の層をAlGa1−YN(0<Y≦1)で構成すると、第2の層のバンドギャップエネルギーが必ず第1の層よりも大きくなるが、第1の層をInGa1−XN(0≦X≦1)で構成し、第2の層をInAl1−ZN(0<Z≦1)で構成すれば、第1の層と第2の層とは組成が異なるがバンドギャップエネルギーが同一の場合もあり得る。また第1の層をAlGa1−YN(0≦Y≦1)で構成し、第2の層をInAl1−ZN(0<Z≦1)で構成すれば、同様に第1の層と第2の層とは組成が異なるがバンドギャップエネルギーが同一の場合もあり得る。すなわち、本発明は、後述する作用を有する超格子層であれば、第1の層と第2の層のバンドギャップエネルギーが同じであっても、異なっていても良い。以上のように、ここで言う超格子層とは、組成の異なる極めて薄い層が積層されたものであって、各層の厚さが十分薄いために、格子不整に伴う欠陥が発生することなく積層された層のことをいい、量子井戸構造を含む広い概念である。また、この超格子層は、内部に欠陥は有しないが、通常、格子不整に伴う歪みを有するので歪み超格子とも呼ばれる。本発明において、第1の層、第2の層のN(窒素)を一部As、P等のV族元素で置換してもNが存在している限り窒化物半導体に含まれる。
【0023】
本発明において、超格子層を構成する第1の層、第2の層の膜厚は、100オングストロームよりも厚いと、第1の層及び第2の層が弾性歪み限界以上の膜厚となり、該膜中に微少なクラック、あるいは結晶欠陥が入りやすくなるので、100オングストローム以下の膜厚に設定することが好ましい。また、第1の層、第2の層の膜厚の下限は特に限定されず1原子層以上であればよい。しかしながら、本発明では、第1の層、第2の層の膜厚は、100オングストロームであると窒化物半導体の臨界(弾性歪み)限界膜厚に十分に達しておらず、弾性歪み限界膜厚以下にして窒化物半導体の結晶欠陥をより少なくするため70オングストローム以下に設定することが好ましく、さらに好ましくはより薄く設定し、40オングストローム〜10オングストロームに設定することが最も好ましい。また、本発明では、10オングストローム以下(1原子層又は2原子層)に設定してもよいが、10オングストローム以下に設定すると、例えば、500オングストローム以上の膜厚のクラッド層を超格子層で形成する場合、積層数が多くなるり、製造工程上、形成時間及び手間がかかるので、第1の層、第2の層の膜厚は、10オングストロームより厚く設定することが好ましい。
【0024】
図1に示す本実施形態1の窒化物半導体素子の場合、超格子層よりなるp型クラッド層5は、活性層4と電流注入層であるp側コンタクト層6との間に形成されて、キャリア閉じ込め層として作用している。このように、特に超格子層をキャリア閉じ込め層とする場合には、超格子層の平均バンドギャップエネルギーを活性層よりも大きくする必要がある。窒化物半導体では、AlN、AlGaN、InAlN等のAlを含む窒化物半導体が、比較的大きなバンドギャップエネルギーを有するので、キャリア閉じ込め層としてこれらの層が用いられる。しかし、従来のようにAlGaN単一で厚膜を成長させると結晶成長中にクラックが入りやすい性質を有している。
【0025】
そこで、本発明では、超格子層の第1の層、及び第2の層の内の少なくとも一方を少なくともAlを含む窒化物半導体、好ましくはAlGa1−YN(0<Y≦1)を弾性歪み限界以下の膜厚で形成して超格子層を構成することにより、クラックの少ない非常に結晶性の良い超格子層を成長形成させ、しかもバンドギャップエネルギーが大きな層を形成している。この場合さらに好ましくは、第1の層にAlを含まない窒化物半導体層を100オングストローム以下の膜厚で成長させると、Alを含む窒化物半導体よりなる第2の層を成長させる際のバッファ層としても作用し、第2の層にクラックを入りにくくする。そのため第1の層と第2の層とを積層してもクラックのない結晶性のよい超格子層を形成できる。従って、本実施形態1では、超格子層をInGa1−XN(0≦X≦1)からなる第1の層(第2の層)とAlGa1−YN(0≦Y≦1、X≠Y=0)からなる第2の層(第1の層)とすることが好ましい。
【0026】
また、本実施形態1の窒化物半導体素子において、超格子層であるp側クラッド層5を構成する第1の層及び第2の層の内の少なくとも一方の層には、キャリア濃度を調整するために、該層の導電型をp型に設定するp型の不純物がドープされることが好ましい。また、第1の層と第2の層とにp型の不純物をドープする場合、第1の層と第2の層とで異なる濃度でドープてもよく、さらに、第1の層と第2の層とのバンドギャップエネルギーが異なる場合には、バンドギャップエネルギーが大きな層の方を高濃度とすることが望ましい。なぜなら、第1の層、第2の層にそれぞれ異なる濃度で不純物をドープすると、変調ドーピングによる量子効果によって、一方の層のキャリア濃度が実質的に高くなり超格子層全体の抵抗値を低下させることができるからである。このように、本発明では、第1の層と、第2の層の両方に不純物を異なる濃度でそれぞれドープしても良いし、第1の層、第2の層のいずれか一方に不純物をドープしても良い。
【0027】
なお、第1の層及び第2の層にドープされる不純物濃度は、特に本発明はこれに限定されないが、p型不純物で通常、1×1016/cm〜1×1022/cm、さらに好ましくは1×1017/cm〜1×1021/cm、最も好ましくは1×1018/cm〜2×1020/cmの範囲に調整することが望ましい。1×1016/cmよりも少ないとVf、閾値電圧を低下させる効果が得られにくく、1×1022/cmよりも多いと超格子層の結晶性が悪くなる傾向にあるからである。またn型不純物も同様の範囲に調整することが望ましい。理由は同じである。
【0028】
しかしながら、本発明では、超格子層には、第1の層及び第2の層に導電型を決定する不純物がドープされていなくてもよい。この不純物がドープされない超格子層は、n型窒化物半導体層領域であれば活性層と基板との間におけるいずれの層であってもよく、一方、p型窒化物半導体層領域であれば、キャリア閉じ込め層(光閉じ込め層)と、活性層との間におけるいずれの層であってもよい。
【0029】
以上のように構成された超格子層は、第1の層、及び第2の層を弾性歪み限界以下の膜厚にして積層して形成しているので、結晶の格子欠陥を低下させることができ、かつ微少なクラックを減少させることができ、結晶性を飛躍的に良くすることができる。この結果、結晶性をあまり損なうことなく、不純物のドープ量を多くでき、これによって、n型窒化物半導体層、p型窒化物半導体層のキャリア濃度を増加させることができ、かつ該キャリアが結晶欠陥によって散乱されることなく移動できるので、超格子構造を有しないp型又はn型の窒化物半導体に比較して抵抗率を1桁以上低くすることができる。
【0030】
従って、本実施形態1の窒化物半導体素子(LED素子)では、従来、低抵抗な窒化物半導体層を得ることが困難であったp層側(p型半導体層領域(p型クラッド層5とp型コンタクト層6とからなる領域))のp型クラッド層5を超格子層を用いて形成して、該p型クラッド層5の抵抗値を低くすることにより、Vfを低くすることができる。つまり、p型窒化物半導体は、p型結晶が非常に得られにくい半導体であり、得られたとしても、n型窒化物半導体に比べて、通常抵抗率が2桁以上高い。そのためp型の超格子層をp層側に形成することにより、超格子層で構成されたp型層を極めて低抵抗にすることができ、Vfの低下が顕著に現れる。従来、p型結晶を得るため技術として、p型不純物をドープした窒化物半導体層をアニーリングして、水素を除去することによりp型の窒化物半導体を作製する技術が知られている(特許第2540791号)。しかし、p型の窒化物半導体が得られたといってもその抵抗率は、数Ω・cm以上もある。そこで、このp型層をp型の超格子層とすることにより結晶性が良くなり、我々の検討によると、該p層の抵抗率を従来に比較して、1桁以上低くすることができ、Vfの低下させる効果が顕著に現れる。
【0031】
また、本実施形態1では、前記のように好ましくは第1の層(第2の層)をInGa1−XN(0≦X≦1)とし、第2の層(第1の層)をAlGa1−YN(0≦Y≦1、X≠Y=0)で構成することにより、結晶性のよいクラックのない超格子層を形成することができるので、素子寿命を向上させることができる。
【0032】
次に、我々が以前に出願した特許公報を含む公知文献に開示された従来例と本発明とを比較して説明する。
まず、本発明に類似した技術として、我々は先に特開平8−228048号を提案した。この技術は活性層を挟むn型クラッド層の外側、及び/又はp型クラッド層の外側(つまり活性層からより離れた側)にレーザ光の光反射膜としてAlGaN、GaN、InGaN等よりなる多層膜を形成する技術である。この技術は光反射膜として多層膜を形成するので、その各層の膜厚がλ/4n(n:窒化物半導体の屈折率、λ:波長)で設計されるため非常に厚い。従って多層膜の各膜厚が弾性歪み限界以下の膜厚ではない。また、USP 5,146,465号には活性層をAlGa1−XN/AlGa1−YNよりなるミラーで挟んだ構造のレーザ素子が記載されている。この技術も前技術と同様にAlGaN/AlGaNをミラーとして作用させるために、各層の膜厚を厚くしなければならない。さらにAlGaNのような硬い半導体をクラックなしに何層も積層することは非常に難しい。
【0033】
一方、本実施形態では超格子層を構成するように第1と第2の層の各膜厚を、設定(好ましくは、両方とも100オングストローム以下と臨界膜厚以下に設定する。)しており、前記技術とは異なる。本発明では超格子層を構成する窒化物半導体の歪み超格子による効果を利用し、結晶性を向上させて、Vfを低下させている。
【0034】
さらに、特開平5−110138、特開平5−110139号公報には薄膜のAlNとGaNとを積層してAlGa1−YNの結晶を得る方法が記載されている。この技術は、所定の混晶比のAlGa1−YNの混晶を得るために、数十オングストロームの膜厚のAlN、GaNを積層する技術であって本発明の技術とは異なる。しかもInGaNよりなる活性層を有していないので、超格子層にクラックが入りやすい。また、特開平6−21511号、6−268257号公報ではGaNとInGaN、若しくはInGaNとInGaNとを積層した多重量子井戸構造の活性層を有するダブルへテロ構造の発光素子が記載されている。本発明では活性層以外の層を多重量子井戸構造とする技術であり、この技術とも異なる。
【0035】
さらに本発明の素子ではInGaNのような、少なくともインジウムを含む窒化物半導体を活性層に備える場合に、超格子の効果が顕著に現れる。InGaN活性層はバンドギャップエネルギーが小さく窒化物半導体素子の活性層としては最も適している。そのためInGa1−XNと、AlGa1−YNよりなる超格子層を、活性層を挟設する層として形成すると、活性層とバンドギャップエネルギー差、屈折率差を大きくできるため、該超格子層がレーザ素子を実現する際に非常に優れた光閉じ込め層として動作する(実施形態2の窒化物半導体素子に適用)。さらにInGaNは結晶の性質が他のAlGaNのようなAlを含む窒化物半導体に比べて柔らかいので、InGaNを活性層とすると、積層した各窒化物半導体層全体にクラックが入りにくくなる。逆にAlGaNのような窒化物半導体を活性層とすると、その結晶の性質が硬いために結晶全体にクラックが入りやすくなる傾向にある。
【0036】
さらにp側コンタクト層の膜厚を500オングストローム以下、さらに好ましくは300オングストローム以下、最も好ましくは200オングストローム以下に調整することが望ましい。なぜなら、上述したように抵抗率が数Ω・cm以上もあるp型窒化物半導体層の膜厚を500オングストローム以下に調整することにより、さらに抵抗率を低げることができるため、閾値での電流、電圧が低下する。またp型層から除去される水素の量を多くすることができ、さらに抵抗率を低下させることができる。
【0037】
以上、詳述したように、本実施の形態1の窒化物半導体素子では、p型クラッド層5を第1の層と第2の層とが積層された超格子層で構成しているので、該p型クラッド層5を極めて低抵抗にでき、該素子のVfを低くできる。
【0038】
以上の実施形態1では、p側クラッド層5に超格子層を用いたが、本発明はこれに限らず、p側コンタクト層6にp型の超格子層を用いてもよい。すなわち、電流(正孔)が注入されるp側コンタクト層6も例えばInGa1−XNよりなる第1の層と、AlGa1−YNよりなる第2の層とが積層されたp型の超格子層とすることもできる。p型コンタクト層6を超格子層として、第1の層のバンドギャップエネルギーが第2の層よりも小さい場合、バンドギャップエネルギーが小さいInGa1−XNよりなる第1の層を最表面にしてp電極と接触する層とすることが好ましく、これによって、p電極との接触抵抗が小さくなり好ましいオーミックが得られる。これはバンドギャップエネルギーが小さい第1の層の方が、第2の層よりもキャリア濃度の高い窒化物半導体層が得られやすい傾向にあるからである。また、本発明では、p型窒化物半導体層領域に、上述のp側クラッド層及びp側コンタクト層以外のp型窒化物半導体層をさらに形成する場合は、該p型窒化物半導体層を超格子層で構成してもよい。
【0039】
以上の実施形態1では、p側クラッド層5に超格子層を用いたが、本発明はp型窒化物半導体層領域に限らず、n型窒化物半導体領域のn側コンタクト層3にn型の超格子層を用いてもよい。このように、n側コンタクト層3を超格子層とする場合は、例えば、Si、Ge等のn型不純物を第1の層及び/又は第2の層にドープして、n型の導電型を有する超格子層を基板1と活性層4との間にn型コンタクト層3として形成することができる。この場合、特にn型コンタクト層3を不純物濃度が異なる超格子層とすると横方向の抵抗値が低下して、LDでは閾値電圧、電流が低下する傾向にあることが確認された。
【0040】
これは、バンドギャップエネルギーの大きな層の方に、多くn型不純物をドープした超格子層をn層側のコンタクト層として形成した場合について、以下のようなHEMT(High-Electron-Mobility-Transistor)に類似した作用が出現した効果が推察される。n型不純物がドープされたバンドギャップの大きい第1の層(第2の層)と、バンドギャップが小さいアンドープ{(undope);以下、不純物がドープされていない状態をアンドープという}の第2の層(第1の層)とを積層した超格子層では、n型不純物を添加した層と、アンドープの層とのヘテロ接合界面で、バンドギャップエネルギーの大きな層側が空乏化し、バンドギャップエネルギーの小さな層側の厚さ(100オングストローム)前後の界面に電子(二次元電子ガス)が蓄積する。この二次元電子ガスがバンドギャップエネルギーの小さな層側にできるので、電子が走行するときに不純物による散乱を受けないため、超格子層の電子の移動度が高くなり、抵抗率が低下すると推察される。
【0041】
また、本発明において、n型窒化物半導体層領域にn側のクラッド層を設ける場合は、該n側のクラッド層を超格子層としてもよい。n型窒化物半導体層領域にn側コンタクト層及びn側クラッド層以外のn型窒化物半導体層を形成する場合は、該n型窒化物半導体層を超格子層としてもよい。しかし、n型窒化物半導体層領域に超格子層からなる窒化物半導体層を設ける場合、キャリア閉じ込め層としてのn側クラッド層、若しくは電流(電子)が注入されるn側コンタクト層3を超格子構造とすることが望ましいことはいうまでもない。
【0042】
このように、超格子層を活性層4と基板1との間のn型窒化物半導体層領域にに設ける場合、超格子層を構成する第1の層、第2の層には不純物をドープしなくても良い。なぜなら窒化物半導体はアンドープでもn型になる性質があるからである。但し、n層側に形成する場合においても上述のように、第1の層、第2の層にSi、Ge等のn型不純物をドープして、不純物濃度の差を設ける方が望ましい。
【0043】
以上のように、超格子層をn型窒化物半導体層領域に形成した場合の効果は、超格子層をp型窒化物半導体層領域に設けた場合と同様に、結晶性の向上が挙げられる。詳細に説明すると、ヘテロ接合を有する窒化物半導体素子の場合、通常n型、p型のキャリア閉じ込め層は、活性層よりもバンドギャップエネルギーが大きいAlGaNで構成される。AlGaNは結晶成長が非常に難しく、例えば単一組成で0.5μm以上の膜厚で成長させようとすると、結晶中にクラックが入りやすくなる性質がある。しかしながら、本発明のように第1の層と、第2の層とを弾性歪み限界以下の膜厚で積層して超格子層とすると、単一の第1の層、第2の層のみで結晶性の良いものが得られるため、全体を膜厚の厚い超格子層としても結晶性が良いままでクラッド層が成長できる。そのため全体の窒化物半導体の結晶性が良くなってn型領域の移動度が大きくなるので、その超格子層をクラッド層とした素子でVfが低下する。さらに、超格子層にSi、Geの不純物をドープして、超格子層をコンタクト層とした場合には前記したHEMTに類似した効果が顕著に現れてくるようになると思われ、閾値電圧、Vfをさらに低下させることができる。
【0044】
このように、本発明において、超格子層は、活性層を挟設するn型領域又はp型領域に形成されるキャリア閉じ込め層としてのクラッド層、活性層の光ガイド層、若しくは電極が接して形成される電流注入層として用いられるため、超格子層を構成する窒化物半導体の平均バンドギャップエネルギーが活性層よりも大きくなるように調整することが望ましい。
【0045】
実施形態2.
次に、本発明に係る実施形態2について説明する。
図2は、本発明に係る実施形態2の窒化物半導体素子の構造を示す模式的な断面図(レーザ光の共振方向に垂直な断面)であり、該窒化物半導体素子は、例えば、C面を主面とするサファイヤ等の基板10上に、n型窒化物半導体層領域(n側コンタクト層12、クラック防止層13、n側クラッド層14及びn側光ガイド層15からなる。)とp型窒化物半導体領域(キャップ層17、p側光ガイド層18、p側クラッド層19及びp側コンタクト層20からなる。)とによって挟設された窒化物半導体からなる活性層16を備えた窒化物半導体レーザダイオード素子である。
【0046】
ここで、本実施形態2の窒化物半導体素子は、n型窒化物半導体層領域におけるn側クラッド層14を超格子層で形成し、かつp型窒化物半導体領域におけるp側クラッド層19を超格子層で形成することにより、LD素子である窒化物半導体素子の閾値電圧を低く設定している。以下この図2を参照して本発明に係る実施形態2の窒化物半導体素子について詳細に説明する。
【0047】
この実施形態2の窒化物半導体素子においては、まず、基板10上にバッファ層11と第2のバッファ層112を介してn側コンタクト層12が形成され、さらにn側コンタクト層12上に、クラック防止層13、n側クラッド層14及びn側光ガイド層15が積層されて、n型窒化物半導体層領域が形成される。尚、クラック防止層13の両側に露出されたn側コンタクト層12の表面にはそれぞれ、n側コンタクト層12とオーミック接触するn側電極23が形成され、該n側電極23上には、例えば、ワイヤーボンディング用のn側パッド電極が形成される。そして、n側光ガイド層15上に窒化物半導体からなる活性層16が形成され、さらに該活性層16上に、キャップ層17、p側光ガイド層18、p側クラッド層19及びp側コンタクト層20が積層されてp型窒化物半導体層領域が形成される。さらに、p側コンタクト層20上に該p側コンタクト層20とオーミック接触するp側電極21が形成され、該p側電極21上には、例えば、ワイヤーボンディング用のp側パッド電極が形成される。なお、p側コンタクト層20とp側クラッド層19の上部とによって、共振方向に長く伸びた峰状のリッジ部が構成され、該リッジ部を形成することによって、活性層16において、光りを幅方向(共振方向に直交する方向)に閉じ込め、リッジ部(ストライプ状の電極)に垂直な方向で劈開された劈開面を用いて、リッジ部の長手方向に共振する共振器を作製してレーザ発振させる。
【0048】
次に、実施形態2の窒化物半導体素子の各構成要素について説明する。
(基板10)
基板10にはC面を主面とするサファイアの他、R面、A面を主面とするサファイア、その他、スピネル(MgA1)のような絶縁性の基板の他、SiC(6H、4H、3Cを含む)、ZnS、ZnO、GaAs、GaN等の半導体基板を用いることができる。
【0049】
(バッファ層11)
バッファ層11は、例えばAlN、GaN、AlGaN、InGaN等を900℃以下の温度で成長させて、膜厚数十オングストローム〜数百オングストロームに形成する。このバッファ層11は、基板と窒化物半導体との格子定数不正を緩和するために形成するが、窒化物半導体の成長方法、基板の種類等によっては省略することも可能である。
【0050】
(第2のバッファ層112)
第2のバッファ層112は、前記バッファ層11の上に、前記バッファ層よりも高温で成長させた単結晶の窒化物半導体よりなる層であり、バッファ層11よりも厚膜を有する。この第2のバッファ層112は次に成長させるn側コンタクト層12よりもn型不純物濃度が少ない層とするか、若しくはn型不純物をドープしない窒化物半導体層、好ましくはGaN層とすると、第2のバッファ層112の結晶性が良くなる。最も好ましくはn型不純物をアンドープのGaNとすると最も結晶性が良い窒化物半導体が得られる。従来のように負電極を形成するn側コンタクト層を数μm以上の膜厚で、高キャリア濃度の単一の窒化物半導体層で構成しようとすると、n型不純物濃度の大きい層を成長させる必要がある。不純物濃度の大きい厚膜の層は結晶性が悪くなる傾向にある。このため結晶性の悪い層の上に、活性層等の他の窒化物半導体を成長させても、結晶欠陥を他の層が引き継ぐことになって結晶性の向上が望めない。そこで、n側コンタクト層12層を成長させる前に、不純物濃度が小さい、結晶性の良い第2のバッファ層112を成長させることにより、キャリア濃度が大きく結晶性の良いn側コンタクト層12を成長させることができる。この第2のバッファ層112の膜厚は、0.1μm以上、さらに好ましくは0.5μm以上、最も好ましくは1μm以上、20μm以下に調整することが望ましい。第2のバッファ層112が0.1μmよりも薄いと、不純物濃度の大きいn型コンタクト層12を厚く成長させなければならず、n側コンタクト層12の結晶性の向上があまり望めない傾向にある。また20μmよりも厚いと、第2のバッファ層112自体に結晶欠陥が多くなりやすい傾向にある。また第2のバッファ層112を厚く成長させる利点として、放熱性の向上が挙げられる。つまりレーザ素子を作製した場合に、第2のバッファ層112で熱が広がりやすくレーザ素子の寿命が向上する。さらにレーザ光の漏れ光が第2のバッファ層112内で広がって、楕円形に近いレーザ光が得やすくなる。なお、第2のバッファ層112は、基板にGaN、SiC、ZnO等の導電性基板を使用した場合には省略してもよい。
【0051】
(n側コンタクト層12)
n側コンタクト層12は負電極を形成するコンタクト層として作用する層であり、0.2μm以上、4μm以下に調整することが望ましい。0.2よりも薄いと、後で負電極を形成する際に、この層を露出させるようにエッチングレートを制御するのが難しく、一方、4μm以上にすると不純物の影響で結晶性が悪くなる傾向にある。このn側コンタクト層12の窒化物半導体にドープするn型不純物の範囲は1×1017/cm〜1×1021/cmの範囲、さらに好ましくは、1×1018/cm〜1×1019/cmに調整することが望ましい。1×1017/cmよりも小さいとn電極の材料と好ましいオーミックが得られにくくなるので、レーザ素子では閾値電流、電圧の低下が望めず、1×1021/cmよりも大きいと、素子自体のリーク電流が多くなったり、また結晶性も悪くなるため、素子の寿命が短くなる傾向にある。なおn側コンタクト層12においては、n電極23とのオーミック接触抵抗を小さくするために、該n側コンタクト層12のキャリア濃度を上げる不純物の濃度を、nクラッド層14よりも大きくすることが望ましい。なお、n側コンタクト層12は基板にGaN、SiC、ZnO等の導電性基板を使用し基板裏面側に負電極を設ける場合にはコンタクト層としてではなくバッファ層として作用する。
【0052】
また、第2のバッファ層11、及びn側コンタクト層12の内の少なくとも一方の層を、超格子層とすることもできる。超格子層とすると、この層の結晶性が飛躍的に良くなり、閾値電流が低下する。好ましくは第2のバッファ層11よりも膜厚が薄いn側コンタクト層12の方を超格子層とする。n側コンタクト層12を互いにバンドギャップエネルギーが異なる第1の層と第2の層とが積層されてなる超格子構造とした場合においては、好ましくはバンドギャップエネルギーの小さな層を露出させてn電極23を形成することにより、n電極23との接触抵抗が低くでき閾値を低下させることができる。なおn型窒化物半導体と好ましいオーミックが得られるn電極23の材料としてはAl,Ti,W,Si,Zn,Sn,In等の金属若しくは合金が挙げられる。
【0053】
また、n型コンタクト層12を不純物濃度が異なる超格子層とすることにより、実施形態1において説明したHEMTに類似した効果により横方向の抵抗値を低くでき、LD素子の閾値電圧、電流を低くすることができる。
【0054】
(クラック防止層13)
クラック防止層13は、例えば、Siを5×1018/cmドープしたIn0.1Ga0.9Nからなり、例えば、500オングストロームの膜厚を有する。このクラック防止層13はInを含むn型の窒化物半導体、好ましくはInGaNを成長させて形成することにより、その上に形成されるAlを含む窒化物半導体層中にクラックが入るのを防止することができる。なお、このクラック防止層13は100オングストローム以上、0.5μm以下の膜厚で成長させることが好ましい。100オングストロームよりも薄いと前記のようにクラック防止として作用しにくく、0.5μmよりも厚いと、結晶自体が黒変する傾向にある。なお、このクラック防止層13は、本実施形態1のようにn側コンタクト層12を超格子とする場合、または次に成長させるn側クラッド層14を超格子層とする場合には省略してもよい。
【0055】
(n型超格子からなるn側クラッド層14)
n側クラッド層は、例えばSiを5×1018/cmドープしたn型A10.2Ga0.8Nからなり、20オングストロームの膜厚を有する第1の層、及びアンドープのGaNよりなり、20オングストロームの膜厚を有する第2の層とが交互に積層された超格子層よりなり、全体で例えば0.5μmの膜厚を有する。このn型クラッド層14はキャリア閉じ込め層、及び光閉じ込め層として作用し、超格子層とした場合にはいずれか一方の層をAlを含む窒化物半導体、好ましくはAlGaNを成長させることが望ましく、100オングストローム以上、2μm以下、さらに好ましくは500オングストローム以上、1μm以下で成長させることにより良好なキャリア閉じ込め層が成長できる。このn型クラッド層14は単一の窒化物半導体で成長させることもできるが、超格子層とすることがクラックのない結晶性のよいキャリア閉じ込め層が形成できる。
【0056】
(n側光ガイド層15)
n側光ガイド層15は、例えば、Siを5×1018/cmドープしたn型GaNからなり、0.1μmの膜厚を有する。このn側光ガイド層6は、活性層の光ガイド層として作用し、GaN、InGaNを成長させて形成することが望ましく、通常100オングストローム〜5μm、さらに好ましくは200オングストローム〜1μmの膜厚で成長させることが望ましい。なお、この光ガイド層15も超格子層にすることができる。n側光ガイド層15、n側クラッド層14を超格子層にする場合、超格子層を構成する窒化物半導体層の平均的なバンドギャップエネルギーは活性層よりも大きくする。超格子層とする場合には、第1の層及び第2の層の少なくとも一方にn型不純物をドープしてもよいし、またアンドープでも良い。また、この光ガイド層15は、アンドープの窒化物半導体単独若しくはアンドープの窒化物半導体が積層された超格子でもよい。
【0057】
(活性層16)
活性層16は、例えば、Siを8×1018/cmでドープしたIn0.2Ga0.8Nよりなり、25オングストロームの膜厚を有する井戸層と、Siを8×1018/cmドープしたIn0.051Ga0.95Nよりなり、50オングストロームの膜厚を有する障壁層とを交互に積層することにより、所定の膜厚を有する多重量子井戸構造(MQW)で構成する。活性層16においては、井戸層、障壁層両方に不純物をドープしても良く、いずれか一方にドープしてもよい。なおn型不純物をドープすると閾値が低下する傾向にある。また、このように活性層16を多重量子井戸構造とする場合には必ずバンドギャップエネルギーの小さい井戸層と、井戸層よりもバンドギャップエネルギーが小さい障壁層とを積層するため、超格子層とは区別される。井戸層の厚さは、100オングストローム以下、好ましくは70オングストローム以下、最も好ましくは、50オングストローム以下にする。障壁層の厚さは150オングストローム以下、好ましくは100オングストローム以下、最も好ましくは70オングストローム以下にする。
【0058】
(p側キャップ層17)
p側キャップ層17は、活性層16よりもバンドギャップエネルギーが大きい、例えば、Mgを1×1020/cmドープしたp型Al0.3Ga0.7Nよりなり、例えば、200オングストロームの膜厚を有する。本実施形態2では、このように、キャップ層17を用いることが好ましいが、このキャップ層は、薄い膜厚に形成されるので、本発明では、n型不純物をドープしてキャリアが補償されたi型としても良い。p側キャップ層17の膜厚は0.1μm以下、さらに好ましくは500オングストローム以下、最も好ましくは300オングストローム以下に調整する。0.1μmより厚い膜厚で成長させると、p側キャップ層17中にクラックが入りやすくなり、結晶性の良い窒化物半導体層が成長しにくいからである。また、p側キャップ層17の膜厚が、0.1μm以上であると、キャリアがこのエネルギーバリアとなるp型キャップ層17をトンネル効果により通過できなくなるからであり、該トンネル効果によるキャリアの通過を考慮すると、上述したように500オングストローム以下、さらには300オングストローム以下に設定することが好ましい。
【0059】
また、p側キャップ層17には、LD素子を発振しやすくするために、Alの組成比が大きいAlGaNを用いて形成することが好ましく、該AlGaNを薄く形成する程、LD素子は発振しやすくなる。例えば、Y値が0.2以上のAlGa1−YNであれば500オングストローム以下に調整することが望ましい。p側キャップ層17の膜厚の下限は特に限定しないが、10オングストローム以上の膜厚で形成することが望ましい。
【0060】
(p側光ガイド層18)
p側光ガイド層18は、バンドギャップエネルギーがp側キャップ層17よりも小さい、例えば、Mgを1×1020/cmドープしたp型GaNよりなり、0.1μmの膜厚を有する。このp側光ガイド層18は、活性層16の光ガイド層として作用し、n側光ガイド層15と同じくGaN、InGaNで成長させて形成することが望ましい。また、この層はp側クラッド層19を成長させる際のバッファ層としても作用し、100オングストローム〜5μm、さらに好ましくは200オングストローム〜1μmの膜厚で成長させることにより、好ましい光ガイド層として作用する。このp側光ガイド層は通常はMg等のp型不純物をドープしてp型の導電型とするが、特に不純物をドープしなくても良い。なお、このp側光ガイド層を超格子層とすることもできる。超格子層とする場合には第1の層及び第2の層の少なくとも一方にp型不純物をドープしてもよいし、またアンドープでも良い。
【0061】
(p側クラッド層19=超格子層)
p側クラッド層19は、例えば、Mgを1×1020/cmドープしたp型Al0.2Ga0.8Nよりなり、例えば、20オングストロームの膜厚を有する第1の層と、例えばMgを1×1020/cmドープしたp型GaNよりなり、20オングストロームの膜厚を有する第2の層とが交互に積層された超格子層からなる。このp側クラッド層19は、n側クラッド層14と同じくキャリア閉じ込め層として作用し、特にp型層の抵抗率を低下させるための層として作用する。このp側クラッド層19の膜厚も特に限定しないが、100オングストローム以上、2μm以下、さらに好ましくは500オングストローム以上、1μm以下で形成することが望ましい。
【0062】
(p側コンタクト層20)
p側コンタクト層20は、p側クラッド層19の上に、例えば、Mgを2×1020/cmドープしたp型GaNよりなり、例えば、150オングストロームの膜厚を有する。このp側コンタクト層20はp型のInAlGa1−X−YN(0≦X、0≦Y、X+Y≦1)で構成することができ、好ましくは、上述のようにMgをドープしたGaNとすれば、p電極21と最も好ましいオーミック接触が得られる。さらにp側コンタクト層の膜厚を500オングストローム以下、さらに好ましくは300オングストローム以下、最も好ましくは200オングストローム以下に調整することが望ましい。なぜなら、上述したように抵抗率が数Ω・cm以上もあるp型窒化物半導体層の膜厚を500オングストローム以下に調整することにより、さらに抵抗率を低げることができるため、閾値での電流、電圧が低下する。またp型層から除去される水素の量を多くすることができ、さらに抵抗率を低下させることができる。
【0063】
なお、本発明では、p側コンタクト層20も超格子層とすることもできる。超格子層とする場合には、特にバンドギャップエネルギーが異なる第1の層と第2の層とを積層し、第1+第2+第1+第2+・・・というように積層していき、最後にバンドギャップエネルギーが小さい方の層が露出するようにすると、p電極21と好ましいオーミック接触が得られる。p電極21の材料としては、例えばNi、Pd、Ni/Au等を挙げることができる。
【0064】
また、本実施形態2では、図2に示すようにp電極21と、n電極23との間に露出した窒化物半導体層の表面にSiOよりなる絶縁膜25が形成され、この絶縁膜25に形成された開口部を介してp電極21と電気的に接続されたpパッド電極22、及びn電極23と接続されたnパッド電極24が形成される。このpパッド電極22は実質的なp電極21の表面積を広げて、p電極側をワイヤーボンディング、ダイボンディングできるようにし、一方nパッド電極24はn電極23の剥がれを防止する。
【0065】
以上の実施形態2の窒化物半導体素子は、第1の層、及び第2の層を弾性歪み限界以下の膜厚にして積層された超格子層である、結晶性のよいp型クラッド層19を備えている。これによって、本実施形態2の窒化物半導体素子は、p側クラッド層19の抵抗値を、超格子構造を有しないp側クラッド層に比較して1桁以上低くすることができるので、閾値電圧、電流を低くすることができる。
【0066】
また、本実施形態2の窒化物半導体素子ではp型AlGa1−YNを含むp側クラッド層19に接して、バンドギャップエネルギーの小さい窒化物半導体をp側コンタクト層20として、その膜厚を500オングストローム以下と薄く形成することにより、実質的にp側コンタクト層20のキャリア濃度が高くなりp電極と好ましいオーミックが得られて、素子の閾値電流、電圧を低くすることができる。さらに、n側コンタクト層を成長させる前に、第2のバッファ層112を備えているので、第2のバッファ層112の上に成長させる窒化物半導体層の結晶性が良くなり、長寿命の素子を実現できる。好ましくは、第2のバッファ層112の上に成長させるn側コンタクト層を超格子とすると、横方向の抵抗値が低くなり、閾値電圧・閾値電流の低い素子が実現できる。
【0067】
なお、本実施形態2のLD素子ではInGaNのような、少なくともインジウムを含む窒化物半導体を活性層16に備える場合には、InGa1−XNと、AlGa1−YNとが交互に積層された超格子層を、活性層16を挟設する層(n側クラッド層14及びp側クラッド層19)として用いることが好ましい。これによって、活性層16と該超格子層とのバンドギャップエネルギー差、屈折率差を大きくできるため、該超格子層をレーザ素子を実現する際に非常に優れた光閉じ込め層として動作させることができる。さらにInGaNは結晶の性質が他のAlGaNのようなAlを含む窒化物半導体に比べて柔らかいので、InGaNを活性層とすると、積層した各窒化物半導体層全体にクラックが入りにくくなる。これによって、LD素子の寿命を長くすることができる。
【0068】
本実施形態2のように量子井戸構造を有する活性層16を有するダブルヘテロ構造の半導体素子の場合、その活性層16に接して、活性層16よりもバンドギャップエネルギーが大きい膜厚0.1μm以下の窒化物半導体よりなるp側キャップ層17、好ましくはAlを含む窒化物半導体よりなるp側キャップ層17を設け、そのp側キャップ層17よりも活性層から離れた位置に、p側キャップ層17よりもバンドギャップエネルギーが小さいp側光ガイド層18を設け、そのp側光ガイド層18よりも活性層から離れた位置に、p側光ガイド層18よりもバンドギャップが大きい窒化物半導体、好ましくはAlを含む窒化物半導体を含む超格子構造を有するp側クラッド層19を設けることは非常に好ましい。しかもp側キャップ層17のバンドギャップエネルギーを大きくしてあるため、n層から注入された電子が、このp側キャップ層17で阻止されて閉じ込められ、電子が活性層をオーバーフローしないために、素子のリーク電流が少なくなる。
【0069】
以上の実施形態2の窒化物半導体素子では、レーザ素子の構造として好ましい構造を示したが、本発明ではn型の超格子層は活性層16から下のn型窒化物半導体層領域(n型層側)に少なくとも1層有していれば良く、またp型の超格子層も活性層16から上のp型窒化物半導体層領域(p型層側)に少なくとも1層有していれば良く、素子構成は特に規定するものではない。但し、前記超格子層はp層側に形成する場合はキャリア閉じ込め層としてのp側クラッド層19に形成し、n層側に形成する場合はn電極23が接した電流注入層としてのnコンタクト層12、またはキャリア閉じ込めとしてのnクラッド層14として形成することが素子のVf、閾値を低下させる上で最も好ましい傾向にある。また、実施形態2の素子と同様の構成を、LED素子に適用できることはいうまでもない(ただし、LED素子では、リッジ部は必要ない)。
【0070】
以上のように構成された実施形態2の窒化物半導体素子では、各層が形成された後、Hを含まない雰囲気、例えば、窒素雰囲気中で、400℃以上、例えば700℃でアニーリングを行うことが好ましく、これによって、p型窒化物半導体層領域の各層をさらに低抵抗化することができるので、これによって、さらに閾値電圧を低くすることができる。
【0071】
また、実施形態2の窒化物半導体素子では、p側コンタクト層12の表面にNiとAuよりなるp電極21がストライプ状に形成され、このp電極21に対して左右対称にn側コンタクト層を露出させて、そのn側コンタクト層表面のほぼ全面にn電極23を設けている。このように、絶縁性基板を用いた場合p電極21の両側に左右対称にn電極23を設ける構造は、閾値電圧を低くする上で非常に有利である。
【0072】
なお、本実施形態2では、リッジ部(ストライプ状の電極)に垂直な方向で劈開した劈開面(共振器面)にSiOとTiOよりなる誘電体多層膜を形成してもよい。
【0073】
このように、本発明において、超格子層は、活性層を挟設するn型領域又はp型領域に形成されるキャリア閉じ込め層としてのクラッド層、活性層の光ガイド層、若しくは電極が接して形成される電流注入層として用いられるため、超格子層を構成する窒化物半導体の平均バンドギャップエネルギーが活性層よりも大きくなるように調整することが望ましい。
【0074】
【実施例】
以下、実施例において本発明を詳説する。
[実施例1]
本発明に係る実施例1は図2に示す窒化物半導体素子(LD素子)の作成例であり、以下の手順で作製される。
まず、サファイア(C面)よりなる基板10を反応容器内にセットし、容器内を水素で十分置換した後、水素を流しながら、基板の温度を1050℃まで上昇させ、基板のクリーニングを行う。
続いて、温度を510℃まで下げ、キャリアガスに水素、原料ガスにアンモニア(NH)とTMG(トリメチルガリウム)とを用い、基板10上にGaNよりなる第1のバッファ層11を約200オングストロームの膜厚で成長させる。
【0075】
バッファ層11成長後、TMGのみ止めて、温度を1050℃まで上昇させる。1050℃になったら、同じく原料ガスにTMG、アンモニアガスを用い、キャリア濃度1×1018/cmのアンドープGaNよりなる第2のバッファ層112を5μmの膜厚で成長させる。第2のバッファ層はInAlGa1−X−YN(0≦X、0≦Y、X+Y≦1)で構成でき、その組成は特に問うものではないが、好ましくはアンドープでAl(Y値)が0.1以下のAlGa1−YN、最も好ましくはアンドープのGaNとする。
続いて、1050℃でTMG、アンモニア、不純物ガスにシランガス(SiH)を用い、Siを1×1019/cmドープしたn型GaNよりなるn側コンタクト層12を1μmの膜厚で成長させる。このn側コンタクト層12は超格子で形成するとさらに好ましい。
【0076】
次に、温度を800℃にして、原料ガスにTMG、TMI(トリメチルインジウム)、アンモニア、不純物ガスにシランガスを用い、Siを5×1018/cmドープしたIn0.1Ga0.9Nよりなるクラック防止層13を500オングストロームの膜厚で成長させる。
そして温度を1050℃にして、TMA、TMG、アンモニア、シランガスを用い、Siを5×1018/cmドープしたn型Al0.2Ga0.8Nよりなる第1の層を20オングストロームの膜厚で成長させ、続いて、TMA、シランを止め、アンドープGaNよりなる第2の層を20オングストロームの膜厚で成長させる。そして、この操作をそれぞれ100回繰り返し、総膜厚0.4μmの超格子層よりなるn側クラッド層14を成長させる。
【0077】
続いて、1050℃でSiを5×1018/cmドープしたn型GaNよりなるn側光ガイド層15を0.1μmの膜厚で成長させる。
次に、TMG、TMI、アンモニア、シランを用いて活性層16を成長させる。活性層16は温度を800℃に保持して、まずSiを8×1018/cmでドープしたIn0.2Ga0.8Nよりなる井戸層を25オングストロームの膜厚で成長させる。次にTMIのモル比を変化させるのみで同一温度で、Siを8×1018/cmドープしたIn0.01Ga0.99Nよりなる障壁層を50オングストロームの膜厚で成長させる。この操作を2回繰り返し、最後に井戸層を積層した総膜厚175オングストロームの多重量子井戸構造(MQW)の活性層16を成長させる。
【0078】
次に、温度を1050℃に上げ、原料ガスにTMG、TMA、アンモニア、不純物ガスにCpMg(シクロペンタジエニルマグネシウム)を用い、活性層よりもバンドギャップエネルギーが大きく、Mgを1×1020/cmドープしたp型Al0.3Ga0.7Nよりなるp側キャップ層17を300オングストロームの膜厚で成長させる。
続いて、1050℃で、バンドギャップエネルギーがp側キャップ層17よりも小さい、Mgを1×1020/cmドープしたp型GaNよりなるp側光ガイド層18を0.1μmの膜厚で成長させる。
【0079】
続いて、TMA、TMG、アンモニア、CpMgを用い、1050℃でMgを1×1020/cmドープしたp型Al0.2Ga0.8Nよりなる第1の層を20オングストロームの膜厚で成長させ、続いてTMAのみを止め、Mgを1×1020/cmドープしたp型GaNよりなる第2の層を20オングストロームの膜厚で成長させる。そしてこの操作をそれぞれ100回繰り返し、総膜厚0.4μmの超格子層よりなるp側クラッド層19を形成する。
最後に、1050℃で、p側クラッド層19の上に、Mgを2×1020/cmドープしたp型GaNよりなるp側コンタクト層20を150オングストロームの膜厚で成長させる。
【0080】
反応終了後、温度を室温まで下げ、さらに窒素雰囲気中、ウェーハを反応容器内において、700℃でアニーリングを行い、p型層をさらに低抵抗化する。
アニーリング後、ウェーハを反応容器から取り出し、図2に示すように、RIE装置により最上層のp側コンタクト層20と、p側クラッド層19とをエッチングして、4μmのストライプ幅を有するリッジ形状とする。
【0081】
次にリッジ表面にマスクを形成し、図2に示すように、ストライプ状のリッジに対して左右対称にして、n側コンタクト層12の表面を露出させる。
次にp側コンタクト層20のストライプリッジ最表面のほぼ全面にNiとAuよりなるp電極21を形成する。一方、TiとAlよりなるn電極23をストライプ状のn側コンタクト層3のほぼ全面に形成する。
【0082】
次に、図2に示すようにp電極21と、n電極23との間に露出した窒化物半導体層の表面にSiOよりなる絶縁膜25を形成し、この絶縁膜25を介してp電極21と電気的に接続したpパッド電極22、及びnパッド電極24を形成する。
以上のようにして、n電極とp電極とを形成したウェーハを研磨装置に移送し、ダイヤモンド研磨剤を用いて、窒化物半導体を形成していない側のサファイア基板1をラッピングし、基板の厚さを50μmとする。ラッピング後、さらに細かい研磨剤で1μmポリシングして基板表面を鏡面状とする。
【0083】
基板研磨後、研磨面側をスクライブして、ストライプ状の電極に垂直な方向でバー状に劈開し、劈開面に共振器を作製する。共振器面にSiOとTiOよりなる誘電体多層膜を形成し、最後にp電極に平行な方向で、バーを切断してレーザチップとした。次にチップをフェースアップ(基板とヒートシンクとが対向した状態)でヒートシンクに設置し、それぞれの電極をワイヤーボンディングして、室温でレーザ発振を試みたところ、室温において、閾値電流密度2.9kA/cm、閾値電圧4.4Vで、発振波長405nmの連続発振が確認され、50時間以上の寿命を示した。
【0084】
(比較例1)
一方、第2のバッファ層112を成長させず、さらにn側コンタクト層12をSiを1×1019/cmドープしたn型GaN単一で5μm成長させ、n側クラッド層14をSiを1×1019/cmドープしたn型Al0.2Ga0.8N単一で0.4μm成長させ、p側クラッド層19をMgを1×1020/mドープしたp型Al0.2Ga0.8N単一で0.4μm成長させ、さらにp側コンタクト層20をMgを2×1020/cmドープした単一のp型GaNを0.2μm成長させる他は実施例1と同様にしてレーザ素子を得た。つまり基本構成として、表1に示すように構成する。
【0085】
【表1】
【0086】
このように構成した比較例のレーザ素子は、閾値電流密度7kA/cmで連続発振が確認されたが、閾値電圧は8.0V以上あり、数分で切れてしまった。
【0087】
[実施例2]
実施例1において、n側コンタクト層12を、Siを2×1019/cmドープしたn型Al0.05Ga0.95Nよりなる第1の層を30オングストロームの膜厚で成長させ、続いて、アンドープのGaNよりなる第2の層を30オングストロームの膜厚で成長させて、これを繰り返し、総膜厚1.2μmの超格子構造とする。それ以外の構造は実施例1と同様の構造を有するレーザ素子としたところ、閾値電流密度2.7kA/cm、閾値電圧4.2Vで、寿命も60時間以上を示した。
【0088】
[実施例3]
実施例2において、n側コンタクト層12を構成する超格子において、第2の層をSiを1×1018/cmドープしたGaNとする他は、実施例2と同様の構造を有するレーザ素子を作製したところ、実施例2とほぼ同等の特性を有するレーザ素子が得られた。
【0089】
[実施例4]
実施例1において、第2のバッファ層112を、Siを1×1017/cmドープしたGaNとして、4μm成長させる他は、実施例1と同様の構造を有するレーザ素子を作製したところ、閾値電流密度2.9kA/cm、閾値電圧4.5Vに上昇したが、寿命は50時間以上を示した。
【0090】
[実施例5]
実施例1において、n側コンタクト層12を、Siを2×1019/cmドープしたn型Al0.2Ga0.8Nよりなる第1の層を60オングストロームの膜厚で成長させ、続いて、Siを1×1019/cmドープしたGaNよりなる第2の層を40オングストロームの膜厚で成長させて、順次これを繰り返し、総膜厚2μmの超格子構造とする。そして、n側クラッド層14をSiを1×1019/cmドープしたn型Al0.2Ga0.8N単一で0.4μm成長させる。それ以外の構造は実施例1と同様の構造を有するレーザ素子としたところ、閾値電流密度3.2kA/cm、閾値電圧4.8Vで、寿命も30時間以上を示した。
【0091】
[実施例6]
実施例6は、実施例1と比較して、以下の(1)、(2)が異なる他は、実施例1と同様に構成される。
(1)バッファ層11成長後、TMGのみ止めて、温度を1050℃まで上昇させる。1050℃になったら、原料ガスにTMA、TMG、アンモニア、シランを用い、Siを1×1019/cmドープしたn型Al0.2Ga0.8Nよりなる第1の層を60オングストロームの膜厚で成長させ、続いて、シラン、TMAを止めアンドープのGaNよりなる第2の層を40オングストロームの膜厚で成長させる。そして第1層+第2層+第1層+第2層+・・・というように超格子層を構成し、それぞれ第1の層を500層、第2の層を500層交互に積層し、総膜厚5μmの超格子よりなるn側コンタクト層12を形成する。
(2)次に、実施例1と同様にして、Siを5×1018/cmドープしたIn0.1Ga0.9Nよりなるクラック防止層13を500オングストロームの膜厚で成長させる。
そして、温度を1050℃にして、TMA、TMG、アンモニア、シランを用い、Siを5×1018/cmドープしたn型Al0.2Ga0.8Nよりなるn側クラッド層14を0.5μmの膜厚で成長させる。
後の、n側クラッド層14から上は、実施例1のレーザ素子と同様の構造を有するレーザ素子とする。つまり表1の基本構造において、n側コンタクト層12、及びp側クラッド層19を超格子とし、p側コンタクト層20の膜厚を実施例1のように150オングストロームとするレーザ素子を作製する。このレーザ素子は閾値電流密度3.2kA/cm、閾値電圧4.8Vで、405nmの連続発振が確認され、寿命も30時間以上を示した。
【0092】
さらに、実施例6の構造のLD素子のp側コンタクト層の膜厚を順次変更した際、そのp側コンタクト層の膜厚と、LD素子の閾値電圧との関係を図3に示す。これはp側コンタクト層が、左から順にA(10オングストローム以下)、B(10オングストローム)、C(30オングストローム)、D(150オングストローム、本実施例)、E(500オングストローム)、F(0.2μm)、G(0.5μm)、H(0.8μm)の場合の閾値電圧を示している。この図に示すように、p側コンタクト層の膜厚が500オングストロームを超えると閾値電圧が次第に上昇する傾向にある。p側コンタクト層20の膜厚は500オングストローム以下、さらに好ましくは300オングストローム以下であることが望ましい。なお10オングストローム以下(およそ1原子層、2原子層近く)になると、下部のp側クラッド層19の表面が露出してくるため、p電極のコンタクト抵抗が悪くなり、閾値電圧は上昇する傾向にある。しかしながら、本発明のLD素子では超格子層を有しているために、閾値電圧が比較例のものに比べて大幅に低下している。
【0093】
(比較例2)
表1の構成のレーザ素子において、n側クラッド層14をSiを1×1019/cmドープしたn型Al0.2Ga0.8Nよりなる第1の層を180オングストロームの膜厚で成長させ、続いてアンドープのGaNよりなる第2の層を120オングストロームの膜厚で成長させ、総膜厚0.6μmの多層膜とする。つまり第1の層と第2の層の膜厚を厚くした構造で構成してレーザ素子を作製したところ、閾値電流密度6.5kA/cmで連続発振が確認され、閾値電圧が7.5Vであった。なおこのレーザ素子は数分で切れてしまった。
【0094】
[実施例7]
実施例6において、p側クラッド層19をMgを1×1020/cmドープしたAl0.2Ga0.8N、60オングストロームよりなる第1の層と、Mgを1×1020/cmドープしたp型GaN、40オングストロームよりなる第2の層とを積層した総膜厚0.5μmの超格子構造とする他は実施例6と同様のレーザ素子を作製する。つまり、実施例6のp側クラッド層19を構成する超格子層の膜厚を変える他は同様にしてレーザ素子を作製したところ、閾値電圧が実施例6のレーザ素子に比較して若干上昇する傾向にあったが、20時間以上の寿命を示した。
【0095】
[実施例8]
実施例7において、さらにn側クラッド層14をSiを1×1019/cmドープしたn型Al0.2Ga0.8N、60オングストロームよりなる第1の層と、Siを1×1019/cmドープしたn型GaN、40オングストロームよりなる第2の層とを積層した総膜厚0.5μmの超格子構造とする他は実施例7と同様のレーザ素子を作製する。つまり、実施例6のn側コンタクト層12、p側クラッド層19に加えてn側クラッド層を超格子としたレーザ素子は、実施例6とほぼ同等の特性を有していた。
【0096】
[実施例9]
実施例1において、第2のバッファ層112を成長させずに、表1に示すように、第1のバッファ層11の上に、直接n側コンタクト層12としてSiを1×1019/cmドープしたn型GaN層を5μm成長させる。その他は、実施例1と同様の構造を有するレーザ素子とする。つまり、表1の基本構造において、n側クラッド層14を20オングストロームのSi(1×1019/cm)ドープn型Al0.2Ga0.8Nよりなる第1の層と、20オングストロームのアンドープGaNよりなる第2の層とを積層してなる総膜厚0.4μmの超格子構造とする。さらにp側クラッド層19を20オングストロームのMg(1×1020/cm)ドープp型Al0.2Ga0.8Nよりなる第1の層と、20オングストロームのMg(1×1020/cm)ドープp型GaNよりなる第2の層とを積層してなる総膜厚0.4μmの超格子構造とする。さらにまたp側コンタクト層20を実施例1のように150オングストロームのMg(2×1020/cm)ドープp型GaNとしたところ、閾値電流密度3.3kA/cmで、405nmの連続発振が確認され、閾値電圧は5.0V、寿命も30時間以上を示した。
【0097】
[実施例10]
実施例9において、n側クラッド層14の超格子を構成する第2の層を、Siを1×1017/cmドープしたGaNとする他は、実施例9と同様のレーザ素子を作製する。つまりバンドギャップエネルギーの大きい方の層に、Siを多くドープする他は、実施例9と同様にして作製したレーザ素子は、実施例9とほぼ同等の特性を示した。
【0098】
[実施例11]
実施例9において、n側クラッド層14を構成する第2の層を、Siを1×1019/cmドープしたn型In0.01Ga0.99Nとする他は同様にしてレーザ素子を作製する。つまりn側クラッド層14の超格子を構成する第2の層の組成をInGaNとし、第1の層と第2の層との不純物濃度を同じにする他は、実施例9と同様にして作製したレーザ素子は、実施例9とほぼ同等の特性を示した。
【0099】
[実施例12]
実施例9において、n側クラッド層14を構成する第1の層(Si:1×1019/cmドープAl0.2Ga0.8N)の膜厚を60オングストロームとし、第2の層をSiを1×1019/cmドープした40オングストロームのGaNとし、総膜厚0.5μmの超格子構造とする。さらにp側クラッド層19を構成する第1の層(Mg:1×1020/cmドープAl0.2Ga0.8N)の膜厚を60オングストロームとし、第2の層(Mg:1×1020/cmドープ:GaN)の膜厚を40オングストロームとし、総膜厚0.5μmの超格子構造とする。つまりn側クラッド層14を構成する第1の層と第2の層のドープ量を同じにして、膜厚を変化させ、p側クラッド層19を構成する第1の層と第2の層との膜厚を変化させる他は、実施例9と同様にしてレーザ素子を作製したところ、閾値電流密度3.4kA/cmで、405nmの連続発振が確認され、閾値電圧は5.2V、寿命も20時間以上を示した。
【0100】
[実施例13]
実施例11において、n側クラッド層14を構成する第2の層(GaN)のSi濃度を1×1017/cmとする他は実施例11と同様の構造を有するレーザ素子を作製したところ、実施例11とほぼ同等の特性を有するレーザ素子が作製できた。
【0101】
[実施例14]
実施例11において、n側クラッド層14を構成する第2の層(GaN)をアンドープとする他は実施例11と同様の構造を有するレーザ素子を作製したところ、実施例11とほぼ同等の特性を有するレーザ素子が作製できた。
【0102】
[実施例15]
実施例9において、n側クラッド層14をSiを1×1019/cmドープしたn型Al0.2Ga0.8N単一で0.4μm成長させる他は同様にしてレーザ素子を作製する。つまり、表1の基本構造において、p側クラッド層19のみを実施例1のようにMgを1×1020/cmドープしたp型Al0.2Ga0.8Nよりなる第1の層、20オングストロームと、Mgを1×1019/cmドープしたp型GaNよりなる第2の層20オングストロームとからなる総膜厚0.4μmの超格子構造とし、さらに、p側コンタクト層20を実施例1のように150オングストロームのMg(2×1020/cm)ドープp型GaNとしたところ、同じく閾値電流密度3.4kA/cmで、405nmの連続発振が確認され、閾値電圧は5.1V、寿命は20時間以上を示した。
【0103】
[実施例16]
実施例15において、p側クラッド層19を構成する超格子層の膜厚を第1の層(Al0.2Ga0.8N)を60オングストロームとし、第2の層(GaN)を40オングストロームとして積層し、総膜厚0.5μmとする他は実施例14と同様のレーザ素子を得たところ、閾値電圧は若干上昇する傾向にあったが、寿命は20時間以上あった。
【0104】
[実施例17]
実施例9において、p側クラッド層19をMgを1×1020/cmドープしたp型Al0.2Ga0.8N単一で0.4μm成長させる他は同様にしてレーザ素子を作製する。つまり、表1の基本構造において、n側クラッド層14のみを実施例1のようにSiを1×1019/cmドープしたn型Al0.2Ga0.8Nよりなる第1の層、20オングストロームと、アンドープのGaNよりなる第2の層20オングストロームとからなる総膜厚0.4μmの超格子構造とし、さらに、p側コンタクト層20を実施例1のように150オングストロームのMg(2×1020/cm)ドープp型GaNとしたところ、同じく閾値電流密度3.5kA/cmで、405nmの連続発振が確認され、閾値電圧は5.4V、寿命は10時間以上を示した。
【0105】
[実施例18]
実施例17において、n側クラッド層14を構成する超格子層の膜厚を第1の層(Al0.2Ga0.8N)を70オングストロームとし、第2の層をSiを1×1019/cmドープしたIn0.01Ga0.99N、70オングストロームとして積層し、総膜厚0.49μmとする他は実施例17と同様のレーザ素子を得たところ、実施例16に比べて閾値電圧が若干上昇する傾向にあったが、同じく10時間以上の寿命を有するレーザ素子が得られた。
【0106】
[実施例19]
実施例17において、n側クラッド層14を構成する超格子層の膜厚を第1の層(Al0.2Ga0.8N)を60オングストロームとし、第2の層(アンドープGaN)を40オングストロームとして積層し、総膜厚0.5μmとする他は実施例16と同様のレーザ素子を得たところ、実施例17に比べて閾値電圧が若干上昇する傾向にあったが、同じく10時間以上の寿命を有するレーザ素子が得られた。
【0107】
[実施例20]
実施例9において、さらにn側光ガイド層15をアンドープのGaNよりなる第1の層、20オングストロームと、アンドープのIn0.1Ga0.9Nよりなる第2の層、20とを積層してなる総膜厚800オングストロームの超格子層とする。それに加えて、p側光ガイド層18もアンドープのGaNよりなる第1の層、20オングストロームと、アンドープのIn0.1Ga0.9Nよりなる第2の層、20オングストロームとを積層してなる総膜厚800オングストロームの超格子構造とする。つまり、表1の基本構造において、n側クラッド層14、n側光ガイド層15、p側光ガイド層18、及びp側クラッド層19とを超格子構造とし、さらにまたp側コンタクト層20を実施例1のように150オングストロームのMg(2×1020/cm)ドープp型GaNとしたところ、閾値電流密度2.9kA/cmで、405nmの連続発振が確認され、閾値電圧は4.4V、寿命も60時間以上を示した。
【0108】
[実施例21]
本実施例は図1のLED素子を元に説明する。実施例1と同様にしてサファイアよりなる基板1の上にGaNよりなるバッファ層2を200オングストロームの膜厚で成長させ、次いでSiを1×1019/cmドープしたn型GaNよりなるコンタクト層を5μmの膜厚で成長させ、次にIn0.4Ga0.6Nよりなる膜厚30オングストロームの単一量子井戸構造よりなる活性層4を成長させる。
【0109】
(p側超格子層)
次に、実施例1と同様にして、Mgを1×1020/cmドープしたp型Al0.2Ga0.8Nよりなる第1の層を20オングストロームの膜厚で成長させ、続いてMgを1×1019/cmドープしたp型GaNよりなる第2の層を20オングストロームの膜厚で成長させ、総膜厚0.4μmの超格子よりなるp側クラッド層5を成長させる。このp側クラッド層4の膜厚も特に限定しないが、100オングストローム以上、2μm以下、さらに好ましくは500オングストローム以上、1μm以下で成長させることが望ましい。
【0110】
次にこのp側クラッド層5の上にMgを1×1020/cmドープしたp型GaN層を0.5μmの膜厚で成長させる。成長後、ウェーハを反応容器から取り出し実施例1と同様にして、アニーリングを行った後、p側コンタクト層6側からエッチングを行いn電極9を形成すべきn側コンタクト層3の表面を露出させる。最上層のp側コンタクト層6のほぼ全面に膜厚200オングストロームのNi−Auよりなる透光性のp電極7を形成し、その全面電極7の上にAuよりなるpパッド電極8を形成する。露出したn側コンタクト層の表面にもTi−Alよりなるn電極9を形成する。
【0111】
以上のようにして電極を形成したウェーハを350μm角のチップに分離してLED素子としたところ、If20mAにおいて520nmの緑色発光を示し、Vfは3.2Vであった。これに対し、p側クラッド層5を単一のMgドープAl0.2Ga0.8Nで構成したLED素子のVfは3.4Vであった。さらに静電耐圧は本実施例の方が2倍以上の静電耐圧を有していた。
【0112】
[実施例22]
実施例21において、p側クラッド層5を構成する超格子層を、第1の層の膜厚を50オングストロームとし、第2の層をMgを1×1020/cmドープしたGaN、50オングストロームとして、それぞれ25層積層し、総膜厚0.25μmの超格子とする他は同様にしてLED素子を作成したところ、実施例21とほぼ同等の特性を有するLED素子が得られた。
【0113】
[実施例23]
実施例21において、p側クラッド層5を構成する超格子層の厚さを、第1の層100オングストローム、第2の層を70オングストロームの膜厚として、総膜厚0.25μmの超格子とする他は同様にしてLED素子を作成したところ、Vfは3.4Vであったが、静電耐圧は従来のものよりも20%以上優れていた。
【0114】
[実施例24]
実施例21において、n側コンタクト層3を成長させる際、Siを2×1019/cmドープしたn型Al0.2Ga0.8Nよりなる第1の層を60オングストローム、アンドープのGaNよりなる第2の層を40オングストロームの膜厚で成長させ、それぞれ第1の層を500層、第2の層を500層交互に積層し、総膜厚5μmの超格子とする。その他は実施例12と同様にしてLED素子を作製したところ、同じくIf20mAにおいて、Vfは3.1Vに低下し、静電耐圧は従来に比較比較して2.5倍以上に向上した。
【0115】
[実施例25]
実施例23において、p側クラッド層5を構成する超格子の第1の層(Al0.2Ga0.8N)の膜厚を60オングストロームとし、第2の層の膜厚を40オングストロームとして、それぞれ25層交互に積層して、総膜厚0.3μmとする他は同様の構造を有するLED素子を作製したところ、Vfは3.2Vで、静電耐圧は従来の2倍以上であった。
【0116】
[実施例26]
本実施例は図4に示すレーザ素子を基に説明する。図4も、図2と同様にレーザ光の共振方向に垂直な方向で素子を切断した際の断面図であるが、図2と異なるところは、基板10にGaNよりなる基板101を用いているところと、第2のバッファ層112を成長させずに、n型不純物をドープした第3のバッファ層113を成長させているところにある。この図4に示すレーザ素子は以下の方法によって得られる。
【0117】
まずサファイア基板上にMOVPE法、若しくはHVPE法を用いて、Siを5×1018/cmドープしたGaN層を厚さ300μmで成長させた後、サファイア基板を除去して厚さ300μmのSiドープGaN基板101を作製する。GaN基板101は、このように窒化物半導体と異なる基板の上に、例えば100μm以上の膜厚で成長させた後、その異種基板を除去することによって得られる。GaN基板101はアンドープでも良いし、またn型不純物をドープして作製しても良い。n型不純物をドープする場合には通常1×1017/cm〜1×1019/cmの範囲で不純物をドープすると結晶性の良いGaN基板が得られる。
【0118】
GaN基板101作製後、温度を1050℃にして、Siを3×1018/cmドープしたn型GaNよりなる第3のバッファ層113を3μmの膜厚で成長させる。なお第3のバッファ層113は図1、図2においてn側コンタクト層14に相当する層であるが、電極を形成する層ではないので、ここではコンタクト層とは言わず、第3のバッファ層113という。なおGaN基板101と第3のバッファ層113との間に、実施例1と同様にして低温で成長させる第1のバッファ層を成長させても良いが、第1のバッファ層を成長させる場合には、300オングストローム以下にすることが望ましい。
【0119】
次に第3のバッファ層113の上に、実施例1と同様にSiを5×1018/cmドープしたIn0.1Ga0.9Nよりなるクラック防止層13を500オングストロームの膜厚で成長させる。
次に、Siを5×1018/cmドープしたn型Al0.2Ga0.8Nよりなる第1の層、20オングストロームと、Siを5×1018/cmドープしたGaNよりなる第2の層20オングストロームとを100回交互に積層した、総膜厚0.4μmの超格子層よりなるn側クラッド層14を成長させる。
次に実施例1と同様に、Siを5×1018/cmドープしたn型GaNよりなるn側光ガイド層15を0.1μmの膜厚で成長させる。
【0120】
次に、アンドープ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GaNよりなる障壁層50オングストロームとを成長させ、交互に2回繰り返し、最後に井戸層を積層した総膜厚175オングストロームの多重量子井戸構造(MQW)の活性層16を成長させる。
【0121】
次に、実施例1と同様に、Mgを1×1020/cmドープしたp型Al0.3Ga0.7Nよりなるp側キャップ層17を300オングストロームの膜厚で成長させ、Mgを1×1020/cmドープしたp型GaNよりなるp側光ガイド層18を0.1μmの膜厚で成長させる。
【0122】
次に実施例1と同様にして、Mgを1×1020/cmドープしたp型Al0.2Ga0.8Nよりなる第1の層、20オングストロームと、Mgを1×1020/cmドープしたp型GaNよりなる第2の層、20オングストロームよりなる、総膜厚0.4μmの超格子層よりなるp側クラッド層19を形成し、最後に、p側クラッド層19の上に、Mgを2×1020/cmドープしたp型GaNよりなるp側コンタクト層20を150オングストロームの膜厚で成長させる。
【0123】
反応終了後、700℃でアニーリングした後、実施例1と同様に、RIE装置により最上層のp側コンタクト層20と、p側クラッド層19とをエッチングして、4μmのストライプ幅を有するリッジ形状とする。
【0124】
次に、実施例1と同じくp側コンタクト層20のストライプリッジ最表面のほぼ全面にNiとAuよりなるp電極21を形成し、GaN基板101の裏面のほぼ全面に、TiとAlよりなるn電極23を形成する。
【0125】
次に、図4に示すようにp電極21の面積を除く、p側クラッド層19のSiOよりなる絶縁膜25を形成し、この絶縁膜25を介して、p電極21と電気的に接続したpパッド電極22を形成する。
【0126】
電極形成後、p電極21に垂直な方向でGaN基板101をバー状に劈開し、劈開面に共振器を作製する。なおGaN基板の劈開面はM面とする。劈開面にSiOとTiOよりなる誘電体多層膜を形成し、最後にp電極に平行な方向で、バーを切断して図4に示すレーザチップとした。次にチップをフェースアップ(基板とヒートシンクとが対向した状態)でヒートシンクに設置し、pパッド電極22をワイヤーボンディングして、室温でレーザ発振を試みたところ、室温において、閾値電流密度2.5kA/cm、閾値電圧4.0Vで、発振波長405nmの連続発振が確認され、500時間以上の寿命を示した。これは基板にGaNを使用したことにより、結晶欠陥の広がりが少なくなったことによる。
【0127】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係る窒化物半導体素子は、活性層以外のp型窒化物半導体領域又はn型窒化物半導体領域において、超格子層を用いて構成しているので、電力効率を極めて良くすることができる。
すなわち、従来の窒化物半導体素子では、活性層を多重量子井戸構造とすることは提案されていたが、活性層を挟む、例えばクラッド層等は単一の窒化物半導体層で構成されているのが通常であった。しかし、本発明の窒化物半導体素子では量子効果が出現するような層を有する超格子層をクラッド層、若しくは電流を注入するコンタクト層として設けているため、クラッド層側の抵抗率を低くすることができる。これによって、例えばLD素子の閾値電流、閾値電圧を低くでき、該素子を長寿命とすることができる。さらに従来のLEDは静電気に弱かったが、本発明では静電耐圧に強い素子を実現できる。このようにVf、閾値電圧が低くできるので、発熱量も少なくなり、該素子の信頼性も向上させることができる。本発明の窒化物半導体素子によれば、LED、LD等の発光素子はもちろんのこと、窒化物半導体を用いた太陽電池、光センサー、トランジスタ等に利用すると非常の効率の高いデバイスを実現することが可能となりその産業上の利用価値は非常に大きい。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明に係る実施形態1の窒化物半導体素子(LED素子)の構成を示す模式断面図である。
【図2】 本発明に係る実施形態2の窒化物半導体素子(LD素子)の構成を示す模式断面図である。
【図3】 本発明に係る実施例1のLD素子におけるp側コンタクト層の膜厚と、閾値電圧との関係を示すグラフである。
【図4】 本発明に係る実施例26のLD素子の模式断面図である。
【符号の説明】
1、10・・・・基板、
2、11・・・・バッファ層、
3、12・・・・n側コンタクト層、
13・・・・クラック防止層、
14・・・・n側クラッド層(超格子層)、
15・・・・n側光ガイド層、
4、16・・・・活性層、
17・・・・キャップ層、
18・・・・p側光ガイド層、
5、19・・・・p側クラッド層(超格子層)、
6、20・・・・p側コンタクト層、
7、21・・・・p電極、
8、22・・・・pパッド電極、
9、23・・・・n電極、
24・・・・nパッド電極、
25・・・・絶縁膜、
101・・・・GaN基板、
112・・・・第2のバッファ層、
113・・・・第3のバッファ層。

Claims (5)

  1. 基板上に、バッファ層と、表面に電極が形成されるn側コンタクト層を含む1又は多層のn型窒化物半導体層と、活性層と、1又は多層のp型窒化物半導体層とを有する窒化物半導体素子において、
    前記バッファ層と前記n側コンタクト層の間に、前記n側コンタクト層に比較して不純物濃度が低い窒化物半導体からなる第2のバッファ層を有し、該第2のバッファ層上に直接前記n側コンタクト層が0.2μm以上、4μm以下の膜厚で形成されており、
    前記バッファ層はGaNよりなり、
    前記第2のバッファ層は、窒化物半導体からなる第1の層と、該第1の層と組成が異なる窒化物半導体からなる第2の層とが積層された超格子層であり、前記第1の層及び前記第2の層の内の少なくとも一方に、該層の導電型をn型に設定する不純物がドープされており、前記第1の層及び前記第2の層の前記不純物の濃度が互いに異なることを特徴とする窒化物半導体素子。
  2. 前記第2のバッファ層が前記バッファ層より厚い請求項1に記載の窒化物半導体素子。
  3. 前記第2のバッファ層の膜厚が0.1μm以上、20μm以下である請求項1又は2に記載の窒化物半導体素子。
  4. 前記第1の層及び第2の層は、膜厚100オングストローム以下である請求項1乃至3のうちのいずれか1項に記載の窒化物半導体素子。
  5. 前記第2のバッファ層はInAlGa1−X−YN(0≦X、0≦Y、X+Y≦1)で構成される請求項1乃至4のうちのいずれか1項に記載の窒化物半導体素子。
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