JP4718852B2 - Nitride semiconductor device and manufacturing method thereof - Google Patents

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本発明は、青色発光ダイオードや青紫色レーザダイオード等に用いられるIII族窒化物を用いた半導体装置及びその製造方法に関するものである。   The present invention relates to a semiconductor device using a group III nitride used for a blue light emitting diode, a blue-violet laser diode, and the like, and a method for manufacturing the same.

III族窒化物半導体は、例えばガリウムナイトライド(GaN)でバンドギャップが3.4keV(室温)であるなど非常に大きなバンドギャップを有することから、青色から紫外にわたる広範囲で可視域発光が実現できる材料として有望な材料である。実際に青色光から紫外光までを発する半導体レーザやLEDが実現し、市販されるに到っている。このような窒化物半導体を用いた光デバイスを形成する上で重要な技術として、デバイスに流れる電流を狭窄する技術や、電極間の絶縁を行うための絶縁膜を形成する技術が挙げられる。一般に、デバイスに流れる電流を阻止する絶縁膜として、高周波スパッタ法、CVD(Chemical Vapor Deposition)法あるいは、蒸着法によって形成された酸化珪素(SiO)膜や窒化珪素(SiN)膜などの誘電体膜が使用されている。このような絶縁膜を形成する技術やデバイスに流れる電流を狭窄する技術を含め、デバイス特性を向上させるための技術の研究開発が活発に行われている(例えば、非特許文献1)。 Group III nitride semiconductors have a very large band gap, such as gallium nitride (GaN) and a band gap of 3.4 keV (room temperature). Therefore, a material capable of realizing visible light emission over a wide range from blue to ultraviolet. As a promising material. Semiconductor lasers and LEDs that actually emit blue light to ultraviolet light have been realized and are commercially available. As an important technique for forming an optical device using such a nitride semiconductor, there are a technique for narrowing a current flowing through the device and a technique for forming an insulating film for insulating between electrodes. In general, a dielectric such as a silicon oxide (SiO 2 ) film or a silicon nitride (SiN) film formed by a high-frequency sputtering method, a CVD (Chemical Vapor Deposition) method, or a vapor deposition method as an insulating film that blocks a current flowing through the device A membrane is used. Research and development of techniques for improving device characteristics including the technique for forming such an insulating film and the technique for constricting the current flowing through the device are being actively conducted (for example, Non-Patent Document 1).

図11は、面発光レーザとして機能する、従来の半導体発光装置の一例を示す断面図である。同図に示す従来の面発光レーザは、サファイア基板1101と、サファイア基板1101の主面上に下から順に堆積された低温バッファ層、窒化物半導体ミラー1102、n型クラッド層1103、活性層1104およびp型クラッド層1105とを備えている。低温バッファ層はAlNあるいはGaNからなり、窒化物半導体ミラー1102はAlN/GaNの多層膜からなる。n型クラッド層1103は厚さ0.5μmのAlGaNからなり、活性層1104はInGaN/InGaNの多層膜で構成される。そして、p型クラッド層1105は、厚さ0.5μmのGaNからなっている。   FIG. 11 is a cross-sectional view showing an example of a conventional semiconductor light emitting device that functions as a surface emitting laser. The conventional surface emitting laser shown in FIG. 1 includes a sapphire substrate 1101, a low-temperature buffer layer, a nitride semiconductor mirror 1102, an n-type cladding layer 1103, an active layer 1104, and a p-type cladding layer 1105. The low temperature buffer layer is made of AlN or GaN, and the nitride semiconductor mirror 1102 is made of a multilayer film of AlN / GaN. The n-type cladding layer 1103 is made of AlGaN having a thickness of 0.5 μm, and the active layer 1104 is formed of a multilayer film of InGaN / InGaN. The p-type cladding layer 1105 is made of GaN having a thickness of 0.5 μm.

また、従来の面発光レーザは、n型クラッド層の上であって活性層1104およびp型クラッド層1105の側面上に設けられたSiNやSiOからなる絶縁膜1106と、p型クラッド層1105上に設けられた透明電極1107と、透明電極1107に接するように絶縁膜1106上に設けられたp型電極1108と、p型電極1108上に設けられた電極パッド1109と、n型クラッド層1103上に設けられたn型電極1110と、n型電極1110上に設けられた電極パッド1111とをさらに備えている。 In addition, the conventional surface emitting laser includes an insulating film 1106 made of SiN or SiO 2 provided on the side surfaces of the active layer 1104 and the p-type cladding layer 1105 on the n-type cladding layer, and the p-type cladding layer 1105. Transparent electrode 1107 provided on top, p-type electrode 1108 provided on insulating film 1106 so as to be in contact with transparent electrode 1107, electrode pad 1109 provided on p-type electrode 1108, and n-type cladding layer 1103 An n-type electrode 1110 provided on the upper surface and an electrode pad 1111 provided on the n-type electrode 1110 are further provided.

また、n型クラッド層1103、活性層1104およびp型クラッド層1105はドライエッチングによってメサ状に形成されている。透明電極1107の直上には、誘電体の多層膜からなる反射膜1112が形成されている。   The n-type cladding layer 1103, the active layer 1104, and the p-type cladding layer 1105 are formed in a mesa shape by dry etching. A reflective film 1112 made of a dielectric multilayer film is formed immediately above the transparent electrode 1107.

n型クラッド層1103の上部、活性層1104およびp型クラッド層1105で形成されたメサの側壁に設けられた上述の絶縁膜1106は、レーザ装置に流れる電流が活性層1104に集中するように設けられたものであり、スパッタ法やp−CVD法を用いて形成される。エッチングによって形成されるn型クラッド層1103の上部、p型クラッド層1105および活性層1104の直径はともに5μm程度であり、ほぼ同じ大きさに形成されている。   The above-described insulating film 1106 provided on the n-type cladding layer 1103, the side wall of the mesa formed by the active layer 1104 and the p-type cladding layer 1105 is provided so that the current flowing through the laser device is concentrated on the active layer 1104. It is formed using a sputtering method or a p-CVD method. The diameters of the upper portion of the n-type clad layer 1103 formed by etching, the p-type clad layer 1105 and the active layer 1104 are about 5 μm, and are formed to have substantially the same size.

次に、従来の実施形態における半導体レーザ装置の製造方法を簡単に説明する。図12(a)〜(e)は、従来の面発光レーザの製造方法を示す断面図である。   Next, a method for manufacturing a semiconductor laser device in a conventional embodiment will be briefly described. 12A to 12E are cross-sectional views showing a conventional method for manufacturing a surface emitting laser.

まず、図12(a)に示すように、サファイア基板1101上に有機金属気相成長法(MOCVD)を用いてAlN/GaNの多層膜からなる窒化物半導体ミラー1102、AlGaNからなるn型クラッド層1103、InGaN/InGaNが積層されてなる多重量子井戸を有する活性層1104、GaNからなるp型クラッド層1105を順にエピタキシャル成長する。   First, as shown in FIG. 12A, a nitride semiconductor mirror 1102 made of an AlN / GaN multilayer film and an n-type clad layer made of AlGaN are formed on a sapphire substrate 1101 using metal organic chemical vapor deposition (MOCVD). 1103, an active layer 1104 having a multiple quantum well formed by stacking InGaN / InGaN, and a p-type cladding layer 1105 made of GaN are epitaxially grown in this order.

次に、図12(b)に示すように、プラズマCVDを用いてp型クラッド層1105の全面上に、SiOからなる厚さ300nmの堆積膜を形成する。この堆積膜をフォトリソグラフィ工程と、CHFガスを使用したRIEドライエッチング工程とによって直径5μmの円盤状にエッチングすることで、SiOマスク1113を形成する。次いで、レジスト除去後、SiOマスク1113をマスクとして塩素系物質のプラズマを用いた塩素系誘導結合型プラズマ(ICP)エッチングを行う。n型クラッド層1103が露出するまでエッチングを行い直径5μmの円柱構造を形成する。 Next, as shown in FIG. 12B, a 300 nm thick deposited film made of SiO 2 is formed on the entire surface of the p-type cladding layer 1105 by using plasma CVD. The deposited film is etched into a disk shape having a diameter of 5 μm by a photolithography process and an RIE dry etching process using CHF 3 gas, thereby forming a SiO 2 mask 1113. Next, after removing the resist, chlorine-based inductively coupled plasma (ICP) etching using plasma of a chlorine-based material is performed using the SiO 2 mask 1113 as a mask. Etching is performed until the n-type cladding layer 1103 is exposed to form a cylindrical structure having a diameter of 5 μm.

続いて、図12(c)に示すように、SiOマスク1113を除去した後、再度、装置の全面に厚さ300nmのSiO膜1106を堆積する。 Subsequently, as shown in FIG. 12C, after removing the SiO 2 mask 1113, an SiO 2 film 1106 having a thickness of 300 nm is deposited again on the entire surface of the device.

次に、図12(d)に示すように、フォトリソグラフィ工程によって、SiO膜1106のうち、円柱構造状のp型クラッド層1105の上に設けられた部分とn型クラッド層1103の一部の上に設けられた部分とを除去する。 Next, as shown in FIG. 12D, a portion of the SiO 2 film 1106 provided on the cylindrical p-type cladding layer 1105 and a part of the n-type cladding layer 1103 by a photolithography process. The part provided on the top is removed.

次いで、図12(e)に示すように、p型クラッド層1105上に設けられ、ITO(Indium-Tin Oxide)からなる透明電極1107と、SiO膜1106上に設けられ、透明電極1107に接続されたp型電極1108とを形成する。次に、n型クラッド層1103の露出部分上にn型電極1110を形成した後、電極パッド1109、1111をそれぞれ形成する。その後、透明電極1107上にTaOとSiOとで構成された多層膜からなる反射膜1112を形成することにより、図11に示す半導体レーザ装置が作製される。 Next, as shown in FIG. 12E, a transparent electrode 1107 made of ITO (Indium-Tin Oxide) provided on the p-type cladding layer 1105 and an SiO 2 film 1106 is connected to the transparent electrode 1107. The formed p-type electrode 1108 is formed. Next, after forming an n-type electrode 1110 on the exposed portion of the n-type cladding layer 1103, electrode pads 1109 and 1111 are formed, respectively. Thereafter, a reflective film 1112 made of a multilayer film composed of TaO 2 and SiO 2 is formed on the transparent electrode 1107, whereby the semiconductor laser device shown in FIG. 11 is manufactured.

一方で、窒化物半導体デバイスの高性能化という意味で注目されているのが窒化物半導体の選択酸化技術である。例えばSi薄膜などをマスク材料とし酸素雰囲気中で熱処理することによりGaN層の表面が選択的に酸化される。その後、マスク材料を除去し、種々のデバイスを作製する。GaN層の主面上に電界効果トランジスタを作製した場合には前記酸化層によりデバイスの素子分離及びデバイスの高耐圧化が可能となる(特許文献1参照)。このような窒化物半導体の酸化膜は、半導体レーザ素子において電流ブロック層としても用いられる(特許文献2参照)。   On the other hand, a selective oxidation technique for nitride semiconductors is attracting attention in the sense of improving the performance of nitride semiconductor devices. For example, the surface of the GaN layer is selectively oxidized by heat treatment in an oxygen atmosphere using a Si thin film as a mask material. Thereafter, the mask material is removed, and various devices are manufactured. When a field effect transistor is fabricated on the main surface of the GaN layer, device isolation and device breakdown voltage can be achieved by the oxide layer (see Patent Document 1). Such a nitride semiconductor oxide film is also used as a current blocking layer in a semiconductor laser element (see Patent Document 2).

このような酸化技術は半導体レーザの電流狭窄などにも適用可能であり、幅広い応用が期待される。
特開2001−267555号公報 特願2003−162417号公報 IEEE Journal of Quntum Electronics Vol.39 No.1 p135-p140
Such an oxidation technique can be applied to current confinement of a semiconductor laser, and a wide range of applications are expected.
JP 2001-267555 A Japanese Patent Application No. 2003-162417 IEEE Journal of Quntum Electronics Vol.39 No.1 p135-p140

一般に、窒化物半導体レーザは光を活性層に閉じ込めるための構造を有しており、通電によって発光する活性領域の大きさが閾値やスロープ効率といったレーザの特性を大きく左右する。そのため、例えば面発光レーザにおいては活性領域の直径を5μm程度に設定されており、また、リッジ型レーザにおいては活性領域の幅が2μm程度に精度よく設定される必要がある。従来の製造方法では、図12(b)に示すように、ドライエッチングによって窒化物半導体をウエハ表面側から垂直にエッチングしてメサ形状を形成していた。そのため、活性領域のサイズの制御が困難であり、ドライエッチングでメサ形状を形成することが半導体レーザの歩留まり低下の原因となっていた。   In general, a nitride semiconductor laser has a structure for confining light in an active layer, and the size of an active region that emits light when energized greatly affects laser characteristics such as a threshold value and slope efficiency. Therefore, for example, in the surface emitting laser, the diameter of the active region is set to about 5 μm, and in the ridge type laser, the width of the active region needs to be set to about 2 μm with high accuracy. In the conventional manufacturing method, as shown in FIG. 12B, the nitride semiconductor is etched vertically from the wafer surface side by dry etching to form a mesa shape. For this reason, it is difficult to control the size of the active region, and forming a mesa shape by dry etching has caused a reduction in the yield of the semiconductor laser.

また、従来の製造方法では、p型窒化物半導体層と活性領域とを同一マスクでドライエッチングによって形成するため、活性領域より表面側にあるp型窒化物半導体層の大きさは活性領域の大きさと同程度になる。このため、抵抗率の高い材料からなるp型窒化物半導体(p型クラッド層1105)の縦方向(図11の縦方向)の抵抗が高くなり、レーザ素子の動作電圧が増大してしまう。   In the conventional manufacturing method, since the p-type nitride semiconductor layer and the active region are formed by dry etching using the same mask, the size of the p-type nitride semiconductor layer on the surface side from the active region is the size of the active region. It becomes the same level as. For this reason, the resistance in the vertical direction (vertical direction in FIG. 11) of the p-type nitride semiconductor (p-type cladding layer 1105) made of a material with high resistivity is increased, and the operating voltage of the laser element is increased.

本発明の目的は、高い発光効率を実現しつつ窒化物半導体層での電気抵抗が低減され、且つ歩留まりの向上が図られた半導体発光素子を提供することにある。   An object of the present invention is to provide a semiconductor light emitting device in which the electrical resistance in a nitride semiconductor layer is reduced and the yield is improved while realizing high luminous efficiency.

前記の目的を達成するため、本発明の第1の窒化物半導体装置は、基板と、前記基板の上に形成された少なくとも2層の、互いに組成が異なるInを含有する窒化物半導体層とを備え、前記少なくとも2層の窒化物半導体層のうちIn組成の大きな窒化物半導体層はIn組成の小さな窒化物半導体層よりも酸化速度が大きい酸化促進層であり、かつ前記2層の窒化物半導体層の各々の一部は酸化されてなる。 In order to achieve the above object, a first nitride semiconductor device of the present invention comprises a substrate and at least two layers of nitride semiconductor layers containing In having different compositions from each other formed on the substrate. A nitride semiconductor layer having a large In composition among the at least two nitride semiconductor layers is an oxidation promoting layer having a higher oxidation rate than a nitride semiconductor layer having a small In composition, and the two-layer nitride semiconductor Part of each of the layers is oxidized.

この構成により、窒化物半導体層の組成を適宜選択することで、絶縁膜の膜厚を変えることができる。そのため、例えば複数の窒化物半導体層が縦方向に積層されている場合には、電極とのコンタクトとなる層の面積を大きくしてコンタクト抵抗や層内の抵抗を低減しつつ、活性層に流れる電流を狭窄することができる。   With this configuration, the thickness of the insulating film can be changed by appropriately selecting the composition of the nitride semiconductor layer. Therefore, for example, when a plurality of nitride semiconductor layers are stacked in the vertical direction, the area of the layer that becomes a contact with the electrode is increased to reduce the contact resistance and the resistance in the layer while flowing to the active layer. The current can be confined.

前記層の窒化物半導体層は互いにバンドギャップが異なり、前記2層の窒化物半導体層のうち、バンドギャップが小さい窒化物半導体層を酸化することで形成された絶縁膜の部分の厚みは、バンドギャップが大きい窒化物半導体層を酸化することで形成された前記絶縁膜の部分の厚みよりも厚くなっていることが好ましい。 The two-layer nitride semiconductor layer of different band gaps from each other, of the nitride semiconductor layer of the two layers, the thickness of the portion of the insulation Enmaku formed by oxidizing a small band gap nitride semiconductor layer The thickness of the insulating film formed by oxidizing the nitride semiconductor layer having a large band gap is preferably larger.

前記少なくとも2層の窒化物半導体層のうち、In組成の高い窒化物半導体層を酸化することで形成された前記絶縁膜の部分の厚みは、In組成の低い窒化物半導体層を酸化することで形成された前記絶縁膜の部分の厚みよりも厚くなっていることにより、In組成の高低によって絶縁膜の厚みを調節することができる。そのため、これを利用して端面発光型の半導体レーザの光導波路や面発光レーザの電流狭窄層などを自己整合的に作製できるようになる。 Of the at least two nitride semiconductor layers, the thickness of the insulating film formed by oxidizing the nitride semiconductor layer having a high In composition is obtained by oxidizing the nitride semiconductor layer having a low In composition. By being thicker than the thickness of the formed insulating film, the thickness of the insulating film can be adjusted depending on the level of In composition. For this reason, the optical waveguide of the edge-emitting semiconductor laser and the current confinement layer of the surface-emitting laser can be manufactured in a self-aligned manner using this.

前記少なくとも2層の窒化物半導体層は、主面に対して垂直な方向に積層されており、
前記絶縁膜は、前記少なくとも2層の窒化物半導体層の側面上に形成されていることが好ましい。
The at least two nitride semiconductor layers are stacked in a direction perpendicular to the main surface,
The insulating film is preferably formed on a side surface of the at least two nitride semiconductor layers.

前記窒化物半導体装置は、前記基板の上または上方に設けられた第1導電型の第1のクラッド層をさらに備え、前記少なくとも2層の窒化物半導体層は、前記第1のクラッド層上に設けられ、光を生成する活性層と、前記活性層上に設けられ、前記活性層よりもIn組成の低い第2導電型の第2のクラッド層とを有しており、前記活性層の平面面積は、前記第2のクラッド層の平面面積よりも小さくなっていることが好ましい。活性層の平面面積が小さくなることで電流が流入する活性層の範囲を狭めることができるので、発光効率を向上させることができる。また、第2のクラッド層の平面面積は活性層より大きくなるので、電極とのコンタクト抵抗や第2のクラッド層内での直列抵抗を低減することができ、素子特性の向上を図ることができる。さらに、本発明の窒化物半導体装置は、活性層をエッチングすることなく形成することができるので、エッチングにより生じるリークパスの発生を防ぐことができる。 The nitride semiconductor device further includes a first cladding layer of a first conductivity type provided on or above the substrate, and the at least two nitride semiconductor layers are on the first cladding layer. An active layer that generates light, and a second cladding layer of a second conductivity type that is provided on the active layer and has an In composition lower than that of the active layer. The area is preferably smaller than the planar area of the second cladding layer. Since the area of the active layer into which current flows can be narrowed by reducing the planar area of the active layer, the light emission efficiency can be improved. Further, since the planar area of the second cladding layer is larger than that of the active layer, the contact resistance with the electrode and the series resistance in the second cladding layer can be reduced, and the device characteristics can be improved. . Furthermore, since the nitride semiconductor device of the present invention can be formed without etching the active layer, the occurrence of a leak path caused by etching can be prevented.

本発明の窒化物半導体装置は、前記活性層で生じた光を上方へと放射する面発光レーザとして機能させることも可能である。   The nitride semiconductor device of the present invention can also function as a surface emitting laser that emits light generated in the active layer upward.

また、本発明の窒化物半導体装置は、前記活性層で生じた光を前記活性層の端面から放射するリッジ型半導体レーザとして機能させることも可能である。   The nitride semiconductor device of the present invention can also function as a ridge type semiconductor laser that emits light generated in the active layer from the end face of the active layer.

前記少なくとも2層の窒化物半導体層は、記第2のクラッド層の上に設けられ、Inを含み、前記活性層よりも厚い第2の酸化促進層と、前記第2の酸化促進層の上に設けられた第2導電型の第3のクラッド層とをさらに有しており、前記第2の酸化促進層の平面面積は、前記第2のクラッド層および前記第3のクラッド層の平面面積よりも小さくてもよい。酸化促進層の厚みを厚くすることでIn組成を高くしなくても絶縁膜を厚く形成することが可能になるので、活性層で生じた光を効率的に取り出すことが可能となる Wherein the at least two layers nitride semiconductor layer is provided on the front Stories second cladding layer includes In, and a second oxidation promoting layer thicker than said active layer, said second oxide promoting layer A third clad layer of the second conductivity type provided thereon, and the planar area of the second oxidation promoting layer is the plane of the second clad layer and the third clad layer. It may be smaller than the area. By increasing the thickness of the oxidation promoting layer, it is possible to form a thick insulating film without increasing the In composition, so that light generated in the active layer can be efficiently extracted .

前記窒化物半導体装置は、前記基板の上または上方に設けられた第1導電型の第4のクラッド層と、前記第4のクラッド層上に設けられ、光を生成する活性層とをさらに備え、前記少なくとも2層の窒化物半導体層は、前記活性層上に設けられた第2導電型の第5のクラッド層と、前記第5のクラッド層よりもIn組成の高い第3の酸化促進層と、前記酸化促進層上に設けられ、前記第3の酸化促進層よりもIn組成の低い第2導電型の第6のクラッド層とを有しており、前記第3の酸化促進層の平面面積は、前記第5のクラッド層および前記第6のクラッド層の平面面積よりも小さくなっていてもよい。 The nitride semiconductor device further includes a fourth clad layer of a first conductivity type provided on or above the substrate, and an active layer provided on the fourth clad layer and generating light. The at least two nitride semiconductor layers include a fifth conductivity type fifth cladding layer provided on the active layer, and a third oxidation promotion layer having an In composition higher than that of the fifth cladding layer. If the provided on the oxidation-promoting layer, the third has a sixth cladding layer of the lower second conductivity type in composition than the oxidation promoting layer, the plane of said third oxidation-promoting layer The area may be smaller than the planar areas of the fifth cladding layer and the sixth cladding layer.

前記第3の酸化促進層の膜厚は、前記第5のクラッド層および前記第6のクラッド層よりも厚く、前記絶縁膜のうち、前記第3の酸化促進層の側面上に設けられた部分の厚みは、前記第5のクラッド層および前記第6のクラッド層の側面上に設けられた部分の厚みより厚いことが好ましい。 The thickness of the third oxidation promotion layer is thicker than that of the fifth cladding layer and the sixth cladding layer, and the portion of the insulating film provided on the side surface of the third oxidation promotion layer Is preferably thicker than the thicknesses of the portions provided on the side surfaces of the fifth cladding layer and the sixth cladding layer.

本発明の窒化物半導体装置は、前記活性層で生じた光を上方へと放射する面発光レーザとして機能させることもできる。   The nitride semiconductor device of the present invention can also function as a surface emitting laser that emits light generated in the active layer upward.

また、前記第3の酸化促進層は前記活性層で生じた光の導波路として働き、前記光を前記活性層の端面から放射するリッジ型半導体レーザとして機能させることもできる。 In addition, the third oxidation promoting layer can function as a waveguide for the light generated in the active layer, and can function as a ridge type semiconductor laser that emits the light from the end face of the active layer.

本発明の窒化物半導体装置の製造方法は、基板の上または上方に、2種類以上のIn組成を有する複数の窒化物半導体層を形成する工程(a)と、前記複数の窒化物半導体層の側壁部分を酸化して前記複数の窒化物半導体層の組成に応じた厚みを有する絶縁膜を、In組成の大きな窒化物半導体層がIn組成の小さな窒化物半導体層と比べて酸化速度が大きくなるように形成する工程(b)とを備えている。 The method for manufacturing a nitride semiconductor device of the present invention includes a step (a) of forming a plurality of nitride semiconductor layers having two or more types of In compositions on or above a substrate, and a step of forming the plurality of nitride semiconductor layers. An insulating film having a thickness corresponding to the composition of the plurality of nitride semiconductor layers by oxidizing the side wall portion has a higher oxidation rate for a nitride semiconductor layer having a large In composition than a nitride semiconductor layer having a small In composition. And a step (b) of forming as described above .

この方法により、窒化物半導体装置の組成に応じて厚みの異なる絶縁膜を形成することが可能であるので、例えば縦方向に積層した窒化物半導体層のうち選択された層の平面面積を他の層より小さくすることなどができる。そのため、光導波路の形成や電流狭窄層の形成を自己整合的に行うことができるので、歩留まり良く窒化物半導体装置を製造することができる。   By this method, it is possible to form insulating films having different thicknesses depending on the composition of the nitride semiconductor device. For example, the planar area of a selected layer of the nitride semiconductor layers stacked in the vertical direction It can be made smaller than the layer. Therefore, since the formation of the optical waveguide and the formation of the current confinement layer can be performed in a self-aligned manner, a nitride semiconductor device can be manufactured with a high yield.

前記工程(a)の後で且つ前記工程(b)の前に、前記複数の窒化物半導体層の一部を除去してメサ形状を形成する工程(c)をさらに備えている場合、メサ形状の形成後に酸化工程(工程(b))による絶縁膜の形成を行うので、工程(c)で形成するメサ形状を従来の方法ほど微細にする必要がなくなるので、加工精度の許容度が大きくなり、歩留まりを向上させることが可能となる In the case of further comprising a step (c) of forming a mesa shape by removing a part of the plurality of nitride semiconductor layers after the step (a) and before the step (b). Since the insulating film is formed by the oxidation step (step (b)) after the formation of the film, it is not necessary to make the mesa shape formed in the step (c) as fine as the conventional method, so that the tolerance of processing accuracy increases. It becomes possible to improve the yield .

記工程(a)で形成される前記複数の窒化物半導体層は、Inを含み、光を生成する活性層と、前記活性層上に設けられ、前記活性層よりもIn組成が低い第1のクラッド層とを有することにより、工程(b)で活性層の面積を狭めることができるので、発光効率を向上させた窒化物半導体装置を製造することが可能となる。また、活性層の面積をエッチングを用いずに狭めることができるので、活性層におけるリークパスの発生を防ぐことができる。 Prior Symbol step (a) said plurality of nitride semiconductor layer formed of, include In, and an active layer for generating light, provided on the active layer, the In composition is lower than the active layer and the first Since the area of the active layer can be reduced in the step (b), a nitride semiconductor device with improved light emission efficiency can be manufactured. In addition, since the area of the active layer can be reduced without using etching, the occurrence of a leak path in the active layer can be prevented.

前記工程(a)で形成される前記複数の窒化物半導体層は、第2のクラッド層と、前記第2のクラッド層上に設けられ、Inを含み、前記第2のクラッド層よりも厚い酸化促進層と、前記酸化促進層上に設けられ、前記酸化促進層よりも薄い第3のクラッド層とを有していてもよい。酸化促進層を第2のクラッド層よりも厚くすることで、工程(b)でIn組成を高くすることなく酸化促進層の酸化速度を大きくすることができる。   The plurality of nitride semiconductor layers formed in the step (a) are provided on the second cladding layer and the second cladding layer, include In, and are thicker than the second cladding layer. An acceleration layer and a third cladding layer provided on the oxidation promotion layer and thinner than the oxidation promotion layer may be included. By making the oxidation promotion layer thicker than the second cladding layer, the oxidation rate of the oxidation promotion layer can be increased without increasing the In composition in the step (b).

前記工程(b)では、酸素化合物を含むガス雰囲気中で熱処理を行うことによって前記絶縁膜を形成することが好ましい。   In the step (b), the insulating film is preferably formed by performing a heat treatment in a gas atmosphere containing an oxygen compound.

前記酸素化合物を含むガスが水蒸気であることが特に好ましい。   It is particularly preferable that the gas containing the oxygen compound is water vapor.

本発明の窒化物半導体装置の製造方法によれば、III族窒化物半導体に対しIn組成の大きい活性層や酸化促進層の酸化速度を他の層よりも速めることができるので、活性層に流入する電流を狭窄することができ、且つ内部抵抗が低減された窒化物半導体装置を提供することができる。また、本発明の窒化物半導体装置によれば、窒化物半導体層に対し、酸化によって得られる絶縁膜を用い、活性層および酸化促進層をクラッド層より小さくすることができるため活性層の幅の制御性と設計の自由度が向上し、高性能な素子特性が実現できる。   According to the method for manufacturing a nitride semiconductor device of the present invention, the active layer having a large In composition or the oxidation promoting layer can be accelerated more quickly than the other layers with respect to the group III nitride semiconductor. Therefore, it is possible to provide a nitride semiconductor device capable of confining a current to be generated and having a reduced internal resistance. In addition, according to the nitride semiconductor device of the present invention, an insulating film obtained by oxidation is used for the nitride semiconductor layer, and the active layer and the oxidation promoting layer can be made smaller than the cladding layer. Controllability and design flexibility are improved, and high-performance device characteristics can be realized.

上述した従来の課題を解決するにあたって、本願発明者は、発光効率を高めるため、電流が流入する活性層の領域を狭める電流狭窄技術を採用することとした。そして、多数の構造を検討した結果、活性層を選択的に酸化するように半導体発光素子の円筒形部分を酸化することができればp型クラッド層の抵抗を上昇させずに電流が流れる活性層の平面面積を小さくすることができると考えた。   In order to solve the above-described conventional problems, the inventor of the present application has adopted a current confinement technique for narrowing a region of an active layer into which a current flows in order to improve luminous efficiency. As a result of examining a number of structures, if the cylindrical portion of the semiconductor light emitting device can be oxidized so as to selectively oxidize the active layer, the active layer in which the current flows without increasing the resistance of the p-type cladding layer can be obtained. We thought that the plane area could be reduced.

一方で、本願発明者は、さまざまな組成のGaInNに対する酸化実験の結果、酸化速度がIn組成によって大きく異なるという発見をした。そこで、本願発明者は当該発見を積極的に活用し、Inを含む窒化物半導体からなる活性領域を選択的に酸化することにより精度よく活性領域を小さくし、クラッド層における抵抗を上昇させずに活性層へ電流注入を効率よく行う構成に想到した。以下、本発明の実施形態について図を用いて説明する。   On the other hand, the inventor of the present application has found that the oxidation rate varies greatly depending on the In composition as a result of oxidation experiments on GaInN having various compositions. Therefore, the inventor of the present application actively utilizes the discovery, and selectively oxidizes an active region made of a nitride semiconductor containing In, thereby accurately reducing the active region without increasing the resistance in the cladding layer. We have come up with a configuration that efficiently injects current into the active layer. Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.

(第1の実施形態)
図1は、本発明の第1の実施形態に係る面発光レーザの構成を示す断面図である。
(First embodiment)
FIG. 1 is a cross-sectional view showing a configuration of a surface emitting laser according to a first embodiment of the present invention.

同図に示すように、本実施形態の面発光レーザは、サファイア基板101と、サファイア基板101上に設けられたGaN混晶の多層膜からなる窒化物半導体ミラー102と、窒化物半導体ミラー102上に設けられた厚さ0.5μmのAlGaN混晶からなるn型クラッド層103と、n型クラッド層103上に設けられたInGaN/InGaNの多層膜からなる活性層104と、活性層104上に設けられた厚さ0.2μmのGaNからなるp型クラッド層105と、n型クラッド層103の上であって活性層104およびp型クラッド層105を囲むように設けられた熱酸化膜106とを備えている。また、本実施形態の面発光レーザは、p型クラッド層105の主面全面上に設けられた透明電極107と、透明電極107の直上に設けられた誘電体の多層膜からなる反射膜112と、熱酸化膜106上に設けられ、透明電極107に接続されたp型電極108と、p型電極108上に設けられたp型電極用パッド109と、n型クラッド層103の一部の上に設けられたn型電極110と、n型電極110上に設けられたn型電極用パッド111とを備えている。   As shown in the figure, the surface emitting laser of this embodiment includes a sapphire substrate 101, a nitride semiconductor mirror 102 made of a GaN mixed crystal multilayer film provided on the sapphire substrate 101, and a nitride semiconductor mirror 102. An n-type cladding layer 103 made of AlGaN mixed crystal having a thickness of 0.5 μm, an active layer 104 made of an InGaN / InGaN multilayer film provided on the n-type cladding layer 103, and an active layer 104 A p-type cladding layer 105 made of GaN having a thickness of 0.2 μm, and a thermal oxide film 106 provided on the n-type cladding layer 103 so as to surround the active layer 104 and the p-type cladding layer 105; It has. In addition, the surface emitting laser according to the present embodiment includes a transparent electrode 107 provided on the entire main surface of the p-type cladding layer 105, and a reflective film 112 formed of a dielectric multilayer film provided immediately above the transparent electrode 107. A p-type electrode 108 provided on the thermal oxide film 106 and connected to the transparent electrode 107; a p-type electrode pad 109 provided on the p-type electrode 108; and a part of the n-type cladding layer 103. The n-type electrode 110 provided on the n-type electrode 110 and the n-type electrode pad 111 provided on the n-type electrode 110 are provided.

活性層104は、In組成が2%で膜厚7.5nmのInGaN障壁層とIn組成が10%で膜厚3.5nmのInGaN井戸層とが3周期積層されてなる多重量子井戸層と、In組成が2%で厚さ40nmのInGaNガイド層とから構成されており、InGaN井戸層からの発光波長は、410nmに設定されている。本実施形態の面発光レーザでは、光が上面から出射される。   The active layer 104 includes a multiple quantum well layer in which an InGaN barrier layer having an In composition of 2% and a thickness of 7.5 nm and an InGaN well layer having an In composition of 10% and a thickness of 3.5 nm are stacked in three cycles, The InGaN guide layer has an In composition of 2% and a thickness of 40 nm, and the emission wavelength from the InGaN well layer is set to 410 nm. In the surface emitting laser of this embodiment, light is emitted from the upper surface.

n型クラッド層103の上部、活性層104、p型クラッド層105および熱酸化膜106の一部はメサ状に形成されており、平面的な形状は、例えば円形である。このメサ状部分の直径は、熱酸化膜の形成前で20μmである。   The upper part of the n-type cladding layer 103, the active layer 104, the p-type cladding layer 105, and a part of the thermal oxide film 106 are formed in a mesa shape, and the planar shape is, for example, a circle. The diameter of the mesa portion is 20 μm before the formation of the thermal oxide film.

また、熱酸化膜106は絶縁性を有し、n型クラッド層103、活性層104、p型クラッド層105の側壁部または表面部を水蒸気などで熱酸化することによって形成された膜である。熱酸化膜106のうち活性層104の側壁上に位置する部分の厚さは、n型クラッド層103およびp型クラッド層105の側壁上に位置する部分の厚さよりも厚くなっている。これは、n型クラッド層103およびp型クラッド層105がInを含んでいないのに対して活性層104がInを含んでいるからである。このため、活性層104の直径は、n型クラッド層103の上部およびp型クラッド層105の直径より大きくなっている。図1に示す例では、n型クラッド層103の上部およびp型クラッド層105の直径が15μmで、活性層104の直径は5μmである。熱酸化膜106のうちn型クラッド層103の上部およびp型クラッド層105の側壁上に設けられた部分の厚さは例えば2.5μmであり、活性層104の側壁上に設けられた部分の厚さは例えば7.5μmである。   The thermal oxide film 106 is an insulating film and is formed by thermally oxidizing the side wall portion or the surface portion of the n-type cladding layer 103, the active layer 104, and the p-type cladding layer 105 with water vapor or the like. The thickness of the portion of thermal oxide film 106 located on the side wall of active layer 104 is thicker than the thickness of the portion located on the side walls of n-type cladding layer 103 and p-type cladding layer 105. This is because the n-type cladding layer 103 and the p-type cladding layer 105 do not contain In, whereas the active layer 104 contains In. For this reason, the diameter of the active layer 104 is larger than the diameter of the upper part of the n-type cladding layer 103 and the p-type cladding layer 105. In the example shown in FIG. 1, the diameter of the upper part of the n-type cladding layer 103 and the p-type cladding layer 105 is 15 μm, and the diameter of the active layer 104 is 5 μm. The thickness of the portion of the thermal oxide film 106 provided on the upper portion of the n-type cladding layer 103 and the sidewall of the p-type cladding layer 105 is, for example, 2.5 μm. The thickness is 7.5 μm, for example.

このような構成の本実施形態の面発光レーザでは、熱酸化膜106の形成によって活性層104の平面面積が狭められているため、素子内を流れる電流を狭窄した状態で活性層104に流すことができる。このため、活性層104における発光効率を向上させることができる。   In the surface emitting laser according to the present embodiment having such a configuration, since the planar area of the active layer 104 is narrowed by the formation of the thermal oxide film 106, the current flowing in the element is passed through the active layer 104 in a constricted state. Can do. For this reason, the luminous efficiency in the active layer 104 can be improved.

さらに、本実施形態の面発光レーザでは、n型クラッド層103の上部およびp型クラッド層105の直径が、活性層104の直径に比べて大きく設定されている。このため、n型クラッド層103およびp型クラッド層105における縦方向の抵抗が低減するとともに、p型クラッド層105と透明電極107との間のコンタクト抵抗を効果的に低減することができる。その結果、本実施形態の面発光レーザは、デバイス特性が大きく向上している。   Furthermore, in the surface emitting laser according to the present embodiment, the diameters of the upper portion of the n-type cladding layer 103 and the p-type cladding layer 105 are set larger than the diameter of the active layer 104. Therefore, the vertical resistance in the n-type cladding layer 103 and the p-type cladding layer 105 can be reduced, and the contact resistance between the p-type cladding layer 105 and the transparent electrode 107 can be effectively reduced. As a result, the device characteristics of the surface emitting laser of this embodiment are greatly improved.

次に、本実施形態の面発光レーザの製造方法を説明する。図2(a)〜(e)は、本実施形態の面発光レーザの製造方法を示す断面図である。   Next, a method for manufacturing the surface emitting laser according to the present embodiment will be described. 2A to 2E are cross-sectional views illustrating a method for manufacturing the surface-emitting laser according to the present embodiment.

まず、図2(a)に示すように、サファイア基板101上にMOCVD法を用いて窒化物半導体ミラー102、AlGaNからなるn型クラッド層103、InGaN/InGaNからなり、多重量子井戸を形成する活性層104、GaNからなるp型クラッド層105を順にエピタキシャル成長する。   First, as shown in FIG. 2 (a), the nitride semiconductor mirror 102, the n-type cladding layer 103 made of AlGaN, and the activity of forming a multiple quantum well on the sapphire substrate 101 using the MOCVD method, the n-type cladding layer 103 made of AlGaN, and InGaN / InGaN. The layer 104 and the p-type cladding layer 105 made of GaN are epitaxially grown in this order.

次に、図2(b)に示すように、フォトリソグラフィ工程によってパターニングされた金属マスクを用いて基板のうちn型電極110を形成するための領域以外をマスクし、n型クラッド層103が露出するまでエッチングする。   Next, as shown in FIG. 2B, the metal mask patterned by the photolithography process is used to mask the region other than the region for forming the n-type electrode 110, and the n-type cladding layer 103 is exposed. Etch until

続いて、図2(c)に示すように、プラズマCVD法を用いて素子の全面上(窒化物半導体上)に、SiNとSiOの多層膜からなる厚さ300nmの堆積膜を堆積する。その後、堆積膜をフォトリソグラフィ工程と、CHFガスを使用したRIEドライエッチング工程によって、酸化防止マスク113を直径20μmの円盤状に形成する。この時、n型電極を形成するための領域に対しても酸化防止マスク113を残しておく。レジスト除去後、酸化防止マスク113をマスクとして塩素系のICPドライエッチングを用いてn型クラッド層103の上部、活性層104およびp型クラッド層105の一部を除去し、これらの層からなるメサ構造を形成する。この時のメサ形状のサイズは、直径20μmの円柱構造である。 Subsequently, as shown in FIG. 2C, a 300 nm-thick deposited film made of a multilayer film of SiN and SiO 2 is deposited on the entire surface of the device (on the nitride semiconductor) using a plasma CVD method. Thereafter, the oxidation mask 113 is formed in a disk shape having a diameter of 20 μm by a photolithography process and an RIE dry etching process using CHF 3 gas. At this time, the oxidation prevention mask 113 is left also in the region for forming the n-type electrode. After removing the resist, the upper portion of the n-type clad layer 103, the active layer 104, and a part of the p-type clad layer 105 are removed by chlorine-based ICP dry etching using the antioxidant mask 113 as a mask, and a mesa made of these layers is removed. Form a structure. The mesa shape size at this time is a cylindrical structure having a diameter of 20 μm.

次に、図2(d)に示すように、基板を酸化炉に導入し、水蒸気と窒素の混合雰囲気中にて900℃まで昇温しメサの側壁を30分間酸化することにより大気圧下で熱酸化膜106を形成する。水蒸気は、94℃のHOに1slm(slmはL/min at 0℃、101.3kPa)の窒素をバブリングすることで、流量2.3slmで供給され、水蒸気分圧は69%とする。本工程において、活性層104がn型クラッド層103及びp型クラッド層105より速く酸化されるため、活性層104のサイズがn型クラッド層103、およびp型クラッド層105より小さくなる。例えば、活性層104の上方から見た直径は5μmで、n型クラッド層103およびp型クラッド層105の直径は15μmである。 Next, as shown in FIG. 2D, the substrate is introduced into an oxidation furnace, heated to 900 ° C. in a mixed atmosphere of water vapor and nitrogen, and the side walls of the mesa are oxidized for 30 minutes at atmospheric pressure. A thermal oxide film 106 is formed. Water vapor is supplied at a flow rate of 2.3 slm by bubbling 1 slm (slm is L / min at 0 ° C., 101.3 kPa) into H 2 O at 94 ° C., and the water vapor partial pressure is 69%. In this step, since the active layer 104 is oxidized faster than the n-type cladding layer 103 and the p-type cladding layer 105, the size of the active layer 104 is smaller than that of the n-type cladding layer 103 and the p-type cladding layer 105. For example, the diameter of the active layer 104 viewed from above is 5 μm, and the diameters of the n-type cladding layer 103 and the p-type cladding layer 105 are 15 μm.

次に、図2(e)に示すように、酸化防止マスク113をエッチングにより除去する。その後、p型クラッド層上にITOからなる透明電極107を形成してから、p型電極1108、n型電極110、p型電極用パッド109およびn型電極用パッド111を公知の方法によって形成する。その後、透明電極107の上にTaとSiOの多層膜からなる反射膜112を形成することで、本実施形態の面発光レーザを作製することができる。この方法によれば、図2(c)に示す工程でエッチングによって形成するメサの径を従来の方法より大きくすることができるので、高度なエッチング精度が要求されず、また、自己整合的に熱酸化膜106を形成できるので、均一な性能の面発光レーザを容易に製造することができ、面発光レーザの歩留まりを向上させることができる。 Next, as shown in FIG. 2E, the antioxidant mask 113 is removed by etching. Thereafter, the transparent electrode 107 made of ITO is formed on the p-type cladding layer, and then the p-type electrode 1108, the n-type electrode 110, the p-type electrode pad 109, and the n-type electrode pad 111 are formed by a known method. . Thereafter, the reflective film 112 made of a multilayer film of Ta 2 O 5 and SiO 2 is formed on the transparent electrode 107, whereby the surface emitting laser of this embodiment can be manufactured. According to this method, since the diameter of the mesa formed by etching in the step shown in FIG. 2C can be made larger than that of the conventional method, a high degree of etching accuracy is not required, and the heat is self-aligned. Since the oxide film 106 can be formed, a surface emitting laser with uniform performance can be easily manufactured, and the yield of the surface emitting laser can be improved.

ここで、図2(d)に示す熱酸化膜106の形成工程における酸化過程について詳しく説明する。図3(a)、(b)は、メサ側壁の酸化過程を説明するための窒化物半導体層の模式的な断面図である。   Here, the oxidation process in the formation process of the thermal oxide film 106 shown in FIG. FIGS. 3A and 3B are schematic cross-sectional views of the nitride semiconductor layer for explaining the oxidation process of the mesa sidewall.

図3(a)、(b)に示す素子では、サファイア基板201上にGaNからなる第1半導体層(n型クラッド層)202、InGa1−xN(0<x≦1)からなる第2半導体層203(活性層)およびGaNからなる第3半導体層(p型クラッド層)204が順次積層されている。特に、図3(a)は、第3半導体層の上面に酸化を防止するためにCVD法によってSiNからなるマスクを堆積した後、ドライエッチングによって垂直にメサが形成された状態の面発光レーザを示している。また、図3(b)は、水蒸気雰囲気中900℃で30分間熱処理した後の面発光レーザを示している。この熱処理によって、第1半導体層202の上部、第2半導体層203および第3半導体層204の側壁部分が酸化され、酸化膜205、206、207がそれぞれ形成される。このとき、In組成の大きい第2半導体層203は第1半導体層202および第3半導体層204よりも速く酸化されるため、第2半導体層203の側壁上に形成された酸化膜206の膜厚tは、第1半導体層202の側壁上に形成された酸化膜205および第3半導体層204の側壁上に形成された酸化膜207の膜厚tより厚くなる。 In the element shown in FIGS. 3A and 3B, a GaN first semiconductor layer (n-type clad layer) 202 and In x Ga 1-x N (0 <x ≦ 1) are formed on a sapphire substrate 201. A second semiconductor layer 203 (active layer) and a third semiconductor layer (p-type cladding layer) 204 made of GaN are sequentially stacked. In particular, FIG. 3A shows a surface emitting laser in which a mesa is vertically formed by dry etching after depositing a mask made of SiN by CVD to prevent oxidation on the upper surface of the third semiconductor layer. Show. FIG. 3B shows the surface emitting laser after heat treatment at 900 ° C. for 30 minutes in a steam atmosphere. By this heat treatment, the upper portion of the first semiconductor layer 202 and the side wall portions of the second semiconductor layer 203 and the third semiconductor layer 204 are oxidized to form oxide films 205, 206, and 207, respectively. At this time, since the second semiconductor layer 203 having a large In composition is oxidized faster than the first semiconductor layer 202 and the third semiconductor layer 204, the thickness of the oxide film 206 formed on the sidewall of the second semiconductor layer 203 is increased. t 2 is thicker than the thickness t 1 of the oxide film 205 formed on the sidewall of the first semiconductor layer 202 and the oxide film 207 formed on the sidewall of the third semiconductor layer 204.

図4(a)は図3(b)と同一の面発光レーザを示す図であり、(b)は、(a)に示す面発光レーザにおける第2半導体層(図中では「InGaN層」)の組成と熱酸化により形成される熱酸化膜の膜厚との関係を示す図である。ここで、dは、活性層の膜厚を示している。なお、熱酸化は水蒸気の存在下、900℃30分間行った。水蒸気は、94℃のHOに1slm(slmはL/min at 0℃、101.3kPa)の窒素をバブリングすることで、流量2.3slmで供給され、水蒸気分圧は69%とした。 FIG. 4A is a view showing the same surface emitting laser as FIG. 3B, and FIG. 4B is a second semiconductor layer (“InGaN layer” in the drawing) in the surface emitting laser shown in FIG. It is a figure which shows the relationship between the composition of this, and the film thickness of the thermal oxide film formed by thermal oxidation. Here, d indicates the film thickness of the active layer. The thermal oxidation was performed at 900 ° C. for 30 minutes in the presence of water vapor. Water vapor was supplied at a flow rate of 2.3 slm by bubbling nitrogen at 1 slm (slm is L / min at 0 ° C., 101.3 kPa) into H 2 O at 94 ° C., and the water vapor partial pressure was 69%.

図4(b)に示すように、この実験の結果から、窒化物半導体層において、In組成が増加するほど酸化される速度が大きくなるということが明らかになった。この知見は、本願発明者が初めて見いだしたものである。すなわち、Inの組成が増加するほど酸化速度が大きくなるため、図4(a)に示す面発光レーザでは、第1半導体層202および第3半導体層204の側壁上の酸化膜より第2半導体層203の側壁上の酸化膜の方が厚く形成される。なお、本願発明者が第2半導体層を他の窒化物半導体とした場合についても検討した結果、窒化物半導体層が複数ある場合、バンドギャップが小さい層ほど酸化されやすい傾向にあると推定された。   As shown in FIG. 4B, the results of this experiment revealed that the rate of oxidation increases as the In composition increases in the nitride semiconductor layer. This finding has been found for the first time by the present inventors. In other words, since the oxidation rate increases as the In composition increases, in the surface emitting laser shown in FIG. 4A, the second semiconductor layer is more than the oxide films on the sidewalls of the first semiconductor layer 202 and the third semiconductor layer 204. The oxide film on the side wall 203 is formed thicker. As a result of examining the case where the second semiconductor layer is made of another nitride semiconductor, the inventor of the present application has estimated that when there are a plurality of nitride semiconductor layers, a layer having a smaller band gap tends to be oxidized. .

また、本願発明者らは、第2半導体層203のIn組成が同じである場合、第2半導体層の厚さが厚いほど側壁の酸化膜が厚く形成されることも見いだした。これは、第2半導体層203が厚い程酸素の侵入が容易になるためであると推測される。   The inventors of the present application have also found that when the In composition of the second semiconductor layer 203 is the same, the thicker the second semiconductor layer, the thicker the sidewall oxide film. This is presumably because the thicker the second semiconductor layer 203 is, the easier oxygen can enter.

図1に示す面発光レーザでは、活性層104のIn組成がn型クラッド層103およびp型クラッド層105のIn組成よりも大きくなっている。そのため、熱酸化を行うことで活性層104においては側壁から速く酸化が進行して熱酸化膜106が厚くなり、n型クラッド層103およびp型クラッド層105の側壁においては緩やかに酸化が進行して熱酸化膜106が薄くなる。このため、活性層104の径をn型クラッド層103およびp型クラッド層105の径より小さくすることができる。   In the surface emitting laser shown in FIG. 1, the In composition of the active layer 104 is larger than the In compositions of the n-type cladding layer 103 and the p-type cladding layer 105. Therefore, by performing thermal oxidation, in the active layer 104, the oxidation proceeds quickly from the side wall and the thermal oxide film 106 becomes thicker, and the oxidation gradually proceeds on the side walls of the n-type cladding layer 103 and the p-type cladding layer 105. As a result, the thermal oxide film 106 becomes thinner. Therefore, the diameter of the active layer 104 can be made smaller than the diameters of the n-type cladding layer 103 and the p-type cladding layer 105.

このように、活性層104の平面面積を大きくすることなくp型クラッド層105の平面面積を大きくすることが可能であるため、素子内部の電気抵抗が低減された面発光レーザを実現することができる。また、本実施形態の面発光レーザにおいては、活性層104は、絶縁体である熱酸化膜106によって覆われているので電流が流れず、p型クラッド層105から活性層104へ効率よく電流注入できる構成となっている。   Thus, since it is possible to increase the planar area of the p-type cladding layer 105 without increasing the planar area of the active layer 104, it is possible to realize a surface emitting laser with reduced electrical resistance inside the element. it can. In the surface emitting laser according to the present embodiment, since the active layer 104 is covered with the thermal oxide film 106 that is an insulator, no current flows, and current is efficiently injected from the p-type cladding layer 105 into the active layer 104. It can be configured.

図5は、熱酸化処理後の半導体発光素子の縦断面を示す透過型電子顕微鏡(TEM)像である。同図から、InGaN/InGaNからなる活性層の酸化速度が、Inを含まないGaNあるいはAlGaNからなるn型クラッド層およびp型クラッド層に比べて速いため、活性層の両端に形成される酸化膜が厚くなり、このため活性層の幅が狭くなっていることが分かる。   FIG. 5 is a transmission electron microscope (TEM) image showing a longitudinal section of the semiconductor light emitting device after the thermal oxidation treatment. From the figure, since the oxidation rate of the active layer made of InGaN / InGaN is faster than the n-type clad layer and the p-type clad layer made of GaN or AlGaN not containing In, oxide films formed at both ends of the active layer It can be seen that the width of the active layer is narrowed.

なお、窒化物半導体に含まれるIn組成によって酸化速度が異なるという知見は、In組成が異なる複数の窒化物半導体層が横方向に配置されている場合にも利用できる。例えばInGaN層とGaN層とが隣接して配置され、それぞれの上面が露出している場合、熱酸化を行うことによってInGaN層により深い絶縁性の酸化膜を形成することができるので、例えば素子分離用絶縁膜の形成などに利用することができる。   Note that the knowledge that the oxidation rate differs depending on the In composition contained in the nitride semiconductor can also be used when a plurality of nitride semiconductor layers having different In compositions are arranged in the lateral direction. For example, when an InGaN layer and a GaN layer are disposed adjacent to each other and their upper surfaces are exposed, a deep insulating oxide film can be formed on the InGaN layer by performing thermal oxidation. It can be used to form an insulating film for use.

なお、ここまでで説明した本実施形態に係る面発光レーザにおいては、下地層としてサファイア基板を用いたが、窒化物半導体層の低欠陥化のためにGaN基板や、サファイア基板上にAlN層を堆積したものや、パターニングされたSiOをマスクとして基板上にELO成長(Epitaxial Lateral Overgrowth)されたGaNを用いてもよい。低欠陥の下地層上に窒化物半導体層を形成することで、素子特性を向上させることができる。 In the surface emitting laser according to the present embodiment described so far, a sapphire substrate is used as an underlayer. However, a GaN substrate or an AlN layer is formed on a sapphire substrate in order to reduce defects in the nitride semiconductor layer. GaN that has been deposited or that has been subjected to ELO growth (Epitaxial Lateral Overgrowth) on the substrate using patterned SiO 2 as a mask may be used. By forming a nitride semiconductor layer on a low-defect underlayer, device characteristics can be improved.

また、本発明の第1の実施形態に係る面発光レーザは、p型クラッド層105にGaN層を用いているが、Al組成が10%で厚さが1.5nmのAlGaN層と厚さが1.5nmのGaN層とを交互に積層したSLS構造をp型クラッド層として用いてもよい。このような構成とすることにより、低抵抗のp型クラッド層が得られる為、素子特性を向上させることができる。   In the surface emitting laser according to the first embodiment of the present invention, a GaN layer is used for the p-type cladding layer 105. The AlGaN layer has a thickness of 10% and a thickness of 1.5 nm. An SLS structure in which 1.5 nm GaN layers are alternately stacked may be used as the p-type cladding layer. With such a configuration, a p-type cladding layer having a low resistance can be obtained, so that element characteristics can be improved.

本発明の第1の実施形態に係る面発光レーザは、活性層104に、InGaN/InGaN層を用いたが、Alを含むAlInGaNの四元混晶からなる層を用いてもよい。同じバンドギャップ波長の混晶においてIn組成の大きい混晶の方がより顕著に酸化速度が変化するので、本実施形態で説明した方法と同様の原理で選択的に酸化することが可能となる。   In the surface emitting laser according to the first embodiment of the present invention, an InGaN / InGaN layer is used for the active layer 104, but a layer made of AlInGaN quaternary mixed crystal containing Al may be used. In the mixed crystal having the same band gap wavelength, the oxidation rate of the mixed crystal having a larger In composition changes more remarkably, so that selective oxidation can be performed on the same principle as the method described in the present embodiment.

本実施形態で説明したAlGa1−x−yInN(0≦x≦1、0≦y≦1、0<x+y≦1)で表される窒化物半導体層の側面上に厚さの異なる酸化物からなる絶縁膜を形成する構成は、面発光レーザだけでなく後で説明する端面発光レーザや発光ダイオード(LED)などに応用することもできる。 Thickness on the side surface of the nitride semiconductor layer represented by Al x Ga 1-xy In y N (0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1, 0 <x + y ≦ 1) described in this embodiment The structure in which an insulating film made of different oxides is formed can be applied not only to a surface-emitting laser but also to an edge-emitting laser or a light-emitting diode (LED) described later.

なお、本実施形態の製造方法において、水蒸気存在下で基板を加熱することで熱酸化膜106を形成したが、他の手段による熱酸化を行ってもよい。例えば、NO、NO、メタノール等、水蒸気以外の酸素を分子中に含む気体中で熱酸化を行ってもよい。 In the manufacturing method of the present embodiment, the thermal oxide film 106 is formed by heating the substrate in the presence of water vapor, but thermal oxidation by other means may be performed. For example, thermal oxidation may be performed in a gas containing oxygen other than water vapor in its molecule, such as NO, NO 2 , and methanol.

(第2の実施形態)
図6は、本発明の第2実施形態に係る面発光レーザの構成を示す断面図である。本実施形態の面発光レーザは、「窒化物半導体層の膜厚が厚い程、該窒化物半導体層の側壁部分からの酸化が速く進む」という上述の知見を利用した酸化促進層を備えていることを特徴としている。
(Second Embodiment)
FIG. 6 is a cross-sectional view showing a configuration of a surface emitting laser according to the second embodiment of the present invention. The surface emitting laser of this embodiment includes an oxidation promoting layer that utilizes the above-described knowledge that “the thicker the nitride semiconductor layer, the faster the oxidation from the side wall portion of the nitride semiconductor layer proceeds”. It is characterized by that.

本発明の第2実施形態に係る面発光レーザにおいて、サファイア基板301、窒化物半導体ミラー302、AlGaInN混晶からなる厚さ0.5μmのn型クラッド層303、InGaN/InGaNの多層膜からなる活性層304までの構成は、第1の実施形態と同じである。   In the surface emitting laser according to the second embodiment of the present invention, the sapphire substrate 301, the nitride semiconductor mirror 302, the n-type cladding layer 303 having a thickness of 0.5 μm made of AlGaInN mixed crystal, and the active made of a multilayer film of InGaN / InGaN. The configuration up to the layer 304 is the same as in the first embodiment.

本実施形態の面発光レーザでは、活性層304上に設けられた第1のp型クラッド層305の上にIn組成が6%で厚さ30nmのInGaN混晶からなる酸化促進層313が設けられている。また、酸化促進層313上には第2のp型クラッド層314が形成されている。すなわち、活性層304をメサの一部とすることなく、第2のp型クラッド層314までをドライエッチングしてメサが形成され、酸化促進層313の側壁が熱酸化されることで熱酸化層306が形成されている。   In the surface emitting laser of this embodiment, an oxidation promotion layer 313 made of an InGaN mixed crystal having an In composition of 6% and a thickness of 30 nm is provided on the first p-type cladding layer 305 provided on the active layer 304. ing. A second p-type cladding layer 314 is formed on the oxidation promotion layer 313. That is, the mesa is formed by dry-etching up to the second p-type cladding layer 314 without making the active layer 304 a part of the mesa, and the side wall of the oxidation promoting layer 313 is thermally oxidized, whereby the thermal oxide layer. 306 is formed.

第2のp型クラッド層314上には、透明電極307が全面に形成されており、熱酸化膜306上には透明電極307に接続されたp型電極308が形成されている。そして、p型電極308上にp型電極用パッド309が形成されている。透明電極307の直上には、誘電体の多層膜からなる反射膜312が形成されている。   A transparent electrode 307 is formed on the entire surface of the second p-type cladding layer 314, and a p-type electrode 308 connected to the transparent electrode 307 is formed on the thermal oxide film 306. A p-type electrode pad 309 is formed on the p-type electrode 308. A reflective film 312 made of a dielectric multilayer film is formed immediately above the transparent electrode 307.

酸化促進層313は、第2のp型クラッド層314よりIn組成が高くなっており、第2のp型クラッド層314より速く酸化が進行する。このため、上述したような熱酸化膜306の形成工程において、酸化促進層313の幅を第2のp型クラッド層314の幅より小さくすることができる。   The oxidation promoting layer 313 has an In composition higher than that of the second p-type cladding layer 314, and oxidation proceeds faster than the second p-type cladding layer 314. Therefore, the width of the oxidation promoting layer 313 can be made smaller than the width of the second p-type cladding layer 314 in the step of forming the thermal oxide film 306 as described above.

このように、本実施形態の面発光レーザでは、酸化促進層313のサイズを小さく形成することができるので、活性層304に注入する電流を効果的に狭窄することができ、発光効率を向上させることができる。   As described above, in the surface emitting laser according to the present embodiment, the size of the oxidation promoting layer 313 can be reduced, so that the current injected into the active layer 304 can be effectively confined and the light emission efficiency is improved. be able to.

また、第2のp型クラッド層314の面積を従来よりも大きくできるため、層内の抵抗値を低減できる上、透明電極307との間に生じるコンタクト抵抗も低減することができる。また、活性層304をエッチングによって露出しないため、素子の信頼性が向上する。   Further, since the area of the second p-type cladding layer 314 can be made larger than before, the resistance value in the layer can be reduced, and the contact resistance generated between the transparent electrode 307 and the transparent electrode 307 can also be reduced. Further, since the active layer 304 is not exposed by etching, the reliability of the element is improved.

本実施形態の面発光レーザにおいて、酸化促進層313を厚くすれば酸化促進層313の平面面積を小さくし、酸化促進層313を薄くすれば酸化促進層313の平面面積を大きくできるので、設計に応じて所望の程度に電流狭窄を行うよう調節することができる。また、酸化促進層313を厚くすることで、活性層304よりもIn組成の低い組成で厚い側壁酸化膜(熱酸化膜306)を形成できる。この場合、酸化促進層313による光吸収を抑えることができるため、レーザ特性を向上させることができる。   In the surface emitting laser of the present embodiment, if the oxidation promoting layer 313 is thickened, the planar area of the oxidation promoting layer 313 can be reduced, and if the oxidation promoting layer 313 is thinned, the planar area of the oxidation promoting layer 313 can be increased. Accordingly, it is possible to adjust the current confinement to a desired degree. Further, by thickening the oxidation promoting layer 313, a thick sidewall oxide film (thermal oxide film 306) can be formed with a composition having a lower In composition than the active layer 304. In this case, light absorption by the oxidation promoting layer 313 can be suppressed, so that laser characteristics can be improved.

(第3の実施形態)
図7は、本発明の第3実施形態に係るリッジ型半導体レーザの構成を示す断面図である。
(Third embodiment)
FIG. 7 is a cross-sectional view showing a configuration of a ridge type semiconductor laser according to the third embodiment of the present invention.

同図に示すように、本実施形態の半導体レーザは、GaN基板401と、GaN基板401の主面上に設けられたAl組成5%、膜厚1.2μmのn型AlGaNからなる第1のn型クラッド層402と、第1のn型クラッド層402上に設けられ、膜厚90nmのn型GaNからなる第2のn型クラッド層403と、第2のn型クラッド層403上に設けられたInGaN/InGaNの多層膜からなる活性層404と、活性層404上に設けられ、Al組成10%のAlGaNとGaNとが交互に積層されてなる厚さ0.5μmのp型クラッド層405とを備えている。また、本実施形態の半導体レーザは、第2のn型クラッド層403の上部、活性層404およびp型クラッド層405を囲むように設けられ、窒化物半導体を酸化することで形成された熱酸化膜406と、p型クラッド層405および熱酸化膜406の上に設けられたp型電極408と、p型電極408上に設けられたn型電極用パッド409と、GaN基板401の裏面上に設けられたn型電極410と、n型電極410の裏面上に設けられたn型電極用パッド411とを備えている。なお、「主面」とは、結晶成長が行われる面を指すものとする。   As shown in the figure, the semiconductor laser according to the present embodiment includes a GaN substrate 401 and a first n-type AlGaN having an Al composition of 5% and a film thickness of 1.2 μm provided on the main surface of the GaN substrate 401. Provided on the n-type clad layer 402 and the first n-type clad layer 402, and on the second n-type clad layer 403 made of n-type GaN having a thickness of 90 nm and on the second n-type clad layer 403 An active layer 404 made of a multilayer film of InGaN / InGaN, and a p-type cladding layer 405 having a thickness of 0.5 μm provided on the active layer 404 and alternately laminated with AlGaN and GaN having an Al composition of 10%. And. The semiconductor laser of this embodiment is provided so as to surround the upper portion of the second n-type cladding layer 403, the active layer 404 and the p-type cladding layer 405, and is formed by oxidizing a nitride semiconductor. On the film 406, the p-type electrode 408 provided on the p-type cladding layer 405 and the thermal oxide film 406, the n-type electrode pad 409 provided on the p-type electrode 408, and the back surface of the GaN substrate 401 An n-type electrode 410 provided and an n-type electrode pad 411 provided on the back surface of the n-type electrode 410 are provided. The “main surface” refers to a surface on which crystal growth is performed.

InGaN/InGaNからなる活性層304は、In組成2%で膜厚7.5nmの障壁層とIn組成10%で膜厚3.5nmの井戸層とが交互に3周期積層された多重量子井戸構造と、In組成2%で厚さ40nmのガイド層とから構成されており、井戸層からの発光波長は、410nmに設定されている。本実施形態の半導体レーザでは、活性層404で生じた光は活性層404の端面から図7の手前方向に射出される。   The active layer 304 made of InGaN / InGaN has a multiple quantum well structure in which a barrier layer having an In composition of 2% and a thickness of 7.5 nm and a well layer having an In composition of 10% and a thickness of 3.5 nm are alternately stacked in three periods. And a guide layer having an In composition of 2% and a thickness of 40 nm, and an emission wavelength from the well layer is set to 410 nm. In the semiconductor laser of the present embodiment, light generated in the active layer 404 is emitted from the end face of the active layer 404 in the front direction of FIG.

第2のn型クラッド層403の上部、活性層404、p型クラッド層405および熱酸化膜406はストライプ状に形成されている。ここで、熱酸化膜406は第1、第2の実施形態に係る半導体発光素子と同様に水蒸気中で第2のn型クラッド層403の上部、活性層404およびp型クラッド層405の熱酸化を行うことにより形成される。第2のn型クラッド層403の上部およびp型クラッド層405の幅は5μm程度であり、活性層404の幅は1.5μmである。   The upper portion of the second n-type cladding layer 403, the active layer 404, the p-type cladding layer 405, and the thermal oxide film 406 are formed in a stripe shape. Here, the thermal oxide film 406 is formed by thermal oxidation of the upper portion of the second n-type cladding layer 403, the active layer 404, and the p-type cladding layer 405 in water vapor as in the semiconductor light emitting devices according to the first and second embodiments. It is formed by performing. The upper portion of the second n-type cladding layer 403 and the width of the p-type cladding layer 405 are about 5 μm, and the width of the active layer 404 is 1.5 μm.

本実施形態の半導体レーザが第1の実施形態の半導体発光素子と異なっているのは、第2のn型クラッド層403、活性層404およびp型クラッド層405を酸化してなる熱酸化膜406をリッジストライプ型半導体レーザの電流狭窄層として用いた点である。   The semiconductor laser of this embodiment is different from the semiconductor light emitting device of the first embodiment in that a thermal oxide film 406 formed by oxidizing the second n-type cladding layer 403, the active layer 404, and the p-type cladding layer 405. Is used as the current confinement layer of the ridge stripe semiconductor laser.

本実施形態の半導体レーザにおいて、第1のn型クラッド層402、第2のn型クラッド層403、p型クラッド層405および活性層404の屈折率は、発振波長410nmに対して2.5〜2.8程度であるのに対し、熱酸化膜406の屈折率は、1.8程度と窒化物より低くなっている。このため光が活性層部分に閉じ込められる構成となっている。このように、熱酸化膜406の屈折率は母体の窒化物半導体の屈折率より小さい為、光を活性層に閉じ込めることにより導波路として機能させることができる。   In the semiconductor laser of the present embodiment, the refractive index of the first n-type cladding layer 402, the second n-type cladding layer 403, the p-type cladding layer 405, and the active layer 404 is 2.5 to 2.5 with respect to the oscillation wavelength of 410 nm. Whereas it is about 2.8, the refractive index of the thermal oxide film 406 is about 1.8, which is lower than that of nitride. For this reason, the light is confined in the active layer portion. Thus, since the refractive index of the thermal oxide film 406 is smaller than that of the base nitride semiconductor, it can function as a waveguide by confining light in the active layer.

本実施形態の半導体レーザは、活性層404に流れる電流が狭窄されているので発光効率の向上が図られる。また、p型クラッド層405の面積を活性層404より広くすることができるので、素子内の抵抗を低減することができ、半導体レーザの素子特性を向上させることができる。   In the semiconductor laser of this embodiment, the current flowing through the active layer 404 is narrowed, so that the light emission efficiency is improved. Further, since the area of the p-type cladding layer 405 can be made larger than that of the active layer 404, the resistance in the element can be reduced, and the element characteristics of the semiconductor laser can be improved.

このように、本発明の構成は面発光レーザだけでなく端面発光レーザについても応用することができる。   Thus, the configuration of the present invention can be applied not only to the surface emitting laser but also to the edge emitting laser.

(第4の実施形態)
図8は、本発明の第4の実施形態に係るリッジ型半導体レーザの構成を示す断面図である。
(Fourth embodiment)
FIG. 8 is a cross-sectional view showing a configuration of a ridge type semiconductor laser according to the fourth embodiment of the present invention.

同図に示すように、本実施形態の半導体レーザにおいて、GaN基板501、第1のn型クラッド層502、第2のn型クラッド層503、n型電極510およびn型電極用パッド511は第3の実施形態に係る半導体レーザと同一の構成である。   As shown in the figure, in the semiconductor laser of the present embodiment, the GaN substrate 501, the first n-type cladding layer 502, the second n-type cladding layer 503, the n-type electrode 510 and the n-type electrode pad 511 are the first ones. This is the same configuration as that of the semiconductor laser according to the third embodiment.

また、本実施形態の半導体レーザは、第2のn型クラッド層503上に設けられたInGaN/InGaNの多層膜からなる活性層504と、活性層504上に設けられ、Al組成10%のAlGaNとGaNとが交互に積層されてなる厚さ500nmの第1のp型クラッド層505と、In組成が6%で膜厚が80nmのInGaNからなる酸化促進層506と、膜厚が200nmのGaNからなる第2のp型クラッド層507とを備えている。さらに、本実施形態の半導体レーザは、第1のp型クラッド層505の上部、酸化促進層506および第2のp型クラッド層507の側面を囲む熱酸化膜513と、第2のp型クラッド層507および熱酸化膜513の上に設けられたp型電極508と、p型電極508の上に設けられたp型電極用パッド509とを備えている。   In addition, the semiconductor laser of this embodiment includes an active layer 504 made of an InGaN / InGaN multilayer film provided on the second n-type cladding layer 503, and an AlGaN having an Al composition of 10% provided on the active layer 504. First p-type clad layer 505 having a thickness of 500 nm formed by alternately laminating GaN and GaN, oxidation promoting layer 506 made of InGaN having an In composition of 6% and a thickness of 80 nm, and GaN having a thickness of 200 nm And a second p-type cladding layer 507. Furthermore, the semiconductor laser according to the present embodiment includes a thermal oxide film 513 surrounding the upper side of the first p-type cladding layer 505, the side surfaces of the oxidation promoting layer 506 and the second p-type cladding layer 507, and the second p-type cladding. A p-type electrode 508 provided on the layer 507 and the thermal oxide film 513 and a p-type electrode pad 509 provided on the p-type electrode 508 are provided.

本実施形態の半導体レーザはリッジストライプ型の端面発光レーザであり、酸化促進層を用いて活性層に流れる電流を狭窄している点が第3の実施形態と異なっている。熱酸化膜513の屈折率は、窒化物半導体の屈折率より小さい為、光を酸化促進層506内に閉じ込めることができる。本実施形態の半導体レーザにおいても、素子内部での抵抗の増加を来さずに発光効率の向上を図ることができる。   The semiconductor laser of this embodiment is a ridge stripe type edge emitting laser, and is different from the third embodiment in that the current flowing through the active layer is confined using an oxidation promoting layer. Since the refractive index of the thermal oxide film 513 is smaller than that of the nitride semiconductor, light can be confined in the oxidation promoting layer 506. Also in the semiconductor laser of this embodiment, it is possible to improve the light emission efficiency without increasing the resistance inside the device.

また、酸化促進層506を用いることにより、電流狭窄層の設計と光閉じ込めの設計を個別に行うことが可能となるため、設計の自由度が向上し、高性能なリッジストライプ型レーザを実現することができる。   Further, by using the oxidation promotion layer 506, the current confinement layer and the optical confinement can be designed separately, so that the degree of freedom in design is improved and a high-performance ridge stripe laser is realized. be able to.

なお、酸化促進層506は、酸化を受けやすくするために十分に厚いことが好ましい。酸化促進層506を厚く形成することで、酸化促進層506のIn組成を低くしても酸化促進層506の径を小さくすることができる。このようにして酸化促進層506のIn組成を低下させた場合、活性層504で生じた光をより吸収しにくくすることができるので、発光効率の向上を図ることができる。また、酸化促進層506はInを含んでいることが好ましい。   Note that the oxidation promoting layer 506 is preferably thick enough to be easily oxidized. By forming the oxidation promotion layer 506 thick, the diameter of the oxidation promotion layer 506 can be reduced even if the In composition of the oxidation promotion layer 506 is lowered. When the In composition of the oxidation promoting layer 506 is lowered in this way, light generated in the active layer 504 can be made harder to absorb, so that the light emission efficiency can be improved. In addition, the oxidation promotion layer 506 preferably contains In.

なお、電流狭窄を行うための酸化促進層506を有する構成を自励発振レーザに応用することもできる。この場合、酸化促進層506のIn組成を高めに設定して酸化促進層506がレーザ光を吸収するように設計すればよい。   Note that a structure including the oxidation promoting layer 506 for current confinement can also be applied to a self-excited oscillation laser. In this case, the In composition of the oxidation promotion layer 506 may be set high so that the oxidation promotion layer 506 absorbs laser light.

(第5の実施形態)
図9は、本発明の第5の実施形態に係る面発光レーザの構成を示す断面図である。
(Fifth embodiment)
FIG. 9 is a sectional view showing the structure of a surface emitting laser according to the fifth embodiment of the present invention.

同図に示すように、本実施形態の面発光レーザは図6に示す第2の実施形態に係る面発光レーザと似た構成を有しており、サファイア基板601、窒化物半導体ミラー602およびn型クラッド層については第2の実施形態に係る面発光レーザと同一である。また、活性層604、第1のp型クラッド層605、酸化促進層613、第2のp型クラッド層614、透明電極607、p型電極608、n型電極用パッド611、p型電極用パッド609の組成および膜厚などは第2の実施形態の面発光レーザと同一である。   As shown in the figure, the surface emitting laser of this embodiment has a configuration similar to that of the surface emitting laser according to the second embodiment shown in FIG. 6, and includes a sapphire substrate 601, a nitride semiconductor mirror 602, and n. The mold cladding layer is the same as that of the surface emitting laser according to the second embodiment. Further, the active layer 604, the first p-type cladding layer 605, the oxidation promoting layer 613, the second p-type cladding layer 614, the transparent electrode 607, the p-type electrode 608, the n-type electrode pad 611, and the p-type electrode pad. The composition and film thickness of 609 are the same as those of the surface emitting laser of the second embodiment.

本実施形態の面発光レーザが第2の実施形態に係る面発光レーザと異なるのは、熱酸化膜606が活性層604の側面までを囲むように設けられ、活性層604の平面面積が狭められている点である。すなわち、熱酸化膜606は、酸化促進層613および活性層604の側面上に設けられた部分の厚さが厚く、第1のp型クラッド層605および第2のp型クラッド層614の側面上に設けられた部分の厚さが薄くなっている。   The surface emitting laser of this embodiment is different from the surface emitting laser according to the second embodiment in that the thermal oxide film 606 is provided so as to surround the side surface of the active layer 604, and the planar area of the active layer 604 is reduced. It is a point. That is, the thermal oxide film 606 has thick portions provided on the side surfaces of the oxidation promoting layer 613 and the active layer 604, and on the side surfaces of the first p-type cladding layer 605 and the second p-type cladding layer 614. The thickness of the portion provided in is reduced.

そして、活性層604のIn組成は例えば井戸層で10%であり、酸化促進層613のIn組成は5%と活性層604の井戸層よりもIn組成が小さくなっている。このため、酸化促進層613のバンドギャップは活性層604の発光波長より大きくなっており、活性層604で生じた光が酸化促進層613で吸収されることなく放出される。なお、熱酸化膜606は活性層604の側面をエッチングにより露出させた状態で行うことで形成される。この際に、酸化促進層613の膜厚を活性層604より厚くすることで、酸化促進層613のIn組成が活性層604より小さい場合でも酸化促進層613が酸化される速度を速めることができる。   The In composition of the active layer 604 is, for example, 10% in the well layer, and the In composition of the oxidation promoting layer 613 is 5%, which is smaller than that of the well layer of the active layer 604. For this reason, the band gap of the oxidation promoting layer 613 is larger than the emission wavelength of the active layer 604, and the light generated in the active layer 604 is emitted without being absorbed by the oxidation promoting layer 613. The thermal oxide film 606 is formed by performing the etching while exposing the side surface of the active layer 604 by etching. At this time, by making the film thickness of the oxidation promoting layer 613 thicker than that of the active layer 604, the rate at which the oxidation promoting layer 613 is oxidized can be increased even when the In composition of the oxidation promoting layer 613 is smaller than the active layer 604. .

このように、本実施形態の面発光レーザでは、酸化促進層613の膜厚を変えることにより、窒化物半導体層の側面上に形成される酸化膜の厚さを調節することが可能となる。例えば、活性層604の総膜厚を30nmとし、酸化促進層613の膜厚を80nmと厚く設定することにより、酸化促進層613の径を活性層604の径より狭く設定することが可能となる。このように酸化促進層と活性層の幅および厚さで電流狭窄と光閉じ込め構造を設計できるため、設計自由度が増し素子特性を向上させることができる。   Thus, in the surface emitting laser according to the present embodiment, the thickness of the oxide film formed on the side surface of the nitride semiconductor layer can be adjusted by changing the film thickness of the oxidation promoting layer 613. For example, by setting the total film thickness of the active layer 604 to 30 nm and the film thickness of the oxidation promoting layer 613 as 80 nm, the diameter of the oxidation promoting layer 613 can be set narrower than the diameter of the active layer 604. . Thus, since the current confinement and the optical confinement structure can be designed by the width and thickness of the oxidation promoting layer and the active layer, the degree of freedom in design can be increased and the device characteristics can be improved.

なお、本実施形態の面発光レーザにおいて、活性層604に効率よく電流を注入するために、活性層604の径より酸化促進層613の径を小さくすることが好ましい。   In the surface emitting laser of this embodiment, it is preferable to make the diameter of the oxidation promoting layer 613 smaller than the diameter of the active layer 604 in order to efficiently inject current into the active layer 604.

(第6の実施形態)
図10は、本発明の第6の実施形態に係るリッジ型半導体レーザの構成を示す断面図である。
(Sixth embodiment)
FIG. 10 is a sectional view showing a configuration of a ridge type semiconductor laser according to the sixth embodiment of the present invention.

同図に示すように、本実施形態の面発光レーザは図8に示す第4の実施形態に係る面発光レーザと似た構成を有しており、GaN基板701、第1のn型クラッド層702および第2のn型クラッド層703については第4の実施形態に係る半導体レーザと同一である。また、活性層704、第1のp型クラッド層705、酸化促進層706、第2のp型クラッド層707、p型電極708、n型電極710、n型電極用パッド711、p型電極用パッド709の組成および膜厚などは第4の実施形態の半導体レーザと同一である。   As shown in the figure, the surface emitting laser of this embodiment has a configuration similar to that of the surface emitting laser according to the fourth embodiment shown in FIG. 8, and includes a GaN substrate 701, a first n-type cladding layer. 702 and the second n-type cladding layer 703 are the same as those of the semiconductor laser according to the fourth embodiment. In addition, the active layer 704, the first p-type cladding layer 705, the oxidation promotion layer 706, the second p-type cladding layer 707, the p-type electrode 708, the n-type electrode 710, the n-type electrode pad 711, and the p-type electrode The composition and film thickness of the pad 709 are the same as those of the semiconductor laser of the fourth embodiment.

第1のp型クラッド層705はAl組成10%のAlGaNとGaNとを交互に積層した構造からなり、その厚さは0.5μmである。酸化促進層706はIn組成が6%で膜厚が80nmのInGaNからなっている。   The first p-type cladding layer 705 has a structure in which AlGaN and GaN having an Al composition of 10% are alternately stacked and has a thickness of 0.5 μm. The oxidation promotion layer 706 is made of InGaN having an In composition of 6% and a film thickness of 80 nm.

本実施形態の半導体レーザは、第5の実施形態で説明した酸化促進層と活性層とが共に酸化されて熱酸化膜が形成される構成をリッジ型半導体レーザに適用した点が第4の実施形態の半導体レーザと異なっている。酸化促進層706が活性層704より厚く設定することにより、熱酸化膜712のうち酸化促進層706の側面上の部分を、活性層704側面上の部分より厚く形成することができる。屈折率の小さい熱酸化膜に囲まれた酸化促進層706および活性層704は、リッジ方半導体レーザの光導波路として機能する。   The semiconductor laser of this embodiment is the fourth embodiment in that the structure in which the oxidation promotion layer and the active layer described in the fifth embodiment are both oxidized to form a thermal oxide film is applied to a ridge type semiconductor laser. This is different from the semiconductor laser of the form. By setting the oxidation promotion layer 706 to be thicker than the active layer 704, a portion of the thermal oxide film 712 on the side surface of the oxidation promotion layer 706 can be formed thicker than a portion on the side surface of the active layer 704. The oxidation promotion layer 706 and the active layer 704 surrounded by the thermal oxide film having a small refractive index function as an optical waveguide of the ridge semiconductor laser.

このように、酸化促進層706の径により光の閉じ込めを自由に設定でき、素子特性を向上させることができる。   Thus, light confinement can be freely set by the diameter of the oxidation promoting layer 706, and the device characteristics can be improved.

本発明の窒化物半導体装置は、DVDやハードディスク用の光源など、種々の用途に利用することができる。   The nitride semiconductor device of the present invention can be used for various applications such as a light source for DVDs and hard disks.

本発明の第1の実施形態に係る面発光レーザの構成を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structure of the surface emitting laser which concerns on the 1st Embodiment of this invention. (a)〜(e)は、第1の実施形態に係る面発光レーザの製造方法を示す断面図である(A)-(e) is sectional drawing which shows the manufacturing method of the surface emitting laser which concerns on 1st Embodiment. (a)、(b)は、メサ側壁の酸化過程を説明するための窒化物半導体層の模式的な断面図である。(A), (b) is typical sectional drawing of the nitride semiconductor layer for demonstrating the oxidation process of a mesa side wall. (a)は図3(b)と同一の面発光レーザを示す図であり、(b)は、(a)に示す面発光レーザにおける第2半導体層の組成と熱酸化により形成される熱酸化膜の膜厚との関係を示す図である。(A) is a figure which shows the same surface emitting laser as FIG.3 (b), (b) is the thermal oxidation formed by the composition and thermal oxidation of the 2nd semiconductor layer in the surface emitting laser shown to (a). It is a figure which shows the relationship with the film thickness of a film | membrane. 熱酸化処理後の半導体発光素子の縦断面を示す透過型電子顕微鏡(TEM)像である。It is a transmission electron microscope (TEM) image which shows the longitudinal cross-section of the semiconductor light-emitting device after a thermal oxidation process. 本発明の第2実施形態に係る面発光レーザの構成を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structure of the surface emitting laser which concerns on 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第3実施形態に係るリッジ型半導体レーザの構成を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structure of the ridge type semiconductor laser which concerns on 3rd Embodiment of this invention. 本発明の第4の実施形態に係るリッジ型半導体レーザの構成を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structure of the ridge type semiconductor laser which concerns on the 4th Embodiment of this invention. 本発明の第5の実施形態に係る面発光レーザの構成を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structure of the surface emitting laser which concerns on the 5th Embodiment of this invention. 本発明の第6の実施形態に係るリッジ型半導体レーザの構成を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structure of the ridge type semiconductor laser which concerns on the 6th Embodiment of this invention. 面発光レーザとして機能する、従来の半導体発光装置の一例を示す断面図である。It is sectional drawing which shows an example of the conventional semiconductor light-emitting device which functions as a surface emitting laser. (a)〜(e)は、従来の面発光レーザの製造方法を示す断面図である。(A)-(e) is sectional drawing which shows the manufacturing method of the conventional surface emitting laser.

101、201、301、601 サファイア基板
102、302、602 窒化物半導体ミラー
103、303 n型クラッド層
104、304、404、504、604、704 活性層
105、405 p型クラッド層
106、306、406、513、606、712 熱酸化膜
107、307、607 透明電極
108、308、408、508、608、708 p型電極
109、309、409、509、609、709 p型電極用パッド
110、310、410、510、710 n型電極
111、311、411、511、611、711 n型電極用パッド
112、312、612 反射膜
113 酸化防止マスク
202 第1半導体層
203 第2半導体層
204 第3半導体層
205、206、207 酸化膜
305、505、605、705 第1のp型クラッド層
313、506、613、706 酸化促進層
314、507、614、707 第2のp型クラッド層
401、501、701 GaN基板
402、502、702 第1のn型クラッド層
403、503、703 第2のn型クラッド層
101, 201, 301, 601 Sapphire substrate
102, 302, 602 Nitride semiconductor mirror
103, 303 n-type cladding layer
104, 304, 404, 504, 604, 704 Active layer
105, 405 p-type cladding layer
106, 306, 406, 513, 606, 712 Thermal oxide film
107, 307, 607 Transparent electrode
108, 308, 408, 508, 608, 708 p-type electrode
109,309,409,509,609,709 p-type electrode pad
110, 310, 410, 510, 710 n-type electrode
111, 311, 411, 511, 611, 711 N-type electrode pad
112, 312, 612 Reflective film
113 Antioxidation mask
202 1st semiconductor layer
203 Second semiconductor layer
204 Third semiconductor layer
205, 206, 207 Oxide films 305, 505, 605, 705 First p-type cladding layer
313, 506, 613, 706 Oxidation promoting layer
314, 507, 614, 707 Second p-type cladding layer
401, 501, 701 GaN substrate
402, 502, 702 First n-type cladding layer
403, 503, 703 Second n-type cladding layer

Claims (18)

基板と、
前記基板の上に形成された少なくとも2層の、互いに組成が異なるInを含有する窒化物半導体層とを備え、
前記少なくとも2層の窒化物半導体層のうちIn組成の大きな窒化物半導体層はIn組成の小さな窒化物半導体層よりも酸化速度が大きい酸化促進層であり、
かつ前記2層の窒化物半導体層の各々の一部は酸化されてなる
ことを特徴とする窒化物半導体装置。
A substrate,
A nitride semiconductor layer containing In having different compositions from each other, formed on at least two layers on the substrate;
Of the at least two nitride semiconductor layers, a nitride semiconductor layer having a large In composition is an oxidation promoting layer having a higher oxidation rate than a nitride semiconductor layer having a small In composition.
The nitride semiconductor device is characterized in that a part of each of the two nitride semiconductor layers is oxidized .
前記少なくとも2層の窒化物半導体層は互いにバンドギャップが異なり、
前記少なくとも2層の窒化物半導体層のうち、バンドギャップが小さい窒化物半導体層を酸化することで形成された絶縁膜の部分の厚みは、バンドギャップが大きい窒化物半導体層を酸化することで形成された前記絶縁膜の部分の厚みよりも厚くなっていることを特徴とする請求項1に記載の窒化物半導体装置。
The at least two nitride semiconductor layers have different band gaps from each other ,
Among the nitride semiconductor layer of said at least two layers, the thickness of the portion of the insulation Enmaku formed by oxidizing a small band gap nitride semiconductor layer by oxidizing a band gap larger nitride semiconductor layer The nitride semiconductor device according to claim 1, wherein the nitride semiconductor device is thicker than a thickness of the formed insulating film portion.
前記少なくとも2層の窒化物半導体層のうち、In組成の高い窒化物半導体層を酸化することで形成された前記絶縁膜の部分の厚みは、In組成の低い窒化物半導体層を酸化することで形成された前記絶縁膜の部分の厚みよりも厚くなっていることを特徴とする請求項2に記載の窒化物半導体装置。 Of the at least two nitride semiconductor layers, the thickness of the insulating film formed by oxidizing the nitride semiconductor layer having a high In composition is obtained by oxidizing the nitride semiconductor layer having a low In composition. The nitride semiconductor device according to claim 2, wherein the nitride semiconductor device is thicker than a thickness of a portion of the formed insulating film . 前記少なくとも2層の窒化物半導体層は、主面に対して垂直な方向に積層されており、
前記絶縁膜は、前記少なくとも2層の窒化物半導体層の側面上に形成されていることを特徴とする請求項3に記載の窒化物半導体装置。
The at least two nitride semiconductor layers are stacked in a direction perpendicular to the main surface,
The nitride semiconductor device according to claim 3, wherein the insulating film is formed on a side surface of the at least two nitride semiconductor layers.
前記窒化物半導体装置は、前記基板の上または上方に設けられた第1導電型の第1のクラッド層をさらに備え、
前記少なくとも2層の窒化物半導体層は、前記第1のクラッド層上に設けられ、光を生成する活性層と、前記活性層上に設けられ、前記活性層よりもIn組成の低い第2導電型の第2のクラッド層とを有しており、
前記活性層の平面面積は、前記第2のクラッド層の平面面積よりも小さくなっていることを特徴とする請求項4に記載の窒化物半導体装置。
The nitride semiconductor device further includes a first cladding layer of a first conductivity type provided on or above the substrate,
The at least two nitride semiconductor layers are provided on the first cladding layer, and an active layer that generates light, and a second conductive material provided on the active layer and having a lower In composition than the active layer. A second cladding layer of the mold,
The nitride semiconductor device according to claim 4, wherein a planar area of the active layer is smaller than a planar area of the second cladding layer.
前記活性層で生じた光を上方へと放射する面発光レーザとして機能することを特徴とする請求項5に記載の窒化物半導体装置。   6. The nitride semiconductor device according to claim 5, wherein the nitride semiconductor device functions as a surface emitting laser that emits light generated in the active layer upward. 前記活性層で生じた光を前記活性層の端面から放射するリッジ型半導体レーザとして機能することを特徴とする請求項5に記載の窒化物半導体装置。   6. The nitride semiconductor device according to claim 5, wherein the nitride semiconductor device functions as a ridge-type semiconductor laser that emits light generated in the active layer from an end face of the active layer. 前記少なくとも2層の窒化物半導体層は、記第2のクラッド層の上に設けられ、Inを含み、前記活性層よりも厚い第2の酸化促進層と、前記第2の酸化促進層の上に設けられた第2導電型の第3のクラッド層とをさらに有しており、
前記第2の酸化促進層の平面面積は、前記第2のクラッド層および前記第3のクラッド層の平面面積よりも小さいことを特徴とする請求項5に記載の窒化物半導体装置。
Wherein the at least two layers nitride semiconductor layer is provided on the front Stories second cladding layer includes In, and a second oxidation promoting layer thicker than said active layer, said second oxide promoting layer And a third clad layer of the second conductivity type provided thereon,
The plane area of the second oxidation promoting layer, a nitride semiconductor device according to claim 5, characterized in that less than a plane area of the second cladding layer and the third cladding layer.
前記窒化物半導体装置は、前記基板の上または上方に設けられた第1導電型の第4のクラッド層と、前記第4のクラッド層上に設けられ、光を生成する活性層とをさらに備え、
前記少なくとも2層の窒化物半導体層は、前記活性層上に設けられた第2導電型の第5のクラッド層と、前記第5のクラッド層よりもIn組成の高い第3の酸化促進層と、前記酸化促進層上に設けられ、前記第3の酸化促進層よりもIn組成の低い第2導電型の第6のクラッド層とを有しており、
前記第3の酸化促進層の平面面積は、前記第5のクラッド層および前記第6のクラッド層の平面面積よりも小さくなっていることを特徴とする請求項4に記載の窒化物半導体装置。
The nitride semiconductor device further includes a fourth clad layer of a first conductivity type provided on or above the substrate, and an active layer provided on the fourth clad layer and generating light. ,
The at least two nitride semiconductor layers include a fifth conductivity type fifth cladding layer provided on the active layer, and a third oxidation promotion layer having an In composition higher than that of the fifth cladding layer. A second conductivity type sixth cladding layer provided on the oxidation promotion layer and having a lower In composition than the third oxidation promotion layer;
5. The nitride semiconductor device according to claim 4, wherein a planar area of the third oxidation promotion layer is smaller than planar areas of the fifth cladding layer and the sixth cladding layer. 6.
前記第3の酸化促進層の膜厚は、前記第5のクラッド層および前記第6のクラッド層よりも厚く、
前記絶縁膜のうち、前記酸化促進層の側面上に設けられた部分の厚みは、前記第5のクラッド層および前記第6のクラッド層の側面上に設けられた部分の厚みより厚いことを特徴とする請求項9に記載の窒化物半導体装置。
The thickness of the third oxidation promotion layer is thicker than the fifth cladding layer and the sixth cladding layer,
Of the insulating film, the thickness of the portion provided on the side surface of the oxidation promoting layer is thicker than the thickness of the portion provided on the side surface of the fifth cladding layer and the sixth cladding layer. The nitride semiconductor device according to claim 9.
前記活性層で生じた光を上方へと放射する面発光レーザとして機能することを特徴とする請求項9に記載の窒化物半導体装置。   The nitride semiconductor device according to claim 9, wherein the nitride semiconductor device functions as a surface emitting laser that emits light generated in the active layer upward. 前記第3の酸化促進層は前記活性層で生じた光の導波路として働き、
前記光を前記活性層の端面から放射するリッジ型半導体レーザとして機能することを特徴とする請求項9に記載の窒化物半導体装置。
The third oxidation promotion layer serves as a waveguide for light generated in the active layer,
The nitride semiconductor device according to claim 9, wherein the nitride semiconductor device functions as a ridge type semiconductor laser that emits the light from an end face of the active layer.
基板の上または上方に、2種類以上のIn組成を有する複数の窒化物半導体層を形成する工程(a)と、
前記複数の窒化物半導体層の側壁部分を酸化して前記複数の窒化物半導体層の組成に応じた厚みを有する絶縁膜を、In組成の大きな窒化物半導体層がIn組成の小さな窒化物半導体層と比べて酸化速度が大きくなるように形成する工程(b)とを備えていることを特徴とする窒化物半導体装置の製造方法。
A step (a) of forming a plurality of nitride semiconductor layers having two or more types of In compositions on or above the substrate;
An insulating film having a thickness corresponding to the composition of the plurality of nitride semiconductor layers is formed by oxidizing the side wall portions of the plurality of nitride semiconductor layers, and a nitride semiconductor layer having a large In composition and a nitride semiconductor layer having a small In composition And a step (b) of forming the nitride semiconductor device so as to increase the oxidation rate as compared with the method of manufacturing a nitride semiconductor device.
前記工程(a)の後で且つ前記工程(b)の前に、前記複数の窒化物半導体層の一部を除去してメサ形状を形成する工程(c)をさらに備えていることを特徴とする請求項13に記載の窒化物半導体装置の製造方法。   After the step (a) and before the step (b), the method further includes a step (c) of removing a part of the plurality of nitride semiconductor layers to form a mesa shape. The method for manufacturing a nitride semiconductor device according to claim 13. 前記工程(a)で形成される前記複数の窒化物半導体層は、Inを含み、光を生成する活性層と、前記活性層上に設けられ、前記活性層よりもIn組成が低い第1のクラッド層とを有することを特徴とする請求項13に記載の窒化物半導体装置の製造方法。 The plurality of nitride semiconductor layers formed in the step (a) includes an active layer that contains In, generates light, and is provided on the active layer, and has a lower In composition than the active layer. 14. The method for manufacturing a nitride semiconductor device according to claim 13 , further comprising a cladding layer. 前記工程(a)で形成される前記複数の窒化物半導体層は、第2のクラッド層と、前記第2のクラッド層上に設けられ、Inを含み、前記第2のクラッド層よりも厚い酸化促進層と、前記酸化促進層上に設けられ、前記酸化促進層よりも薄い第3のクラッド層とを有することを特徴とする請求項13に記載の窒化物半導体装置の製造方法。 The plurality of nitride semiconductor layers formed in the step (a) are provided on the second cladding layer and the second cladding layer, include In, and are thicker than the second cladding layer. The method for manufacturing a nitride semiconductor device according to claim 13 , further comprising: an accelerating layer and a third cladding layer provided on the oxidation accelerating layer and thinner than the oxidation accelerating layer. 前記工程(b)では、酸素化合物を含むガス雰囲気中で熱処理を行うことによって前記絶縁膜を形成することを特徴とする請求項13に記載の窒化物半導体装置の製造方法。   14. The method of manufacturing a nitride semiconductor device according to claim 13, wherein in the step (b), the insulating film is formed by performing a heat treatment in a gas atmosphere containing an oxygen compound. 前記酸素化合物を含むガスが水蒸気であることを特徴とする請求項17に記載の窒化物半導体装置の製造方法。 The method for manufacturing a nitride semiconductor device according to claim 17 , wherein the gas containing the oxygen compound is water vapor.
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