JP4788138B2 - Nitride semiconductor device - Google Patents

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本発明は発光ダイオード(LED)、半導体レーザダイオード(LD)等の発光デバイス、又はフォトダイオード等の受光デバイスに利用される窒化物半導体よりなる素子に関する。   The present invention relates to a light emitting device such as a light emitting diode (LED) and a semiconductor laser diode (LD), or an element made of a nitride semiconductor used for a light receiving device such as a photodiode.

窒化物半導体は、紫外から可視域におよぶ広範なバンドギャップエネルギーを有し、発光・受光デバイス用半導体材料として有用である。窒化物半導体は、典型的には一般式がAlXInYGa1-X-YN(0≦X、0≦Y、X+Y≦1)で表される。窒化物半導体を用いた窒化物半導体素子は、従って比較的短波長の紫外線領域から赤色を含む可視光領域までの広い波長領域の発光を有しており、LEDやLDなどを構成する素子として広く用いられている。近年は、小型化、長寿命化、高信頼性、かつ高出力化が進み、主としてパーソナルコンピュータ、DVDなどの電子機器、医療機器、加工機器や光ファイバ通信の光源などに利用されている。このような窒化物半導体素子を構成する窒化物半導体層はエピタキシャル成長により形成されるが、下地基板となり得る良質の大型GaN単結晶基板は存在しなかった。そこで、従来より下地基板としてサファイアやSiC等、窒化物半導体とは異なる異種基板が利用されてきた。例えば、Alの組成比の高い高混晶のAlGaN層を含む発光ダイオードや半導体レーザ等を作成する際には、サファイア等の基板上に有機金属気相成長法(MOCVD)を利用してGaNを成長させるヘテロエピタキシ技術により、基板上にGaNをELO(epitaxial laterally overgrowth)成長させたGaN−ELO基板が下地基板として利用されてきた。図1に示すように、このELO基板上11にクラックの発生を防ぐバッファ層(緩衝層)としてInGaN層12を成長させ、さらにその上にAlInGaN素子13を成長させることで窒化物半導体素子を製造している。この方法によれば、ELO基板上での窒化物半導体の再成長における転位の増加を抑制し、効果的にクラックの発生を防止し結晶性を向上させ、かつ良好な電気特性を得ることができる。
特開2002−316893号公報
Nitride semiconductors have a wide band gap energy ranging from the ultraviolet to the visible range, and are useful as semiconductor materials for light emitting / receiving devices. A nitride semiconductor is typically represented by a general formula of Al X In Y Ga 1-XY N (0 ≦ X, 0 ≦ Y, X + Y ≦ 1). Nitride semiconductor devices using nitride semiconductors therefore have light emission in a wide wavelength region from a relatively short wavelength ultraviolet region to a visible light region including red, and are widely used as devices constituting LEDs and LDs. It is used. In recent years, miniaturization, long life, high reliability, and high output have progressed, and they are mainly used for electronic devices such as personal computers and DVDs, medical devices, processing devices, and optical fiber communication light sources. A nitride semiconductor layer constituting such a nitride semiconductor element is formed by epitaxial growth, but there is no high-quality large-sized GaN single crystal substrate that can serve as a base substrate. Therefore, different types of substrates different from nitride semiconductors such as sapphire and SiC have been conventionally used as the base substrate. For example, when making a light emitting diode or a semiconductor laser including a highly mixed crystal AlGaN layer with a high Al composition ratio, GaN is formed on a substrate such as sapphire by using metal organic chemical vapor deposition (MOCVD). A GaN-ELO substrate obtained by growing GaN on the substrate by ELO (epitaxial laterally overgrowth) has been used as a base substrate by heteroepitaxial technology for growth. As shown in FIG. 1, an InGaN layer 12 is grown on the ELO substrate 11 as a buffer layer (buffer layer) for preventing the occurrence of cracks, and an AlInGaN element 13 is further grown thereon to manufacture a nitride semiconductor element. is doing. According to this method, an increase in dislocations in the regrowth of the nitride semiconductor on the ELO substrate can be suppressed, cracks can be effectively prevented, crystallinity can be improved, and good electrical characteristics can be obtained. .
JP 2002-316893 A

一方で、このようなELO基板に代わり、良質で大面積の窒化物半導体ウエハ、とりわけフリースタンディングウエハ(自立ウエハ)の実現が強く求められている。フリースタンディングの窒化物半導体ウエハとは、サファイア、GaAs、SiC等の支持基板のない主に窒化物半導体から構成されるウエハである。特にサファイアは窒化物半導体と格子定数や熱膨張係数が大きく異なるため、このような異種基板上でのエピタキシャル成長層は、界面で転位や応力が発生するという問題があり、低い転位密度を有する大型のGaN単結晶基板の実現が期待されている。一般に、フリースタンディングの窒化物半導体ウエハを得るためには、窒化物半導体とは異なる材料からなる基板上に窒化物半導体膜をエピタキシャル成長させ、その後、基板を除去するという方法が用いられている。このようなフリースタンディングウエハとして、サファイア基板を有しないフリースタンディングGaN基板(Free-Standing-GaN)が開発されている。フリースタンディングGaN基板は、サファイア基板などの異種基板を下地基板としてGaN基板層を成長させた後、下地基板を研磨やエッチング等で除去してGaN基板のみとしている。このため、基板のひずみを是正し、また表面を平坦にする必要があり、CMP(化学機械的研磨)処理等により表面を研磨している。したがって、サファイア基板上にGaN層を成長させて使用する場合は、成長した面がそのまま表面となるのに対し、フリースタンディングGaN基板ではGaN基板層を成長後に表面を一旦研磨し、その後再成長させることとなる。しかしながら、このようなフリースタンディングGaN基板21を用いて、図2に示すように上記と同様の構成のAlInGaN素子23を含む窒化物半導体素子を、InGaNバッファ層22を介して成長させようとすると、ELO基板上における成長と異なり、明らかな結晶欠陥の増加が発生することが判明した。このような結晶欠陥の増加は電気特性に大きな影響を与え、素子の劣化を引き起こす大きな要因となる。   On the other hand, in place of such an ELO substrate, there is a strong demand for realizing a high-quality, large-area nitride semiconductor wafer, particularly a free-standing wafer (self-standing wafer). A free-standing nitride semiconductor wafer is a wafer mainly composed of a nitride semiconductor without a support substrate such as sapphire, GaAs, or SiC. In particular, sapphire has a large difference in lattice constant and thermal expansion coefficient from that of nitride semiconductors. Therefore, the epitaxial growth layer on such a heterogeneous substrate has a problem of generating dislocations and stresses at the interface, and has a large dislocation density. Realization of a GaN single crystal substrate is expected. In general, in order to obtain a free-standing nitride semiconductor wafer, a method is used in which a nitride semiconductor film is epitaxially grown on a substrate made of a material different from that of the nitride semiconductor, and then the substrate is removed. As such a free standing wafer, a free standing GaN substrate having no sapphire substrate (Free-Standing-GaN) has been developed. In the free-standing GaN substrate, a GaN substrate layer is grown using a heterogeneous substrate such as a sapphire substrate as a base substrate, and then the base substrate is removed by polishing, etching, or the like to make only the GaN substrate. For this reason, it is necessary to correct the distortion of the substrate and to flatten the surface, and the surface is polished by a CMP (Chemical Mechanical Polishing) process or the like. Therefore, when a GaN layer is grown and used on a sapphire substrate, the grown surface becomes the surface as it is, whereas in a free-standing GaN substrate, the surface is temporarily polished after the GaN substrate layer is grown and then regrown. It will be. However, when such a free-standing GaN substrate 21 is used to grow a nitride semiconductor element including an AlInGaN element 23 having the same configuration as described above via the InGaN buffer layer 22 as shown in FIG. Unlike growth on ELO substrates, it has been found that a clear increase in crystal defects occurs. Such an increase in crystal defects greatly affects the electrical characteristics and becomes a major factor that causes deterioration of the device.

本発明は、このような問題点を解決するためになされたものである。本発明の主な目的は、フリースタンディングGaN基板上で成長させた窒化物半導体素子の電気特性を改善させることにある。   The present invention has been made to solve such problems. The main object of the present invention is to improve the electrical characteristics of a nitride semiconductor device grown on a freestanding GaN substrate.

以上の目的を達成するために本発明の第1の側面に係る窒化物半導体素子は、GaNよりなるフリースタンディングの基板と、基板上に形成されたn−AlxGa1-xN(0<x≦0.05)よりなる第1バッファ層と、第1バッファ層上に形成されたn−InyGa1-yN(0<y≦0.1)よりなる第2バッファ層と、第2バッファ層上に形成されたn−AlGaN層とを備えており、第1バッファ層と第2バッファ層は接している。この構成により、バッファ層の機能を、再成長界面からの転位の発生を抑制する第1バッファ層と、クラックの発生を抑制する第2バッファ層とに分けることで、フリースタンディング基板上に高品質のAlGaN層を成長させ、電気特性の優れた窒化物半導体素子を得ることができる。 In order to achieve the above object, a nitride semiconductor device according to the first aspect of the present invention includes a free-standing substrate made of GaN, and n-Al x Ga 1-x N (0 < a first buffer layer made of x ≦ 0.05 ), a second buffer layer made of n-In y Ga 1-y N (0 <y ≦ 0.1) formed on the first buffer layer, 2 includes an n-AlGaN layer which is formed in the buffer layer, the first buffer layer and second buffer layer that are in contact. With this configuration, the function of the buffer layer is divided into a first buffer layer that suppresses the occurrence of dislocations from the regrowth interface and a second buffer layer that suppresses the occurrence of cracks, thereby achieving high quality on the free-standing substrate. A nitride semiconductor device having excellent electrical characteristics can be obtained by growing the AlGaN layer.

さらにまた、本発明の第2の側面に係る窒化物半導体素子は、第1バッファ層の膜厚を、第2バッファ層の膜厚よりも薄くすることができる。この構成により、第1バッファ層によるクラックの発生を抑止することができる。   Furthermore, in the nitride semiconductor device according to the second aspect of the present invention, the thickness of the first buffer layer can be made thinner than the thickness of the second buffer layer. With this configuration, the occurrence of cracks by the first buffer layer can be suppressed.

さらにまた、本発明の第3の側面に係る窒化物半導体素子は、第1バッファ層の膜厚が、300〜3000オングストロームであり、第2バッファ層の膜厚が、500〜4000オングストロームとできる。この構成により、第1バッファ層によるクラックの発生を抑止することができる。   Furthermore, in the nitride semiconductor device according to the third aspect of the present invention, the thickness of the first buffer layer can be 300 to 3000 Å, and the thickness of the second buffer layer can be 500 to 4000 Å. With this configuration, the occurrence of cracks by the first buffer layer can be suppressed.

さらにまた、本発明の第4の側面に係る窒化物半導体素子は、第1バッファ層のSi濃度を、第2バッファ層のSi濃度よりも低くすることができる。この構成により、第2バッファ層成長の結晶品質の低下を防ぐことができる。   Furthermore, in the nitride semiconductor device according to the fourth aspect of the present invention, the Si concentration of the first buffer layer can be made lower than the Si concentration of the second buffer layer. With this configuration, it is possible to prevent a decrease in crystal quality during the growth of the second buffer layer.

さらにまた、本発明の第5の側面に係る窒化物半導体素子は、第1バッファ層のSi濃度が、0.3×1018〜3.0×1018cm-3であり、第2バッファ層のSi濃度が、1×1018〜5×1018cm-3とできる。この構成により、第2バッファ層成長の結晶品質の低下を防ぐことができる。 Furthermore, in the nitride semiconductor device according to the fifth aspect of the present invention, the Si concentration of the first buffer layer is 0.3 × 10 18 to 3.0 × 10 18 cm −3 , and the second buffer layer The Si concentration can be set to 1 × 10 18 to 5 × 10 18 cm −3 . With this configuration, it is possible to prevent a decrease in crystal quality during the growth of the second buffer layer.

さらにまた、本発明の第6の側面に係る窒化物半導体素子は、AlGaN層のAlの組成比が0.05以上とできる。   Furthermore, in the nitride semiconductor device according to the sixth aspect of the present invention, the Al composition ratio of the AlGaN layer can be 0.05 or more.

さらにまた、本発明の第7の側面に係る窒化物半導体素子は、基板が、SiあるいはOをドープしたフリースタンディングGaN基板である。   Furthermore, in the nitride semiconductor device according to the seventh aspect of the present invention, the substrate is a free-standing GaN substrate doped with Si or O.

さらにまた、本発明の第8の側面に係る窒化物半導体素子は、基板が、表面を平滑に加工した基板である。   Furthermore, in the nitride semiconductor device according to the eighth aspect of the present invention, the substrate is a substrate whose surface is processed smoothly.

さらにまた、本発明の第9の側面に係る窒化物半導体素子は、支持基板となる窒化ガリウムと、該基板上にAlを含むn型窒化ガリウムである第1バッファ層と、該第1バッファ層上にInを含むn型窒化ガリウムである第2バッファ層と、該第2バッファ層上にAlを含むn型窒化ガリウムとを備えており、第1バッファ層と第2バッファ層は接している。この構成により、バッファ層の機能を、再成長界面からの転位の発生を抑制する第1バッファ層と、クラックの発生を抑制する第2バッファ層とに分けることで、フリースタンディング基板上に高品質のAlを含む窒化ガリウムを成長させ、電気特性の優れた窒化物半導体素子を得ることができる。
また他の側面に係る窒化物半導体素子は、n−AlGaN層あるいはAlを含むn型窒化ガリウム上に、活性層、p−AlGaN層が順に形成されていることを特徴とする。
Furthermore, the nitride semiconductor device according to the ninth aspect of the present invention includes a gallium nitride serving as a support substrate, a first buffer layer made of n-type gallium nitride containing Al on the substrate, and the first buffer layer. a second buffer layer is n-type gallium nitride containing in on, and an n-type gallium nitride containing Al in the second buffer layer, the first buffer layer and second buffer layer is that in contact . With this configuration, the function of the buffer layer is divided into a first buffer layer that suppresses the occurrence of dislocations from the regrowth interface and a second buffer layer that suppresses the occurrence of cracks, thereby achieving high quality on the free-standing substrate. By growing gallium nitride containing Al, a nitride semiconductor device having excellent electrical characteristics can be obtained.
The nitride semiconductor device according to another aspect is characterized in that an active layer and a p-AlGaN layer are sequentially formed on an n-AlGaN layer or an n-type gallium nitride containing Al.

本発明の窒化物半導体素子によれば、バッファ層を複数の層に分けることにより、効果的に再成長界面からの転位の発生を防ぎ、かつクラックの発生を抑制するという機能を奏することができる。   According to the nitride semiconductor device of the present invention, by dividing the buffer layer into a plurality of layers, it is possible to effectively prevent the occurrence of dislocation from the regrowth interface and suppress the occurrence of cracks. .

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。ただし、以下に示す実施の形態は、本発明の技術思想を具体化するための窒化物半導体素子を例示するものであって、本発明は窒化物半導体素子を以下のものに特定しない。また、本明細書は特許請求の範囲に示される部材を、実施の形態の部材に特定するものでは決してない。特に実施の形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は特に特定的な記載がない限りは、本発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。なお、各図面が示す部材の大きさや位置関係等は、説明を明確にするため誇張していることがある。さらに以下の説明において、同一の名称、符号については同一もしくは同質の部材を示しており、詳細説明を適宜省略する。さらに、本発明を構成する各要素は、複数の要素を同一の部材で構成して一の部材で複数の要素を兼用する態様としてもよいし、逆に一の部材の機能を複数の部材で分担して実現することもできる。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. However, the embodiment described below exemplifies a nitride semiconductor element for embodying the technical idea of the present invention, and the present invention does not specify the nitride semiconductor element as follows. Further, the present specification by no means specifies the members shown in the claims to the members of the embodiments. In particular, the dimensions, materials, shapes, relative arrangements, and the like of the component parts described in the embodiments are not intended to limit the scope of the present invention unless otherwise specified, and are merely explanations. It is just an example. Note that the size, positional relationship, and the like of the members shown in each drawing may be exaggerated for clarity of explanation. Furthermore, in the following description, the same name and symbol indicate the same or the same members, and detailed description thereof will be omitted as appropriate. Furthermore, each element constituting the present invention may be configured such that a plurality of elements are constituted by the same member and the plurality of elements are shared by one member, and conversely, the function of one member is constituted by a plurality of members. It can also be realized by sharing.

図3に、本発明の一実施の形態に係る窒化物半導体素子の構成を概略断面図で示す。この図に示す窒化物半導体素子は、フリースタンディングGaN基板31と、基板上に形成された第1バッファ層32であるn−AlGaNと、第1バッファ層32上に形成された第2バッファ層34であるn−InGaNと、第2バッファ層34上に形成されたAlInGaN素子36とを備える。このようにバッファ層の機能毎に異なる組成の層を組み合わせることで、転位の伝搬とクラック防止機能を両立させ、高品質のAlInGaN素子36を成長させることで電気特性の優れた窒化物半導体素子を得ることができる。半導体を用いる光学素子の寿命特性は、転位密度を含む活性層の結晶性に依存するため、可能な限り転位を低減する必要がある。またクラックの発生も素子への悪影響を及ぼす。例えばGaN基板上に形成されるn型コンタクト層内に微細なクラックが発生すると、レーザ素子の場合はしきい値の上昇や寿命特性の低下などを生じるおそれがある。したがって、クラックや転位の発生を阻止することが素子の信頼性に重要となる。   FIG. 3 is a schematic cross-sectional view showing the configuration of the nitride semiconductor device according to one embodiment of the present invention. The nitride semiconductor device shown in this figure includes a free-standing GaN substrate 31, n-AlGaN that is a first buffer layer 32 formed on the substrate, and a second buffer layer 34 formed on the first buffer layer 32. N-InGaN and an AlInGaN element 36 formed on the second buffer layer 34. Thus, by combining layers having different compositions for each function of the buffer layer, it is possible to achieve a dislocation propagation and a crack prevention function, and to grow a high-quality AlInGaN element 36, thereby producing a nitride semiconductor element having excellent electrical characteristics. Obtainable. Since the lifetime characteristic of an optical element using a semiconductor depends on the crystallinity of the active layer including the dislocation density, it is necessary to reduce dislocations as much as possible. The occurrence of cracks also has an adverse effect on the device. For example, if a fine crack is generated in an n-type contact layer formed on a GaN substrate, there is a possibility that a threshold value is increased or a life characteristic is decreased in the case of a laser element. Therefore, preventing the occurrence of cracks and dislocations is important for device reliability.

フリースタンディングGaN基板31は、好ましくはSiあるいはOをドープする。また表面を平滑にするため、CMP処理や研磨などにより表面加工する。一般にフリースタンディングGaN基板を使用する場合は、図2に示すように、GaN基板からクラックが発生するのを防止するためにInGaNバッファ層を基板上に成長させる。しかしながらInGaNバッファ層上から再成長させると、転位が発生し、またGaN基板を研磨した際のスクラッチ傷と思われる痕跡が残る。この原因は、フリースタンディングGaN基板表面を研磨などで加工することで生じたスクラッチ傷が、InGaNバッファ層で解消できていないためと思われる。そこで、InGaN層とGaN基板との間に、さらにAlGaN層を介在させることで、上記の転位の発生を抑止し、またクラックの発生も阻止できるとの知見を得た。   The free-standing GaN substrate 31 is preferably doped with Si or O. In order to smooth the surface, the surface is processed by CMP treatment or polishing. In general, when a free-standing GaN substrate is used, an InGaN buffer layer is grown on the substrate in order to prevent cracks from being generated from the GaN substrate, as shown in FIG. However, when regrowth is performed from the InGaN buffer layer, dislocation occurs, and a trace that seems to be a scratch when the GaN substrate is polished remains. This is presumably because the scratches caused by processing the surface of the freestanding GaN substrate by polishing or the like cannot be eliminated by the InGaN buffer layer. Thus, it has been found that by further interposing an AlGaN layer between the InGaN layer and the GaN substrate, the occurrence of the above dislocations can be suppressed and the occurrence of cracks can also be prevented.

第1バッファ層32は、n−AlxGa1-xN(0x≦0.05)とし、主にフリースタンディングGaN基板31との再成長界面からの転位の発生を抑制する。第1バッファ層32には、好ましくはSi等のドーパントをドープする。ドーパントのドープ量は、Si濃度が0.3×1018〜3.0×1018cm-3となるように調整される。また第1バッファ層32の膜厚は、好ましくは300〜3000オングストロームとする。なおx値は、0.03以下にすることにより、よりクラックが発生し難くできるため好ましい。 The first buffer layer 32 is made of n-Al x Ga 1-x N (0 < x ≦ 0.05), and mainly suppresses the occurrence of dislocations from the regrowth interface with the free-standing GaN substrate 31. The first buffer layer 32 is preferably doped with a dopant such as Si. The doping amount of the dopant is adjusted so that the Si concentration is 0.3 × 10 18 to 3.0 × 10 18 cm −3 . The thickness of the first buffer layer 32 is preferably 300 to 3000 angstroms. The x value is preferably 0.03 or less because cracks are less likely to occur.

一方、第2バッファ層34はn−InyGa1-yN(0<y≦0.1)とし、主にクラック防止層として機能する。第2バッファ層34にも好ましくはSi等のドーパントをドープし、そのドープ量はSi濃度が1×1018〜5×1018cm-3となるように調整される。また第2バッファ層34の膜厚は、好ましくは500〜4000オングストロームとする。これによって第2バッファ層成長の結晶品質の低下を防ぐことができる。なおy値は、0.03以上とすることにより、よりクラックを発生し難くでき、また0.08以下とすることで、より結晶性を向上させることができる。 On the other hand, the second buffer layer 34 is made of n-In y Ga 1-y N (0 <y ≦ 0.1) and mainly functions as a crack prevention layer. The second buffer layer 34 is also preferably doped with a dopant such as Si, and the doping amount is adjusted so that the Si concentration is 1 × 10 18 to 5 × 10 18 cm −3 . The thickness of the second buffer layer 34 is preferably 500 to 4000 angstroms. This can prevent the crystal quality of the second buffer layer growth from deteriorating. In addition, by making y value 0.03 or more, it can make it harder to generate | occur | produce a crack, and crystallinity can be improved more by making it 0.08 or less.

第1バッファ層32は、第2バッファ層34であるn−InyGa1-yN(0<y≦0.1)よりも膜厚を薄くすることが好ましい。第1バッファ層32としてInGaN層でなくAlGaN層を使用することにより、クラックの発生が増加する。このクラックの増加を防ぐには第2バッファ層34のInの混晶比を増すか、あるいは第2バッファ層34の膜厚を増加させることが考えられるが、一方でIn混晶比の増加およびInGaN層の膜厚の増加は、いずれもInGaN層の結晶性の低下を招くことになり好ましくない。この問題を解決するために、第1バッファ層32の膜厚を第2バッファ層34に比して相対的に薄くすることでクラックの発生を抑制している。第2バッファ層34の膜厚を抑えることで、バッファ層としての機能を果たしつつ量産効率の改善にも寄与する。また同様に、第1バッファ層32のSi濃度も、第2バッファ層34のSi濃度よりも低くすることで、InGaN層の結晶品質の低下を防ぐことができる。 The first buffer layer 32 is preferably thinner than n-In y Ga 1-y N (0 <y ≦ 0.1), which is the second buffer layer 34. By using an AlGaN layer instead of the InGaN layer as the first buffer layer 32, the occurrence of cracks increases. In order to prevent the increase of the crack, it is conceivable to increase the In mixed crystal ratio of the second buffer layer 34 or to increase the film thickness of the second buffer layer 34. Any increase in the thickness of the InGaN layer is undesirable because it leads to a decrease in crystallinity of the InGaN layer. In order to solve this problem, the occurrence of cracks is suppressed by making the thickness of the first buffer layer 32 relatively smaller than that of the second buffer layer 34. By suppressing the film thickness of the second buffer layer 34, it contributes to the improvement of mass production efficiency while fulfilling the function as a buffer layer. Similarly, the crystal concentration of the InGaN layer can be prevented from being lowered by making the Si concentration of the first buffer layer 32 lower than the Si concentration of the second buffer layer 34.

以上のように、第1バッファ層としてInGaNバッファ層を加えることで生じるクラックの増加を、第1バッファ層のSiドープ量や膜厚を減少することで抑制できる。またこれによって第2バッファ層のIn混晶比を増加させることなく、転位及びクラックの抑制という効果を最大限発揮することができる。これによってフリースタンディングGaN基板上を利用してAlInGaN素子を成長させる際の問題を解消し、電気特性の優れた窒化物半導体素子を得ることができる。AlInGaN素子36は、AlGaN層をn側クラッド層等として含む半導体素子である。このAlGaN層は、Alの組成比を高くした高混晶とすることができ、例えばAlの組成比を0.05以上とすることもできる。   As described above, an increase in cracks caused by adding the InGaN buffer layer as the first buffer layer can be suppressed by reducing the Si doping amount and the film thickness of the first buffer layer. In addition, the effect of suppressing dislocations and cracks can be maximized without increasing the In mixed crystal ratio of the second buffer layer. This eliminates the problem of growing an AlInGaN device using a free-standing GaN substrate, and a nitride semiconductor device having excellent electrical characteristics can be obtained. The AlInGaN element 36 is a semiconductor element including an AlGaN layer as an n-side cladding layer or the like. The AlGaN layer can be a highly mixed crystal with a high Al composition ratio, for example, the Al composition ratio can be 0.05 or more.

上記構成の効果を確認するために、図3の構成で成長させた高混晶AlGaN層のCL(カソードルミネッセンス)顕微鏡写真を図4に示す。また比較例として、図1の構成でサファイア基板を用いてInGaNバッファ層を介して成長させた高混晶AlGaN層、及び図2の構成でフリースタンディングGaN基板上にInGaNバッファ層を介して成長させた高混晶AlGaN層のCL顕微鏡写真をそれぞれ図5、図6に示す。これらの図において、黒い部分は転位の発生を示す。図から明らかなように、本実施の形態の構成では転位の発生が殆ど見られないのに対し、サファイア基板の場合は縦縞状に転位の発生が確認され、またフリースタンディングGaN基板にInGaNバッファ層を使用した例でも斑点状の転位が全体で確認された。このことから、バッファ層を2層に分ける構成の優位性が確認された。
(窒化物半導体素子の製造方法)
In order to confirm the effect of the above configuration, a CL (cathode luminescence) micrograph of a highly mixed crystal AlGaN layer grown with the configuration of FIG. 3 is shown in FIG. As a comparative example, a highly mixed crystal AlGaN layer grown through an InGaN buffer layer using a sapphire substrate in the configuration of FIG. 1 and a free standing GaN substrate grown through an InGaN buffer layer in the configuration of FIG. CL micrographs of the highly mixed crystal AlGaN layer are shown in FIGS. 5 and 6, respectively. In these figures, black portions indicate the occurrence of dislocations. As is apparent from the figure, in the configuration of the present embodiment, almost no dislocation is observed, whereas in the case of the sapphire substrate, the occurrence of dislocation is confirmed in the form of vertical stripes, and the InGaN buffer layer is formed on the free-standing GaN substrate. Even in the example using, spot-like dislocations were confirmed as a whole. From this, the superiority of the configuration in which the buffer layer is divided into two layers was confirmed.
(Nitride semiconductor device manufacturing method)

以上のようにして成長された高混晶AlGaN層を含む窒化物半導体素子は、LEDやLD等の発光素子や受光素子が作成できる。次に実施例1として、図7の模式断面図に示す445nmで発振する窒化物半導体レーザ素子の製造方法を説明する。n型にドープしたGaN基板101をMOVPE反応容器内にセットし、TMA(トリメチルアルミニウム)、トリメチルガリウム(TMG)、アンモニア(NH3)を用い、不純物ガスにシランガス(SiH4)を用い、Siを0.8×1018/cm3ドープしたn−Al0.02Ga0.98Nよりなる第1バッファ層102を1000オングストロームの膜厚で成長させる。第1バッファ層成長後、昇温してTMI(トリメチルインジウム)、TMG、アンモニアを用い、不純物ガスにシランガスを用い、Siを3×1018/cm3ドープしたn−InyGa1-yNよりなる第2バッファ層103を1500オングストロームの膜厚で成長させる。 A nitride semiconductor element including a highly mixed crystal AlGaN layer grown as described above can be used to produce a light emitting element or a light receiving element such as an LED or LD. Next, as a first embodiment, a method for manufacturing a nitride semiconductor laser element oscillating at 445 nm shown in the schematic cross-sectional view of FIG. An n-type doped GaN substrate 101 is set in a MOVPE reaction vessel, TMA (trimethylaluminum), trimethylgallium (TMG), ammonia (NH 3 ) is used, silane gas (SiH 4 ) is used as an impurity gas, Si is used. A first buffer layer 102 made of n-Al 0.02 Ga 0.98 N doped with 0.8 × 10 18 / cm 3 is grown to a thickness of 1000 Å. After growing the first buffer layer, the temperature is raised and TMI (trimethylindium), TMG, ammonia is used, silane gas is used as impurity gas, and Si is doped at 3 × 10 18 / cm 3, and n-In y Ga 1-y N A second buffer layer 103 is grown to a thickness of 1500 angstroms.

次にTMA、TMG、アンモニアを用い、1050℃でアンドープAl0.16Ga0.84Nよりなる層を25オングストロームの膜厚で成長させ、続いてTMAを止めて、シランガスを流し、Siを1×1019/cm3ドープしたn型GaNよりなる層を25オングストロームの膜厚で成長させる。それらの層を交互積層して超格子層を構成し、総膜厚1.2μmの超格子よりなるn側クラッド層104を成長させる。ここで、成長されたn側クラッド層104には、微細なクラックが発生しておらず、クラックの発生が良好に防止されている。また、GaN基板に微細なクラックやスクラッチ傷が生じていても、第1,第2バッファ層を成長させることでクラックの伝播を防止でき結晶性の良好な素子構造を成長さることができる。本実施例では、InGaN第2バッファ層よりもAlGaN第1バッファ層の膜厚を薄くし、In組成比を増すことなくクラックの増加を防止している。 Next, using TMA, TMG, and ammonia, a layer made of undoped Al 0.16 Ga 0.84 N is grown at 1050 ° C. to a thickness of 25 Å, then TMA is stopped, silane gas is allowed to flow, and Si is supplied at 1 × 10 19 / A layer made of cm 3 -doped n-type GaN is grown to a thickness of 25 Å. These layers are alternately stacked to form a superlattice layer, and an n-side cladding layer 104 made of a superlattice having a total thickness of 1.2 μm is grown. Here, in the grown n-side cladding layer 104, no fine cracks are generated, and the generation of cracks is well prevented. Further, even if a fine crack or scratch is generated on the GaN substrate, the propagation of the crack can be prevented by growing the first and second buffer layers, and an element structure with good crystallinity can be grown. In this embodiment, the thickness of the AlGaN first buffer layer is made thinner than that of the InGaN second buffer layer, thereby preventing an increase in cracks without increasing the In composition ratio.

次に、原料ガスにTMG及びアンモニアを用い、1050℃の温度で、アンドープのGaNよりなるn型光ガイド層105を750オングストロームの膜厚で成長させる。次に、温度を880℃にして、原料ガスにTMI、TMG及びアンモニアを用い、不純物ガスとしてシランガスを用い、Siを5×1018/cm3ドープしたIn0.01Ga0.99Nよりなる障壁層を100オングストロームの膜厚で成長させる。続いて、温度を820℃に下げ、シランガスを止め、アンドープのIn0.3Ga0.7Nよりなる井戸層を50オングストロームの膜厚で成長させる。さらに、同温度でTMAを用い、Al0.3Ga0.7Nよりなる中間層を10オングストロームの膜厚で成長させる。この障壁層、井戸層、中間層の3層構造をさらに2回繰り返して積層し、最後に障壁層を形成して、総膜厚580オングストロームの多重量子井戸(MQW)からなる活性層106を成長させる。 Next, using TMG and ammonia as source gases, an n-type light guide layer 105 made of undoped GaN is grown at a temperature of 1050 ° C. to a thickness of 750 Å. Next, the temperature is set to 880 ° C., TMI, TMG, and ammonia are used as source gases, silane gas is used as an impurity gas, and a barrier layer made of In 0.01 Ga 0.99 N doped with Si at 5 × 10 18 / cm 3 is added. Grow with angstrom thickness. Subsequently, the temperature is lowered to 820 ° C., the silane gas is stopped, and a well layer made of undoped In 0.3 Ga 0.7 N is grown to a thickness of 50 Å. Further, using TMA at the same temperature, an intermediate layer made of Al 0.3 Ga 0.7 N is grown to a thickness of 10 Å. The three-layer structure of the barrier layer, the well layer, and the intermediate layer is repeatedly laminated twice, and finally the barrier layer is formed to grow the active layer 106 composed of multiple quantum wells (MQW) with a total thickness of 580 angstroms. Let

次にTMIを止め、Cp2Mgを流し、Mgを1×1020/cm3ドープしたp型GaNよりなるp側キャップ層107を100オングストロームの膜厚で成長させる。続いてCp2Mg、TMAを止め、1050℃で、アンドープGaNよりなるp側光ガイド層108を0.1μmの膜厚で成長させる。このp側光ガイド層108は、アンドープとして成長させるが、p側キャップ層107からのMgの拡散により、Mg濃度が5×1016/cm3となりp型を示す。続いてCp2Mgを止め、TMAを流し、1050℃でアンドープAl0.2Ga0.8Nよりなる層を25オングストロームの膜厚で成長させ、続いてTMAを止め、Cp2Mgを流し、Mg濃度が1×1019/cm3からなるアンドープGaNよりなる層を25オングストロームの膜厚で成長させ、総膜厚0.6μmの超格子層よりなるp側クラッド層109を成長させる。最後に、p側クラッド層109の上に、Mgを1×1020/cm3ドープしたp型GaNよりなるp側コンタクト層110を150オングストロームの膜厚で成長させる。 Next, the TMI is stopped, Cp 2 Mg is allowed to flow, and a p-side cap layer 107 made of p-type GaN doped with 1 × 10 20 / cm 3 of Mg is grown to a thickness of 100 Å. Subsequently, Cp 2 Mg and TMA are stopped, and a p-side light guide layer 108 made of undoped GaN is grown to a thickness of 0.1 μm at 1050 ° C. The p-side light guide layer 108 is grown as undoped, but due to the diffusion of Mg from the p-side cap layer 107, the Mg concentration becomes 5 × 10 16 / cm 3 and exhibits p-type. Subsequently, Cp 2 Mg is stopped, TMA is flown, and a layer made of undoped Al 0.2 Ga 0.8 N is grown at a thickness of 25 Å at 1050 ° C. Then, TMA is stopped, Cp 2 Mg is flowed, and the Mg concentration is 1 A layer made of undoped GaN composed of × 10 19 / cm 3 is grown to a thickness of 25 Å, and a p-side cladding layer 109 made of a superlattice layer having a total thickness of 0.6 μm is grown. Finally, a p-side contact layer 110 made of p-type GaN doped with 1 × 10 20 / cm 3 of Mg is grown on the p-side cladding layer 109 to a thickness of 150 Å.

以上のようにして窒化物半導体を成長させたウエハを反応容器から取り出し、最上層のp側コンタクト層110の表面に、所定の形状のマスクを介して、幅2.3μmのストライプからなるSiO2よりなる保護膜を作製する。保護膜形成後、RIE(反応性イオンエッチング)を用い、図7に示すように、p側クラッド層109とp側光ガイド層108との界面付近までエッチングを行い、幅1.5μmのストライプ状の導波路を形成する。 The wafer on which the nitride semiconductor has been grown as described above is taken out of the reaction vessel, and SiO 2 made of stripes having a width of 2.3 μm is formed on the surface of the uppermost p-side contact layer 110 through a mask having a predetermined shape. A protective film made of is produced. After forming the protective film, etching is performed up to the vicinity of the interface between the p-side cladding layer 109 and the p-side light guide layer 108 using RIE (reactive ion etching) as shown in FIG. The waveguide is formed.

ストライプ導波路形成後、SiO2マスクをつけたまま、窒化物半導体層の表面にZrO2よりなる絶縁膜を形成する。絶縁膜形成後、バッファードフッ酸に浸潰して、p側コンタクト層110上に形成したSiO2を溶解除去し、リフトオフ法によりSiO2と共に、p側コンタクト110層上にあるZrO2を除去する。次にリッジ表面にSiO2マスクを形成し、RIEにてエッチングを行い、n型フリースタンディング基板101の表面を露出させる。次にp側コンタクト層110のリッジ最表面にNiとAuよりなるp側オーミック電極120をストライプ状に形成する。一方、TiとAlよりなるn側オーミック電極122を先ほど露出させたn型フリースタンディング基板101の表面にストライプ状に形成する。次に図7に示すようにp側オーミック電極120と、n側オーミック電極122との間に露出した窒化物半導体層の表面にSiO2よりなる絶縁膜130を形成し、この絶縁膜130を介してp側オーミック電極120と電気的に接続したp側パッド電極121、およびn側オーミック電極122と電気的に接続したn側パッド電極123を形成する。 After forming the striped waveguide, an insulating film made of ZrO 2 is formed on the surface of the nitride semiconductor layer with the SiO 2 mask attached. After forming the insulating film, it is immersed in buffered hydrofluoric acid to dissolve and remove SiO 2 formed on the p-side contact layer 110, and ZrO 2 on the p-side contact 110 layer is removed together with SiO 2 by a lift-off method. . Next, a SiO 2 mask is formed on the ridge surface, and etching is performed by RIE to expose the surface of the n-type free standing substrate 101. Next, a p-side ohmic electrode 120 made of Ni and Au is formed in a stripe pattern on the ridge outermost surface of the p-side contact layer 110. On the other hand, the n-side ohmic electrode 122 made of Ti and Al is formed in a stripe shape on the surface of the n-type free standing substrate 101 exposed previously. Next, as shown in FIG. 7, an insulating film 130 made of SiO 2 is formed on the surface of the nitride semiconductor layer exposed between the p-side ohmic electrode 120 and the n-side ohmic electrode 122, and the insulating film 130 is interposed therebetween. Then, the p-side pad electrode 121 electrically connected to the p-side ohmic electrode 120 and the n-side pad electrode 123 electrically connected to the n-side ohmic electrode 122 are formed.

以上のようにして、p、n両パッド電極形成後、窒化物半導体GaN基板のM面(窒化物半導体を六角柱で表した場合にその六角柱の側面に相当する面)でGaNを劈開してウエハをバー状とし、そのバーの劈開面に共振面を作製する。共振面作製後、さらに共振面に垂直な方向でバー状のウエハを切断してレーザチップとした。   As described above, after forming both the p and n pad electrodes, the GaN is cleaved on the M surface of the nitride semiconductor GaN substrate (the surface corresponding to the side surface of the hexagonal column when the nitride semiconductor is represented by a hexagonal column). The wafer is made into a bar shape, and a resonance surface is produced on the cleavage surface of the bar. After producing the resonance surface, a bar-shaped wafer was further cut in a direction perpendicular to the resonance surface to obtain a laser chip.

次に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、Inの分解を押さえることができ、鋭い発光ピークが得られ、室温において閾値電流密度2.0kA/cm2、発振波長450nmの連続発振が確認され、1000時間以上の寿命を示した。また闘値電圧も4.0Vと大きく下げることができた。 Next, when each electrode was wire-bonded and laser oscillation was attempted at room temperature, decomposition of In could be suppressed, a sharp emission peak was obtained, threshold current density at room temperature was 2.0 kA / cm 2 , oscillation wavelength A continuous oscillation of 450 nm was confirmed, and the lifetime was 1000 hours or more. Also, the threshold voltage could be greatly reduced to 4.0V.

次に実施例2として、さらに多くの高混晶AlGaN層を含むため、クラックの抑制が大きな課題であるUV領域で発振する窒化物半導体レーザ素子の製造方法を説明する。作製した窒化物半導体レーザ素子の模式断面図を図8に示す。n型にドープしたGaN基板201をMOVPE反応容器内にセットし、TMA(トリメチルアルミニウム)、トリメチルガリウム(TMG)、アンモニア(NH3)を用い、不純物ガスにシランガス(SiH4)を用い、Siを0.8×1018/cm3ドープしたn−Al0.02Ga0.98Nよりなる第1バッファ層202を1000オングストロームの膜厚で成長させる。第1バッファ層成長後、昇温してTMI(トリメチルインジウム)、TMG、アンモニアを用い、不純物ガスにシランガスを用い、Siを3×1018/cm3ドープしたn−InyGa1-yNよりなる第2バッファ層203を1500オングストロームの膜厚で成長させる。 Next, as a second embodiment, a method of manufacturing a nitride semiconductor laser element that oscillates in the UV region, which includes a larger number of highly mixed crystal AlGaN layers and which is a major problem in suppressing cracks, will be described. A schematic cross-sectional view of the manufactured nitride semiconductor laser device is shown in FIG. An n-type doped GaN substrate 201 is set in a MOVPE reaction vessel, TMA (trimethylaluminum), trimethylgallium (TMG), ammonia (NH 3 ) is used, silane gas (SiH 4 ) is used as impurity gas, Si is used. A first buffer layer 202 made of n-Al 0.02 Ga 0.98 N doped with 0.8 × 10 18 / cm 3 is grown to a thickness of 1000 Å. After growing the first buffer layer, the temperature is raised and TMI (trimethylindium), TMG, ammonia is used, silane gas is used as impurity gas, and Si is doped at 3 × 10 18 / cm 3, and n-In y Ga 1-y N A second buffer layer 203 is grown to a thickness of 1500 angstroms.

次にアンモニアとTMG、不純物ガスとしてシランガスを用い、Siを1×1018/cm3ドープしたAl0.11Ga0.89Nよりなるn側クラッド層204を0.7μmの膜厚で成長させる。ここで、成長されたn側クラッド層204には、微細なクラックが発生しておらず、実施例1と同様に第1,第2バッファ層を成長させることで効果的にクラックの伝播を防止でき結晶性の良好な素子構造を成長させることができた。本実施例においても、InGaN第2バッファ層よりもAlGaN第1バッファ層の膜厚を薄くし、In組成比を増すことなくクラックの増加を防止している。
次に、原料ガスにTMG及びアンモニアを用い、同様の温度で、アンドープのAl0.06Ga0.94Nよりなるn型光ガイド層205を0.15μmの膜厚で成長させる。次に、温度を950℃にして、原料ガスにTMI、TMG及びアンモニアを用い、不純物ガスとしてシランガスを用い、Siを5×1018/cm3ドープしたAl0.15Ga0.85Nよりなる障壁層を70オングストロームの膜厚で成長させる。続いて、シランガスを止め、アンドープのIn0.01Ga0.09Nよりなる井戸層を100オングストロームの膜厚で成長させる。さらに、同温度でTMAを用い、Al0.15Ga0.85N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て、単一量子井戸(SQW)からなる活性層206を成長させる。
Next, an n-side cladding layer 204 made of Al 0.11 Ga 0.89 N doped with Si at 1 × 10 18 / cm 3 is grown to a thickness of 0.7 μm using ammonia, TMG, and silane gas as an impurity gas. Here, no fine cracks are generated in the grown n-side cladding layer 204, and the propagation of cracks is effectively prevented by growing the first and second buffer layers as in the first embodiment. An element structure with good crystallinity could be grown. Also in this embodiment, the thickness of the AlGaN first buffer layer is made thinner than that of the InGaN second buffer layer, and the increase of cracks is prevented without increasing the In composition ratio.
Next, TMG and ammonia are used as source gases, and an n-type light guide layer 205 made of undoped Al 0.06 Ga 0.94 N is grown to a thickness of 0.15 μm at the same temperature. Next, a barrier layer made of Al 0.15 Ga 0.85 N doped with 5 × 10 18 / cm 3 of Si using TMI, TMG and ammonia as source gases, silane gas as impurity gas, and temperature of 950 ° C. Grow with angstrom thickness. Subsequently, the silane gas is stopped, and a well layer made of undoped In 0.01 Ga 0.09 N is grown to a thickness of 100 Å. Further, using TMA at the same temperature, a barrier layer made of Al 0.15 Ga 0.85 N is grown to a thickness of 50 Å to grow an active layer 206 made of a single quantum well (SQW).

次にTMIを止め、Cp2Mgを流し、Mgを1×1020/cm3ドープしたp型Al0.30Ga0.70Nよりなるp側キャップ層207を100オングストロームの膜厚で成長させる。続いてCp2Mg、TMAを止め、1050℃で、アンドープAl0.06Ga0.94Nよりなるp側光ガイド層208を0.15μmの膜厚で成長させる。このp側光ガイド層208は、アンドープとして成長させるが、p側キャップ層207からのMgの拡散により、Mg濃度が5×1016/cm3となりp型を示す。続いてCp2Mgを止め、TMAを流し、1050℃でアンドープAl0.13Ga0.87Nよりなる層を25オングストロームの膜厚で成長させ、続いてCp2Mgを流し、Mg濃度が1×1019/cm3からなるAl0.09Ga0.91Nよりなる層を25オングストロームの膜厚で成長させ、総膜厚0.6μmの超格子層よりなるp側クラッド層209を成長させる。最後に、p側クラッド層209の上に、Mgを1×1020/cm3ドープしたp型GaNよりなるp側コンタクト層210を150オングストロームの膜厚で成長させる。 Next, TMI is stopped, Cp 2 Mg is allowed to flow, and a p-side cap layer 207 made of p-type Al 0.30 Ga 0.70 N doped with 1 × 10 20 / cm 3 of Mg is grown to a thickness of 100 Å. Subsequently, Cp 2 Mg and TMA are stopped, and a p-side light guide layer 208 made of undoped Al 0.06 Ga 0.94 N is grown to a thickness of 0.15 μm at 1050 ° C. The p-side light guide layer 208 is grown as undoped, but due to the diffusion of Mg from the p-side cap layer 207, the Mg concentration becomes 5 × 10 16 / cm 3 and exhibits p-type. Subsequently, Cp 2 Mg is stopped, TMA is flown, and a layer made of undoped Al 0.13 Ga 0.87 N is grown at a thickness of 25 Å at 1050 ° C., followed by flow of Cp 2 Mg, and the Mg concentration is 1 × 10 19 / A layer made of Al 0.09 Ga 0.91 N made of cm 3 is grown to a thickness of 25 Å, and a p-side cladding layer 209 made of a superlattice layer having a total thickness of 0.6 μm is grown. Finally, a p-side contact layer 210 made of p-type GaN doped with 1 × 10 20 / cm 3 of Mg is grown on the p-side cladding layer 209 to a thickness of 150 Å.

以上のようにして窒化物半導体を成長させたウエハを反応容器から取り出し、最上層のp側コンタクト層210の表面に、所定の形状のマスクを介して、幅2.3μmのストライプからなるSiO2よりなる保護膜を作製する。保護膜形成後、RIE(反応性イオンエッチング)を用い、図7に示すように、p側クラッド層209とp側光ガイド層208との界面付近までエッチングを行い、幅2.3μmのストライプ状の導波路を形成する。 The wafer on which the nitride semiconductor has been grown as described above is taken out of the reaction vessel, and SiO 2 made of stripes having a width of 2.3 μm is formed on the surface of the uppermost p-side contact layer 210 through a mask having a predetermined shape. A protective film made of is produced. After forming the protective film, etching is performed to the vicinity of the interface between the p-side cladding layer 209 and the p-side light guide layer 208 using RIE (reactive ion etching) as shown in FIG. 7, and a stripe shape having a width of 2.3 μm. The waveguide is formed.

ストライプ導波路形成後、SiO2マスクをつけたまま、窒化物半導体層の表面にZrO2よりなる絶縁膜230を形成する。絶縁膜形成後、バッファードフッ酸に浸潰して、p側コンタクト層210上に形成したSiO2を溶解除去し、リフトオフ法によりSiO2と共に、p側コンタクト210層上にあるZrO2を除去する。次にp側コンタクト層210のリッジ最表面にNiとAuよりなるp側オーミック電極220をストライプ状に形成する。次にp側オーミック電極220と電気的に接続したp側パッド電極221を形成する。次にn側オーミック電極とパッド電極222、223をn型フリースタンディング基板201の裏面に形成する。 After forming the stripe waveguide, an insulating film 230 made of ZrO 2 is formed on the surface of the nitride semiconductor layer with the SiO 2 mask attached. After forming the insulating film, it is immersed in buffered hydrofluoric acid to dissolve and remove SiO 2 formed on the p-side contact layer 210, and ZrO 2 on the p-side contact 210 layer is removed together with SiO 2 by a lift-off method. . Next, a p-side ohmic electrode 220 made of Ni and Au is formed in a stripe pattern on the ridge outermost surface of the p-side contact layer 210. Next, a p-side pad electrode 221 electrically connected to the p-side ohmic electrode 220 is formed. Next, an n-side ohmic electrode and pad electrodes 222 and 223 are formed on the back surface of the n-type free standing substrate 201.

以上のようにして、p、n両パッド電極形成後、窒化物半導体GaN基板のM面(窒化物半導体を六角柱で表した場合にその六角柱の側面に相当する面)でGaNを劈開してウエハをバー状とし、そのバーの劈開面に共振面を作製する。共振面作製後、さらに共振面に垂直な方向でバー状のウエハを切断してレーザチップとした。   As described above, after forming both the p and n pad electrodes, the GaN is cleaved on the M surface of the nitride semiconductor GaN substrate (the surface corresponding to the side surface of the hexagonal column when the nitride semiconductor is represented by a hexagonal column). The wafer is made into a bar shape, and a resonance surface is produced on the cleavage surface of the bar. After producing the resonance surface, a bar-shaped wafer was further cut in a direction perpendicular to the resonance surface to obtain a laser chip.

次に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、転位の発生およびクラック発生を抑制した効果により、鋭い発光ピークが得られ、室温において閾値電流密度2.5kA/cm2、発振波長375nmの連続発振が確認され、1000時間以上の寿命を示した。 Next, when each electrode was wire-bonded and laser oscillation was attempted at room temperature, a sharp emission peak was obtained due to the effect of suppressing the occurrence of dislocations and cracks, and the threshold current density was 2.5 kA / cm 2 at room temperature. Continuous oscillation with an oscillation wavelength of 375 nm was confirmed, and the lifetime was 1000 hours or longer.

本発明の窒化物半導体素子は、LED、LD等の発光素子やCCDなどの受光素子等に好適に利用できる。   The nitride semiconductor device of the present invention can be suitably used for light emitting devices such as LEDs and LDs, and light receiving devices such as CCDs.

従来のGaN−ELO基板上に、InGaNバッファ層を成長させた窒化物半導体を示す模式断面図である。It is a schematic cross section showing a nitride semiconductor having an InGaN buffer layer grown on a conventional GaN-ELO substrate. 従来のフリースタンディングGaN基板上に、InGaNバッファ層を成長させた窒化物半導体を示す模式断面図である。It is a schematic cross-sectional view showing a nitride semiconductor in which an InGaN buffer layer is grown on a conventional free-standing GaN substrate. 本発明の一実施の形態に係る窒化物半導体素子を示す模式断面図である。1 is a schematic cross-sectional view showing a nitride semiconductor device according to an embodiment of the present invention. 図3の構成で成長させたAlGaN層表面のCL顕微鏡写真を示すイメージ図である。It is an image figure which shows the CL micrograph of the surface of the AlGaN layer grown by the structure of FIG. 図1の構成で成長させたAlGaN層表面のCL顕微鏡写真を示すイメージ図である。It is an image figure which shows CL micrograph of the surface of the AlGaN layer grown by the structure of FIG. 図2の構成で成長させたAlGaN層表面のCL顕微鏡写真を示すイメージ図である。It is an image figure which shows CL micrograph of the surface of the AlGaN layer grown by the structure of FIG. 本発明の実施例1に係る窒化物半導体レーザ素子を示す模式断面図である。1 is a schematic cross-sectional view showing a nitride semiconductor laser element according to Example 1 of the present invention. 本発明の実施例2に係る窒化物半導体レーザ素子を示す模式断面図である。It is a schematic cross section showing a nitride semiconductor laser device according to Example 2 of the present invention.

11…ELO基板
12…InGaN層
13、23…AlInGaN素子
21、31…フリースタンディングGaN基板
22…InGaNバッファ層
32…第1バッファ層
34…第2バッファ層
36…AlInGaN素子
101、201…GaN基板
102、202…第1バッファ層
103、203…第2バッファ層
104、204…n側クラッド層
105、205…n型光ガイド層
106、206…活性層
107、207…p側キャップ層
108、208…p側光ガイド層
109、209…p側クラッド層
110、210…p側コンタクト層
120、220…p側オーミック電極
121、221…p側パッド電極
122、222…n側オーミック電極
123、223…n側パッド電極
130、230…絶縁膜
DESCRIPTION OF SYMBOLS 11 ... ELO substrate 12 ... InGaN layer 13, 23 ... AlInGaN element 21, 31 ... Free-standing GaN substrate 22 ... InGaN buffer layer 32 ... First buffer layer 34 ... Second buffer layer 36 ... AlInGaN element 101, 201 ... GaN substrate 102 202, first buffer layer 103, 203 ... second buffer layer 104, 204 ... n-side cladding layer 105, 205 ... n-type light guide layer 106, 206 ... active layer 107, 207 ... p-side cap layer 108, 208 ... P-side light guide layers 109, 209... p-side cladding layers 110, 210... p-side contact layers 120, 220... p-side ohmic electrodes 121, 221. Side pad electrodes 130, 230 ... insulating film

Claims (10)

GaNよりなるフリースタンディングの基板と、
前記基板上に形成されたn−AlxGa1-xN(0x≦0.05)よりなる第1バッファ層と、
前記第1バッファ層上に形成されたn−InyGa1-yN(0<y≦0.1)よりなる第2バッファ層と、
前記第2バッファ層上に形成されたn−AlGaN層と、
を備えており、
前記第1バッファ層と第2バッファ層は接していることを特徴とする窒化物半導体素子。
A free-standing substrate made of GaN,
A first buffer layer made of the n-Al was formed on the substrate x Ga 1-x N (0 <x ≦ 0.05),
A second buffer layer made of n-In y Ga 1-y N (0 <y ≦ 0.1) formed on the first buffer layer;
An n- AlGaN layer formed on the second buffer layer;
Equipped with a,
Nitride semiconductor device which is characterized that you have contact with the first buffer layer and second buffer layer.
請求項1に記載の窒化物半導体素子であって、
前記第1バッファ層の膜厚を、第2バッファ層の膜厚よりも薄くすることを特徴とする窒化物半導体素子。
The nitride semiconductor device according to claim 1,
A nitride semiconductor device, wherein the first buffer layer is thinner than the second buffer layer.
請求項2に記載の窒化物半導体素子であって、
前記第1バッファ層の膜厚が、300〜3000オングストロームであり、第2バッファ層の膜厚が、500〜4000オングストロームであることを特徴とする窒化物半導体素子。
The nitride semiconductor device according to claim 2,
The nitride semiconductor device, wherein the first buffer layer has a thickness of 300 to 3000 angstroms, and the second buffer layer has a thickness of 500 to 4000 angstroms.
請求項1から3のいずれかに記載の窒化物半導体素子であって、
前記第1バッファ層のSi濃度を、第2バッファ層のSi濃度よりも低くすることを特徴とする窒化物半導体素子。
The nitride semiconductor device according to any one of claims 1 to 3,
The nitride semiconductor device, wherein the Si concentration of the first buffer layer is lower than the Si concentration of the second buffer layer.
請求項4に記載の窒化物半導体素子であって、
前記第1バッファ層のSi濃度が、0.3×1018〜3.0×1018cm-3であり、第2バッファ層のSi濃度が、1×1018〜5×1018cm-3であることを特徴とする窒化物半導体素子。
The nitride semiconductor device according to claim 4,
The Si concentration of the first buffer layer is 0.3 × 10 18 to 3.0 × 10 18 cm −3 , and the Si concentration of the second buffer layer is 1 × 10 18 to 5 × 10 18 cm −3. A nitride semiconductor device, wherein:
請求項1から5のいずれかに記載の窒化物半導体素子であって、
前記AlGaN層のAlの組成比が0.05以上であることを特徴とする窒化物半導体素子。
The nitride semiconductor device according to any one of claims 1 to 5,
A nitride semiconductor device, wherein the Al composition ratio of the AlGaN layer is 0.05 or more.
請求項1から6のいずれかに記載の窒化物半導体素子であって、
前記基板が、SiあるいはOをドープしたフリースタンディングGaN基板であることを特徴とする窒化物半導体素子。
The nitride semiconductor device according to any one of claims 1 to 6,
A nitride semiconductor device, wherein the substrate is a free-standing GaN substrate doped with Si or O.
請求項1から7のいずれかに記載の窒化物半導体素子であって、
前記基板が、表面を平滑に加工した基板であることを特徴とする窒化物半導体素子。
The nitride semiconductor device according to any one of claims 1 to 7,
The nitride semiconductor device, wherein the substrate is a substrate whose surface is processed smoothly.
支持基板となる窒化ガリウムと、該基板上にAlを含むn型窒化ガリウムである第1バッファ層と、該第1バッファ層上にInを含むn型窒化ガリウムである第2バッファ層と、該第2バッファ層上にAlを含むn型窒化ガリウムと、
を備えており、
前記第1バッファ層と第2バッファ層は接していることを特徴とする窒化物半導体素子。
Gallium nitride serving as a support substrate; a first buffer layer made of n-type gallium nitride containing Al on the substrate; a second buffer layer made of n-type gallium nitride containing In on the first buffer layer; N-type gallium nitride containing Al on the second buffer layer;
Equipped with a,
Nitride semiconductor device which is characterized that you have contact with the first buffer layer and second buffer layer.
請求項1から9のいずれか一に記載の窒化物半導体素子であって、  The nitride semiconductor device according to any one of claims 1 to 9,
前記n−AlGaN層あるいはAlを含むn型窒化ガリウム上に、活性層、p−AlGaN層が順に形成されていることを特徴とする窒化物半導体素子。  An active layer and a p-AlGaN layer are sequentially formed on the n-AlGaN layer or the n-type gallium nitride containing Al.
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