JP4822608B2 - Nitride-based semiconductor light-emitting device and manufacturing method thereof - Google Patents

Nitride-based semiconductor light-emitting device and manufacturing method thereof Download PDF

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【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は窒化物系半導体発光素子およびその製造方法に関し、特に、InおよびGaを含む窒化物半導体よりなる量子井戸構造活性層を備えた窒化物系半導体発光素子およびその製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
紫外から緑色の波長領域での発光波長を有する半導体発光素子である半導体レーザ素子(LD)や発光ダイオード(LED)の半導体材料として、窒化物系半導体(GaInAlN)が用いられている。この窒化物系半導体を用いた半導体レーザ素子は、たとえば、Technical Digest of International Workshop on Nitride Semiconductors (IWN2000) WA2−1、に記載されている。窒化物系半導体を用いた半導体レーザ素子の断面図を図11に示す。図11において、101は(0001)c面を有するサファイア基板、102はGaN層、103はn−GaNコンタクト層、104はn−Al0.08Ga0.92Nクラッド層、105はn−GaNガイド層、106はIn0.10Ga0.90N量子井戸層とIn0.02Ga0.98N障壁層とからなる多重の量子井戸構造活性層、107はp−Al0.16Ga0.84N層、108はp−GaNガイド層、109はp−Al0.15Ga0.85NとGaNが交互に積層されてなるp型クラッド層、110はp−GaNコンタクト層、111はp側電極、112はn側電極、113は電流狭窄用SiO2膜である。ここで、GaN層102は、幅2μmのストライプ状に12μm周期で形成されている。また、多重の量子井戸構造活性層106は、3.5nm厚のIn0.10Ga0.90N量子井戸層と、7.0nm厚のIn0.02Ga0.98N障壁層の、3ペアで構成され、量子井戸層と障壁層が交互に形成されている。
【0003】
この従来例の製造方法においては窒化物系半導体を形成するために有機金属気相成長法(MOCVD法)が用いられている。まずサファイア基板101上にGaN層102を形成後、このGaN層102をストライプ状に加工し、その上にn−GaNコンタクト層103からp−GaNコンタクト層110までの半導体レーザ素子構造を積層している。
【0004】
さらにこの従来例では注入電流を狭窄するためにp型クラッド層109とp−GaNコンタクト層110はリッジストライプ状に形成されている。これにより電流注入されるストライプ状の領域が活性領域となる。その後、サファイア基板101を研磨により薄くしてからへき開技術を用いることにより共振器端面を形成している。
【0005】
しかしながらこの従来例の窒化物系半導体レーザ素子では連続的な電流注入によって特性が急速に劣化するという問題があり、この半導体レーザ素子を実用化するためには、素子の信頼性を向上することが重要な課題であった。この急速な劣化の原因としては、活性層に用いられている窒化物系半導体材料中に存在する欠陥が電流注入により増殖することが考えられており、この欠陥を低減する試みがなされてきた。
【0006】
たとえば、特開2000−156348号公報では、平坦な表面を持ち欠陥の少ない活性層を得るために、半導体レーザ素子構造を形成する基板として用いるサファイア基板表面の面方位をc面から0.3度以上0.5度以下の範囲内のオフ角度で傾斜させ、その上に半導体レーザ素子構造を積層する技術が示されている。
【0007】
また、特開2000−223743号公報では、同様の目的で、半導体レーザ素子構造を形成する基板として窒化ガリウム基板を用い、その表面の面方位をc面から0.03度以上10度以下の範囲内のオフ角度で傾斜させ、その上に半導体レーザ素子構造を積層する技術が示されている。
【0008】
一方、これらの欠陥を低減するための技術とは別に、窒化物系半導体の混晶材料においては非混和領域の存在の結果として生じる相分離が原因で、空間的に均一な組成を有する混晶を形成することができず、組成のゆらぎが生じるということが知られている。特に、窒化物系半導体発光素子の活性層としてよく用いられているInGaNは相分離によってIn組成が空間的にゆらぎ、このためInGaN量子井戸構造活性層においては高いIn組成を有するドット状の領域が形成される。このドットのサイズは非常に小さいので、量子ドットとして機能させることが考えられている。
【0009】
たとえば、特開平10−145002号公報では、InGaN活性層を形成する窒化物系半導体層の表面に三角関数的な波形の凹凸を形成した後に、InGaN量子井戸構造活性層を形成する技術が示されている。このようにして凹凸の形状を持って形成されたInGaN量子井戸構造活性層では、凹の領域は凸の領域に比べてIn組成が高くなり、量子ドットが形成される。この結果、2次元的な量子井戸構造を活性層に用いる場合と比較して0次元的な量子ドットではレーザ発振の閾値電流値を低減できるとしている。
【0010】
この他に、窒化物系半導体を用いた発光ダイオードも前記半導体レーザ素子と同様に、InGaN量子井戸構造活性層を用いて作製されている。
【0011】
しかし、従来の前記窒化物系半導体を用いた半導体発光素子は次のような問題点がある。まず、窒化物系半導体を用いた半導体レーザ素子においては、従来例のように半導体レーザ素子構造を形成するための基板の表面をc面から10度以下の範囲内の微少なオフ角度で傾斜させ、その上に半導体レーザ素子構造を積層しても、特性の劣化を生じてしまい、信頼性が十分に改善された窒化物系半導体レーザ素子を得ることが困難であった。
【0012】
さらに、従来の前記窒化物系半導体を用いた半導体レーザ素子ではInGaN活性層の相分離によって生じるIn組成のゆらぎがランダムに存在するために、このIn組成ゆらぎの結果生じる光学利得のエネルギー的な広がりにより、発振波長において十分に高い光学利得を得ることができず、発振閾値電流値が増大してしまうという問題もある。
【0013】
一方、従来の凹凸形状を有して形成されたInGaN量子井戸構造活性層を有する半導体レーザ素子においては、この凹凸構造により量子ドットは形成されるものの、この量子ドットの大きさすべてを均一に揃えることができない。したがってこの大きさのばらつきのため光学利得のエネルギー的な広がりを生じてしまい、この場合も発振閾値電流値を低減できないという問題があった。
【0014】
さらに、窒化物系半導体を用いた発光ダイオードにおいても、前記窒化物系半導体を用いた半導体レーザ素子と同様にInGaN量子井戸構造活性層を用いているため、相分離によって生じるIn組成のゆらぎの影響が特性に現れる。すなわち、この活性層ではIn組成が均一でなく空間的にゆらぎを生じるため、電流注入により活性層に入った電子と正孔はまずIn組成が大きい領域で再結合し、注入電流量を増大するとIn組成の小さい領域へと広がって再結合する。つまり電流を注入するにつれて発光波長のピーク値が大きくブルーシフトするという問題があった。これは発光ダイオードをフルカラーディスプレーの画素として使用する場合、注入電流により色合いが変化してしまうことになる。このような相分離によって生じるIn組成のゆらぎは、InおよびGaを含む窒化物系半導体材料の量子井戸構造において特に顕著に見られるため、この量子井戸構造を活性層として用いる半導体発光素子においてこの課題を解決する必要がある。
【0015】
【発明が解決しようとする課題】
本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、窒化物系半導体レーザ素子における上述の問題を解決して、発振閾値電流値が低く、信頼性が向上された窒化物系半導体発光素子およびその製造方法を提供することを目的とする。
【0016】
本発明者は窒化物系半導体を用いた半導体レーザ素子における特性の劣化についてその原因を調査した結果、相分離によって生じるIn組成の空間的なゆらぎが局所的な格子歪みを引き起こして欠陥の増殖を促進していることを見い出した。
【0017】
したがって、In組成のゆらぎを抑えることとで窒化物系半導体レーザ素子の発振閾値電流値を低減できるとともにその信頼性の向上も達成される。さらに窒化物系半導体発光ダイオードにおいてもIn組成のゆらぎを低減すれば電流注入によるブルーシフト量を低減できる。
【0018】
さらに本発明者が検討した結果、InおよびGaを含む窒化物半導体からなる量子井戸構造にみられるIn組成の空間的なゆらぎは、相分離によって生じる組成の不均一化と、In原子やGa原子の拡散による組成の均一化の、2つの要因が競合して発生していることを見い出した。
【0019】
したがって、この量子井戸構造における相分離による組成の不均一化の影響を低減するためには、拡散による組成の均一化の効果を増大してやればよい。この拡散の効果を増大するには原子を動きやすくして拡散係数を大きくすることが考えられるが、このためには結晶成長の温度を高める必要がある。ところが、このように成長温度を高めるとIn原子が成長表面から離脱するなどの問題が生じるため、欠陥を大幅に増加させてしまう。
【0020】
そこで、本発明者はこれとは異なり、In原子やGa原子を結晶成長面内で等方的に移動させずに、ある一方向に対して移動を抑制しその反対方向には抑制しないようにすることで、拡散係数が同じでも結晶成長中における拡散の効果を大幅に増大させることができることを新知見として得た。これは原子の移動をある一方向のみに限定することで、等方的に移動できる場合と比較して、実効的に拡散が促進されて組成の均一化の効果が増大しているためである。
【0021】
【課題を解決するための手段】
これらの点を鑑みて、本発明に係る窒化物系半導体発光素子は以下の発明から構成されるのである。すなわち、本発明に係る窒化物系半導体発光素子は、基板上で、窒化物半導体からなる、クラッド層もしくはガイド層の少なくともいずれか一方に挟まれており、InおよびGaを含む窒化物半導体からなる量子井戸構造活性層を有する、窒化物系半導体発光素子において、前記量子井戸構造活性層が、結晶成長中におけるIn原子およびGa原子の表面移動を、量子井戸面内で一方向に対して抑制するとともにその反対方向には抑制しないようにした結晶成長により形成されていることを特徴とする。
【0022】
また、前記量子井戸構造活性層が、(0001)c面から15度以上60度以下の範囲内での傾斜角度を有する表面を持つウルツァイト構造の窒化物半導体層に接して形成されることが可能である。
【0023】
また、前記基板が、(0001)c面から15度以上60度以下の範囲内での傾斜角度を有する面を主面とするウルツァイト構造の窒化ガリウム基板であることが可能である。
【0024】
また、前記量子井戸構造活性層が、2種類のストライプ状平面の周期構造からなる凹凸を有する表面を持つ窒化物半導体層に接して形成されており、2種類のストライプ状平面のうち一方のみが、基板表面と70度以上110度以下の範囲内の角度でほぼ垂直に交差していることが可能である。
【0025】
また、前記窒化物半導体層の表面の凹凸を形成する2種類のストライプ状平面は、周期構造をなす方向に対する平面の幅が、基板表面と垂直に交差している平面では10nm以上であり、もう一方の平面では200nm以下であることが可能である。
【0026】
本発明に係る窒化物系半導体発光素子の製造方法は、結晶成長中におけるIn原子およびGa原子の表面移動を、量子井戸面内で一方向に対して抑制するとともにその反対方向には抑制しないようにした結晶成長により、InおよびGaを含む窒化物半導体からなる量子井戸構造活性層を形成する工程を有することを特徴とする。
【0027】
また、前記量子井戸構造活性層を、(0001)c面から15度以上60度以下の範囲内での傾斜角度を有する表面を持つウルツァイト構造の窒化物半導体層に接して形成する工程を有することが可能である。
【0028】
また、(0001)c面から15度以上60度以下の範囲内での傾斜角度を有する面を主面とするウルツァイト構造の窒化ガリウム基板上に、窒化物半導体層を形成する工程と、前記窒化物半導体層に接して、前記量子井戸構造活性層を形成する工程と、を有することが可能である。
【0029】
また、基板上に、窒化物半導体層を形成する工程と、前記窒化物半導体層の表面に、2種類のストライプ状平面の周期構造からなる凹凸を、この2種類の平面のうち一方のみが前記基板表面と70度以上110度以下の範囲内の角度でほぼ垂直に交差するように形成する工程と、前記窒化物半導体層に接して、前記量子井戸構造活性層を形成する工程と、を有することが可能である。
【0030】
また、前記窒化物半導体層の表面の凹凸を形成する2種類のストライプ状平面は、周期構造をなす方向に対する平面の幅が、基板表面とほぼ垂直に交差している平面では10nm以上であり、もう一方の平面では200nm以下であるように形成される工程を有することが可能である。
【0031】
【発明の実施の形態】
(第1の実施形態)
図1は本発明の第1の実施形態に係る窒化物系半導体レーザ素子を示す断面図である。図1において、1は(0001)c面から28度の傾斜角度を有する面を主面とするウルツァイト構造のn−GaN基板、2はn−GaN層、3はn−In0.1Ga0.9Nクラック防止層、4はn−Al0.1Ga0.9Nn型クラッド層、5はn−GaNガイド層、6は2層のIn0.15Ga0.85N量子井戸層と3層のIn0.03Ga0.97N障壁層とからなる多重の量子井戸構造活性層、7はAl0.2Ga0.8N蒸発防止層、8はp−GaNガイド層、9はp−Al0.1Ga0.9Np型第1クラッド層、10はp−In0.03Ga0.97Nエッチストップ層、11はp−Al0.1Ga0.9Np型第2クラッド層、12はp−GaNp型コンタクト層、13はp側電極、14はn側電極、15は電流狭窄のためのSiO2絶縁膜である。
【0032】
次に、図1を参照して上記窒化物系半導体レーザ素子の作製方法を説明する。以下の説明ではMOCVD法(有機金属気相成長法)を用いた場合を示しているが、窒化物系半導体をエピタキシャル成長できる成長法であればよく、MBE法(分子線エピタキシャル成長法)やHVPE(ハイドライド気相成長法)などの他の気相成長法を用いることもできる。
【0033】
まず、所定の成長炉内に設置された、(0001)c面から28度の傾斜角度を有する面を主面として有する厚さ100μmのn−GaN基板1上に、トリメチルガリウム(TMG)、アンモニア(NH3)、およびシランガス(SiH4)を原料に用いて、成長温度1050℃で厚さ3μmのSiドープn−GaN層2を成長する。
【0034】
次に、成長温度を750℃に下げ、TMGとNH3とSiH4、およびトリメチルインジウム(TMI)を原料に用いて、厚さ0.1μmのSiドープn−In0.1Ga0.9Nクラック防止層3を成長する。
【0035】
次に、再び成長温度を1050℃に上昇して、TMGとNH3とSiH4、およびトリメチルアルミニウム(TMA)を原料に用いて、厚さ1.0μmのSiドープn−Al0.1Ga0.9Nn型クラッド層4を成長する。
【0036】
続けて、TMAを原料から除いて、成長温度は1050℃のままで厚さ0.1μmのSiドープn−GaNガイド層5を成長する。
【0037】
本実施形態では基板として、(0001)c面から28度の傾斜角度を有する面を主面とするウルツァイト構造のn−GaN基板1を使用した結果、n−GaNガイド層5はウルツァイト構造でありその表面は、(0001)c面から28度の傾斜角度を有する面となっている。
【0038】
その後、再び、成長温度を750℃に下げ、TMGとNH3とTMIを原料に用いて、n−GaNガイド層5上に、In0.03Ga0.97N障壁層(厚さ5nm)、In0.15Ga0.85N量子井戸層(厚さ3nm)、In0.03Ga0.97N障壁層(厚さ5nm)、In0.15Ga0.85N量子井戸層(厚さ3nm)、In0.03Ga0.97N障壁層(厚さ5nm)を順次成長することにより多重の量子井戸構造活性層(トータルの厚さ21nm)6を作成する。さらに続けてTMGとTMAとNH3を原料に用いて、成長温度は750℃のままで厚さ10nmのAl0.2Ga0.8N蒸発防止層7を成長する。
【0039】
次に、再び成長温度を1050℃に上昇して、TMGとNH3、およびシクロペンタジエニルマグネシウム(Cp2Mg)を原料に用いて、厚さ0.1μmのMgドープp−GaNガイド層8を成長させる。
【0040】
さらに続けてTMAを原料に加え、成長温度は1050℃のままで厚さ0.3μmのMgドープp−Al0.1Ga0.9Np型第1クラッド層9を成長する。
【0041】
次に成長温度を750℃に下げ、TMGとNH3とCp2Mg、およびTMIを原料に用いて、厚さ20nmのMgドープp−In0.03Ga0.97Nエッチストップ層10を成長させる。
【0042】
次に、再び成長温度を1050℃に上昇して、TMGとNH3とCp2Mg、および、TMAを原料に用いて、厚さ0.8μmのMgドープp−Al0.1Ga0.9Np型第2クラッド層11を成長する。
【0043】
続けて、TMAを原料から除いて、成長温度は1050℃のままで厚さ0.1μmのMgドープp−GaNp型コンタクト層12を成長して、窒化物系エピタキシャルウェハーを完成する。
【0044】
その後、このウェハーを800℃の窒素ガス雰囲気中でアニールして、Mgドープのp型層を低抵抗化する。
【0045】
続いて、通常のフォトリソグラフィーとドライエッチング技術を用いてp−GaNp型コンタクト層12の最表面に、2μm幅のストライプ状にリッジ構造を形成するようにp−GaNp型コンタクト層12とp−Al0.1Ga0.9Np型第2クラッド層11をエッチングする。この時、エッチングの深さがp−In0.03Ga0.97Nエッチストップ層10に達すると、エッチング表面にIn原子が現れるため、このIn原子を元素分析により検出した時点でエッチングを停止するようにして、エッチングする深さを正確に制御することが好適である。なおエッチストップ層10は、Al原子とGa原子以外の原子が検出されてエッチングを停止できればよいので、他のIn組成を有するInGaN3元混晶や、InGaAlN4元混晶でも構わない。
【0046】
続いて、リッジの側面とリッジ以外のp型層表面に厚さ200nmのSiO2絶縁膜15を電流阻止層として形成し、このSiO2絶縁膜15とp−GaNp型コンタクト層12の表面にニッケルと金とからなるp側電極13を形成する。
【0047】
さらに、このウェハーのn−GaN基板1の裏面を通常の研磨技術により研磨してウェハーの厚さを30μmとし、n−GaN基板1の裏面にチタンとアルミニウムからなるn側電極14を形成して、窒化物系半導体レーザ素子ウェハーを完成する。
【0048】
その後、このウェハーをリッジストライプと垂直な方向にへき開することによりレーザの共振器端面を形成し、リッジストライプと平行な方向にレーザ共振器を形成する。ここでは共振器の長さを500μmとした。さらにこの共振器端面に、SiO2とTiO2が交互に各3層ずつ積層されたλ/4誘電体多層反射膜を形成し、共振器端面の反射率を60%とする。
【0049】
続いてこのレーザ素子を個々のレーザチップに分割する。そして、各チップのn側電極14を接着してステムにマウントし、ワイヤーボンディングによりp側電極13とリード端子とを接続して窒化物系半導体レーザ素子を完成する。
【0050】
このようにして作製された窒化物系半導体レーザ素子の発振波長は410nm、発振閾値電流は40mAであり、良好なレーザ特性が得られた。また、素子特性の劣化も見られず、信頼性が大幅に改善された。このように低い発振閾値電流値と高い信頼性を有する窒化物系半導体レーザ素子が得られるのは、In原子とGa原子の結晶成長中の表面移動を量子井戸面内で一方向に対して抑制し、その反対方向には抑制しないようにした結晶成長によりInGaNからなる多重の量子井戸構造活性層6を形成して、In組成の空間的なゆらぎを抑えたことによるものである。
【0051】
図2に、本実施形態におけるInGaNからなる多重の量子井戸構造活性層6の成長中の断面を表わす模式図を示す。本実施形態では基板として、(0001)c面から28度の傾斜角度を有する面を主面とするウルツァイト構造のn−GaN基板1を使用した結果、n−GaNガイド層5もウルツァイト構造でありその表面は(0001)c面から28度の傾斜角度を有する面となっている。このような(0001)c面から傾斜した窒化物半導体の表面は、図2に示されるようにc面を表面とするテラス部分と、c軸方向の1原子層分の段差を有するステップ部分とからなる周期構造の表面形状を有している。
【0052】
本実施形態でのn−GaNガイド層5の表面は、ステップ状の段差の大きさはc軸方向の1原子層分の段差0.52nmであり、テラス部を構成するc面と表面の垂直方向とのなす角度が28度になっているので、テラス部分の幅は0.98nmである。このような段差構造を有する表面にInGaN量子井戸構造を結晶成長すると、気相中から表面に付着したIn原子やGa原子の表面上での移動は、図2中の矢印Aの方向には自由に移動できるが、矢印Bの方向には1原子層のステップを乗り越える必要があるため移動が抑制される。これは原子の移動を矢印Aで示される方向のみに限定することになり、そのため等方的に移動できる場合と比較して、実効的に拡散が促進されて組成の均一化の効果が増大している。この結果、結晶成長中における拡散の効果を大幅に増大させることができた。これによりInGaNからなる多重の量子井戸構造活性層6中における空間的なIn組成ゆらぎが大幅に改善されて、低い発振閾値電流値と高い信頼性を有する窒化物系半導体レーザ素子が得られた。
【0053】
なお、本実施形態では、基板として(0001)c面から28度の傾斜角度を有する面を主面とするウルツァイト構造のn−GaN基板1を使用したが、傾斜角度は本実施形態に限らず、15度以上60度以下の傾斜角度であれば、本実施形態と同等の特性を有する窒化物系半導体レーザ素子が得られる。
【0054】
図3に、基板の傾斜角度以外は本実施形態と同様に作製した窒化物系半導体レーザ素子の発振閾値電流値の、傾斜角度依存性を示す。この図からわかるように、傾斜角度が15度より小さいと、テラス部を構成するc面の幅が広くなるため図2中の矢印Bの方向への移動の抑制の効果がなくなり、In組成の空間的ゆらぎが大きくなる。一方、傾斜角度が60度より大きくなると、テラス部を構成するc面の幅が狭くなるため、矢印Aの方向にも原子の移動が抑制されてしまう。この結果、原子の移動をある一方向のみに限定する効果がなくなり、やはりIn組成の空間的ゆらぎが大きくなる。
【0055】
また本実施形態では、基板として(0001)c面から28度の傾斜角度を有する面を主面とするウルツァイト構造のn−GaN基板1を使用した結果として、n−GaNガイド層5もウルツァイト構造でありその表面は(0001)c面から28度の傾斜角度を有する面となったが、基板の半導体材料はGaNに特に限定されるものではなく、InGaNからなる多重の量子井戸構造活性層6が、(0001)c面から15度以上60度以下の範囲内での傾斜角度を有する表面を持つウルツァイト構造の窒化物半導体層に接して形成されるようにすればよい。したがって、SiC基板などの、他のウルツァイト構造を有する半導体材料からなる基板であっても構わない。ただし、窒化物半導体発光素子の基板としてしばしば用いられるサファイア基板では、窒化物半導体層との格子定数差を緩和するために、その基板表面に接して低温バッファ層を形成した後に窒化物半導体層を積層しているが、この低温バッファ層を形成するとサファイア基板表面の面方位に係わらず窒化物半導体層のc軸が基板表面と垂直に形成されてしまうため、InGaN量子井戸構造を、(0001)c面から15度以上60度以下の範囲内での傾斜角度を有する表面を持つウルツァイト構造の窒化物半導体層に接して形成させることが困難となる。
【0056】
本実施形態のように、窒化物半導体層のc軸と基板のc軸とを平行にして、ステップ状の段差とテラス部とを窒化物系半導体層の表面に形成し、その上にInGaN量子井戸構造活性層を形成するためには、低温バッファ層を形成せずに積層でき、格子定数がよくあっているGaN基板が最も好ましい。
【0057】
また、基板の結晶構造としてはウルツァイト構造のほかにジンクブレンド構造も考えられるが、窒化物系半導体材料ではウルツァイト構造の方が熱的に安定で、欠陥の少ないものが得られるので、ウルツァイト構造の基板を用いることが好ましい。
【0058】
n−GaNガイド層5とp−GaNガイド層8は、そのエネルギーギャップが、多重の量子井戸構造活性層6を構成する量子井戸層のエネルギーギャップと、n型クラッド層4やp型クラッド層9のエネルギーギャップの間の値を持つような材料であればGaNにこだわらず他の材料、たとえばInGaN3元混晶、AlGaN3元混晶、InGaAlN4元混晶などを用いてもよい。
【0059】
また、ガイド層全体にわたってドナーまたはアクセプターをドーピングする必要はなく、多重の量子井戸構造活性層6側の一部のみをノンドープとしてもよく、さらにはガイド層全体をノンドープとしてもよい。この場合、ガイド層に存在するキャリアが少なくなり、自由キャリアによる光の吸収が低減されて、さらに発振閾値電流が低減できるという利点がある。
【0060】
多重の量子井戸構造活性層6を構成する2層のIn0.15Ga0.85N量子井戸層と3層のIn0.03Ga0.97N障壁層は、必要なレーザ発振波長に応じてその組成を設定すればよく、発振波長を長くしたい場合は量子井戸層のIn組成を大きくし、短くしたい場合は量子井戸層のIn組成を小さくする。
【0061】
また、量子井戸層と障壁層は、InGaN3元混晶に微量に他の元素を含んだ4元以上の混晶半導体でもよい。さらに障壁層は単にGaNを用いてもよい。さらに量子井戸層と障壁層の層数も本実施形態にこだわらず他の層数を用いてもよく、単一量子井戸構造活性層でも構わない。
【0062】
さらには、電流阻止層としてはSiO2絶縁膜15に限らず、SiNなどの他の誘電体絶縁膜や、n型の導電性や半絶縁性を有する半導体材料を用いることもできる。
【0063】
また、活性領域を形成するためのストライプ構造は本実施形態のようなリッジ構造に限らず、リッジを形成する際にn型層までエッチングを行う、いわゆる埋め込み構造や、電流狭窄層を形成した後に電流注入を行う領域のみに電流狭窄層のエッチングを行う、いわゆる内部電流狭窄構造、などの他のストライプ構造でも構わない。
【0064】
(第2の実施形態)
図4は本発明の第2の実施形態に係る窒化物系半導体発光ダイオードを示す断面図である。この図において、21は(0001)c面から40度の傾斜角度を有する面を主面とするウルツァイト構造のn−GaN基板、22はn−GaN層、23はIn0.30Ga0.70N量子井戸構造活性層、24はAl0.2Ga0.8N蒸発防止層、25はp−GaN層、26はp側透明電極、27はp側パッド電極、28はn側電極である。
【0065】
次に、図4を参照して上記窒化物系半導体発光ダイオードの作製方法を説明する。以下の説明ではMOCVD法(有機金属気相成長法)を用いた場合を示しているが、窒化物系半導体をエピタキシャル成長できる成長法であればよく、MBE法(分子線エピタキシャル成長法)やHVPE(ハイドライド気相成長法)などの他の気相成長法を用いることもできる。
【0066】
まず、所定の成長炉内に設置された、(0001)c面から40度の傾斜角度を有する面を主面として有する厚さ100μmのn−GaN基板21上に、TMG、NH3、およびSiH4を原料に用いて、成長温度1050℃で厚さ3μmのSiドープn−GaN層22を成長する。
【0067】
本実施形態では基板として、(0001)c面から40度の傾斜角度を有する面を主面とするウルツァイト構造のn−GaN基板21を使用した結果、n−GaN層22はウルツァイト構造であり、その表面は、(0001)c面から40度の傾斜角度を有する面となっている。
【0068】
その後、成長温度を750℃に下げ、TMGとNH3とTMIを原料に用いて、n−GaN層22上に、厚さ3nmのIn0.30Ga0.70N量子井戸構造活性層23を作成する。さらに続けてTMGとTMAとNH3を原料に用いて、成長温度は750℃のままで厚さ10nmのAl0.2Ga0.8N蒸発防止層24を成長する。
【0069】
次に、再び成長温度を1050℃に上昇して、TMGとNH3、およびCp2Mgを原料に用いて、厚さ0.5μmのMgドープp−GaN層25を成長して、窒化物系エピタキシャルウェハーを完成する。その後、このウェハーを800℃の窒素ガス雰囲気中でアニールして、Mgドープのp型層を低抵抗化する。
【0070】
続いて、p−GaN層25の表面全体にニッケルと金からなるp側透明電極26を形成し、このp側透明電極の一部に金からなるp側パッド電極27を形成する。さらに、このウェハーのn−GaN基板21の裏面を通常の研磨技術により研磨してウェハーの厚さを50μmとし、n−GaN基板21の裏面にチタンとアルミニウムからなるn側電極28を形成して、窒化物系半導体発光ダイオードウェハーを完成する。
【0071】
その後、この発光ダイオードを、正方形状に個々のチップに分割する。そして、各チップのn側電極28を接着してステムにマウントし、ワイヤーボンディングによりp側パッド電極27とリード端子とを接続して窒化物系半導体発光ダイオードを完成する。
【0072】
このようにして作製された窒化物系半導体発光ダイオードにおいて、20mAの電流注入時に発光波長は470nm、光出力は3mWであり、良好な素子特性が得られた。また、電流注入によるブルーシフト量も低減され、60mAまでの電流注入によるブルーシフト量は、従来では8nmであったものが2nmになった。このようにブルーシフト量が低減された窒化物系半導体発光ダイオードが得られるのは、In原子とGa原子の結晶成長中の表面移動を量子井戸面内で一方向に対して抑制し、その反対方向には抑制しないようにした結晶成長によりInGaN量子井戸構造活性層23を形成して、In組成の空間的なゆらぎを抑えたことによるものである。
【0073】
なお、本実施形態では、基板として(0001)c面から40度の傾斜角度を有する面を主面とするウルツァイト構造のn−GaN基板21を使用したが、傾斜角度は本実施形態に限らず、15度以上60度以下の傾斜角度であれば、本実施形態と同等の特性を有する窒化物系半導体発光ダイオードが得られる。
【0074】
また、本実施形態では、基板として(0001)c面から40度の傾斜角度を有する面を主面とするウルツァイト構造のn−GaN基板21を使用した結果として、n−GaN層22もウルツァイト構造であり、その表面は(0001)c面から40度の傾斜角度を有する面となったが、基板の半導体材料はGaNに特に限定されるものではなく、InGaN量子井戸構造活性層23が、(0001)c面から15度以上60度以下の範囲内での傾斜角度を有する表面を持つウルツァイト構造の窒化物半導体層に接して形成されるようにすればよい。したがってSiC基板などの、他のウルツァイト構造を有する半導体材料からなる基板であっても構わない。
【0075】
さらに、量子井戸構造活性層23を構成するIn0.30Ga0.70N量子井戸層は、必要な発光波長に応じてその組成を設定すればよく、発光波長を長くしたい場合は量子井戸層のIn組成を大きくし、短くしたい場合は量子井戸層のIn組成を小さくする。
【0076】
図5に、量子井戸構造活性層23のIn組成以外は本実施形態と同様に作製した窒化物系半導体発光ダイオードのブルーシフト量の、発光波長依存性を示す。
【0077】
なお、比較例として、(0001)c面を主面とするウルツァイト構造のn−GaN基板を用いた従来の窒化物半導体発光ダイオードにおけるブルーシフト量も合わせて示す。図5からわかるように、In組成を変化させても青色から緑色のすべての波長領域でブルーシフト量の低減の効果は得られており、従来の窒化物半導体発光ダイオードでのブルーシフト量の約3分の1程度に低減している。
【0078】
(第3の実施形態)
図6は本発明の第3の実施形態に係る窒化物系半導体レーザ素子を示す断面図である。図6において、31はc面を表面として有するサファイア基板、32はGaNバッファ層、33はn−GaNn型コンタクト層、34はn−In0.1Ga0.9Nクラック防止層、35はn−Al0.1Ga0.9Nn型クラッド層、36はn−GaNガイド層、37は2層のIn0.15Ga0.85N量子井戸層と3層のIn0.03Ga0.97N障壁層とからなる多重の量子井戸構造活性層、38はAl0.2Ga0.8N蒸発防止層、39はp−GaNガイド層、40はp−Al0.1Ga0.9Np型第1クラッド層、41はp−In0.03Ga0.97Nエッチストップ層、42はp−Al0.1Ga0.9Np型第2クラッド層、43はp−GaNp型コンタクト層、44はp側電極、45はn側電極、46は電流狭窄のためのSiO2絶縁膜である。
【0079】
本発明において、GaNバッファ層32はその上に窒化物系半導体をエピタキシャル成長させることができるものであればGaNにこだわらず他の材料、たとえばAlNやAlGaN3元混晶を用いてもよい。
【0080】
次に、図6、図7、および、図8を参照して上記窒化物系半導体レーザ素子の作製方法を説明する。以下の説明ではMOCVD法(有機金属気相成長法)を用いた場合を示しているが、窒化物系半導体をエピタキシャル成長できる成長法であればよく、MBE法(分子線エピタキシャル成長法)やHVPE(ハイドライド気相成長法)などの他の気相成長法を用いることもできる。
【0081】
まず、所定の成長炉内に設置された、c面を表面として有する厚さ350μmのサファイア基板31上に、TMGとNH3を原料に用いて、成長温度550℃でGaNバッファ層32を35nm成長させる。
【0082】
次に、成長温度を1050℃まで上昇させて、TMGとNH3、およびSiH4を原料に用いて、厚さ3μmのSiドープn−GaNn型コンタクト層33を成長する。次に、成長温度を750℃に下げ、TMGとNH3とSiH4、およびTMIを原料に用いて、厚さ0.1μmのSiドープn−In0.1Ga0.9Nクラック防止層34を成長する。
【0083】
次に、再び成長温度を1050℃に上昇して、TMGとNH3とSiH4、およびTMAを原料に用いて、厚さ1.0μmのSiドープn−Al0.1Ga0.9Nn型クラッド層35を成長する。続けて、TMAを原料から除いて、成長温度は1050℃のままで、厚さ0.1μmのSiドープn−GaNガイド層36を成長する。
【0084】
以上の結晶成長までを終了後、一旦エピタキシャルウェハーを成長炉から取り出し、図7に示されるようなフォトリソマスクを用いたフォトリソグラフィー技術により、図8(a)の断面図に示されるようにレジストマスク47をn−GaNガイド層36の表面に形成する。この時、図7中での矢印Aの方向に対して周期構造を有するフォトマスクにおけるその周期は150nmであり、1周期内でのさらに微細なマスクパターンはフォトリソグラフィー技術の分解能よりも微細であるためにレジストパターンの形成には至らず、マスクからの光の透過率の増大につながるため、図8(a)に示されるような断面を有するレジストマスク47が形成される。
【0085】
このようにレジストマスク47は2種類のストライプ状平面の周期構造からなる凹凸を有する表面を持ち、この2種類の平面のうち一方のみが基板表面と90の角度で垂直に交差している。さらにこのウェハー全面を通常のドライエッチング技術によりレジストマスク47とn−GaNガイド層36とを一括してエッチングを行うと、レジストマスク47の形状を反映して、図8(b)に示されるような断面を有する周期構造がn−GaNガイド層36の表面に形成される。この表面は2種類のストライプ状平面の周期構造からなる凹凸を有する表面を持ち、この2種類の平面のうち一方のみが基板表面と90度の角度で垂直に交差している。
【0086】
本実施形態では、周期構造をなす矢印Aの方向に対する平面の幅が、基板表面と垂直に交差している平面では20nm、もう一方の平面では150nmである。すなわち、150nmの周期で20nmの段差が形成されている。
【0087】
その後、再びこのエピタキシャルウェハーを成長炉に設置し、成長温度を750℃として、TMGとNH3とTMIを原料に用いて、In0.03Ga0.97N障壁層(厚さ5nm)、In0.15Ga0.85N量子井戸層(厚さ3nm)、In0.03Ga0.97N障壁層(厚さ5nm)、In0.15Ga0.85N量子井戸層(厚さ3nm)、In0.03Ga0.97N障壁層(厚さ5nm)を順次成長することにより多重の量子井戸構造活性層(トータルの厚さ21nm)37を作成する。さらに続けてTMGとTMAとNH3を原料に用いて、成長温度は750℃のままで厚さ10nmのAl0.2Ga0.8N蒸発防止層38を成長する。この時、InGaNからなる多重の量子井戸構造活性層37を形成する際に、図8(c)に示される矢印Aの方向に移動するIn原子やGa原子は段差を乗り越えやすいが、矢印Bの方向では基板表面に対して垂直に形成された段差のために移動が抑制されてしまう。これは原子の移動を矢印Aで示される方向のみに限定することになり、そのため等方的に移動できる場合と比較して、拡散が促進されて組成の均一化の効果が増大している。この結果、結晶成長中における拡散の効果を大幅に増大させることができ、In組成の空間的なゆらぎを低減できた。
【0088】
次に、再び成長温度を1050℃に上昇して、TMGとNH3、およびCp2Mgを原料に用いて、厚さ0.1μmのMgドープp−GaNガイド層39を成長する。さらに続けてTMAを原料に加え、成長温度は1050℃のままで厚さ0.2μmのMgドープp−Al0.1Ga0.9Np型第1クラッド層40を成長する。
【0089】
次に、成長温度を750℃に下げ、TMGとNH3とCp2Mg、およびTMIを原料に用いて、厚さ20nmのMgドープp−In0.03Ga0.97Nエッチストップ層41を成長する。
【0090】
次に、再び成長温度を1050℃に上昇して、TMGとNH3とCp2Mg、および、TMAを原料に用いて、厚さ0.8μmのMgドープp−Al0.1Ga0.9Np型第2クラッド層42を成長する。続けて、TMAを原料から除いて、成長温度は1050℃のままで厚さ0.1μmのMgドープp−GaNp型コンタクト層43を成長して、窒化物系エピタキシャルウェハーを完成する。その後、このウェハーを800℃の窒素ガス雰囲気中でアニールして、Mgドープのp型層を低抵抗化する。
【0091】
続いて、通常のフォトリソグラフィーとドライエッチング技術を用いて200μm幅のストライプ状に、p−GaNp型コンタクト層43の最表面からn−GaNn型コンタクト層33が露出するまでエッチングを行ってメサ構造を作製する。その後、同様のフォトリソグラフィーとドライエッチング技術を用いてp−GaNp型コンタクト層43の最表面に、2μm幅のストライプ状にリッジ構造を形成するようにp−GaNp型コンタクト層43とp−Al0.1Ga0.9Np型第2クラッド層42をエッチングする。この時、エッチングの深さがp−In0.03Ga0.97Nエッチストップ層41に達すると、エッチング表面にIn原子が現れるため、このIn原子を元素分析により検出した時点でエッチングを停止するようにして、エッチングする深さを正確に制御できた。
【0092】
続いて、リッジの側面とリッジ以外のp型層表面に厚さ200nmのSiO2絶縁膜46を電流阻止層として形成する。さらに、このSiO2絶縁膜46とp−GaNp型コンタクト層43の表面にニッケルと金からなるp側電極44を形成し、エッチングにより露出したn−GaNn型コンタクト層33の表面にチタンとアルミニウムからなるn側電極45を形成して、窒化物系半導体レーザ素子ウェハーを完成する。
【0093】
その後、このウェハーのサファイア基板31の裏面を通常の研磨技術により研磨してウェハーの厚さを50μmとし、このウェハーをリッジストライプと垂直な方向にへき開することによりレーザの共振器端面を形成し、リッジストライプと平行な方向にレーザ共振器を形成する。ここでは、共振器の長さを500μmとした。さらにこの共振器端面に、SiO2とTiO2が交互に各3層ずつ積層されたλ/4誘電体多層反射膜を形成し、共振器端面の反射率を60%とする。
【0094】
続いてこのレーザ素子を個々のレーザチップに分割する。そして、各チップをサファイア基板31を下にしてステムにマウントし、ワイヤーボンディングにより各電極とリード端子とを接続して、窒化物系半導体レーザ素子を完成する。
【0095】
このようにして作製された窒化物系半導体レーザ素子の発振波長は410nm、発振閾値電流は40mAであり、良好なレーザ特性が得られた。また素子特性の劣化も見られず、信頼性が大幅に改善された。このように低い発振閾値電流値と高い信頼性を有する窒化物系半導体レーザ素子が得られるのは、In原子とGa原子の結晶成長中の表面移動を量子井戸面内で一方向に対して抑制し、その反対方向には抑制しないようにした結晶成長によりInGaNからなる多重の量子井戸構造活性層37を形成して、In組成の空間的なゆらぎを抑えたことによるものである。
【0096】
なお、本実施形態では、n−GaNガイド層36の表面は2種類のストライプ状平面の周期構造からなる凹凸を有する表面を持ち、この2種類の平面のうち一方のみが基板表面と90度の角度で垂直に交差しているが、この角度は90度に限らず、70度以上110度以下であれば表面上でのIn原子やGa原子の移動をある一方向にのみ移動しやすくする効果が得られる。
【0097】
また、本実施形態では、周期構造をなす矢印Aの方向に対する平面の幅が、基板表面と垂直に交差している平面では20nm、もう一方の平面では150nmである。すなわち、150nmの周期で20nmの段差が形成されているが、これらの幅の値は本実施形態に限らず、基板表面と垂直に交差している平面では10nm以上、もう一方の平面では200nm以下であれば同様の効果が得られる。
【0098】
図9に、2種類の平面の幅を変えたこと以外は本実施形態と同様に作製した窒化物系半導体レーザ素子の発振閾値電流値の、基板表面と垂直に交差している平面の幅に対する依存性を示す。
【0099】
図9からわかるように、基板表面と垂直に交差している平面の幅が10nm以上、かつ、もう一方の平面の幅が200nm以下では、In原子とGa原子の結晶成長中の表面移動を量子井戸面内で一方向に対して抑制し、その反対方向には抑制しない効果が十分得られるため、低い発振閾値電流値を有する窒化物系半導体レーザ素子が得られることがわかる。
【0100】
基板表面と垂直に交差している平面の幅が10nm以下ではこの段差を乗り越えて原子が移動できるようになり、また、もう一方の平面の幅が200nm以上になると、段差の効果がなくなる。したがってこの時はIn原子とGa原子の移動を量子井戸面内で一方向にのみ移動しやすくする効果が得られないため、発振閾値電流値が増大する。
【0101】
(第4の実施形態)
図10は本発明の第4の実施形態に係る窒化物系半導体発光ダイオードを示す断面図である。図10において、51はc面を表面として有するサファイア基板、52はGaNバッファ層、53はn−GaNn型コンタクト層、54はIn0.30Ga0.70N量子井戸構造活性層、55はAl0.2Ga0.8N蒸発防止層、56はp−GaN層、57はp側透明電極、58はp側パッド電極、59はn側電極である。
【0102】
次に、図10を参照して上記窒化物系半導体発光ダイオードの作製方法を説明する。以下の説明ではMOCVD法(有機金属気相成長法)を用いた場合を示しているが、窒化物系半導体をエピタキシャル成長できる成長法であればよく、MBE法(分子線エピタキシャル成長法)やHVPE(ハイドライド気相成長法)などの他の気相成長法を用いることもできる。
【0103】
まず、所定の成長炉内に設置された、c面を表面として有する厚さ350μmのサファイア基板51上に、TMGとNH3を原料に用いて、成長温度550℃でGaNバッファ層52を35nm成長させる。次に、成長温度を1050℃まで上昇させて、TMGとNH3、およびSiH4を原料に用いて、厚さ3μmのSiドープn−GaNn型コンタクト層53を成長する。
【0104】
以上の結晶成長までを終了後、一旦エピタキシャルウェハーを成長炉から取り出し、第3の実施形態の窒化物系半導体レーザ素子と同様に、2種類のストライプ状平面の周期構造からなる凹凸をn−GaNn型コンタクト層53の表面に形成する。この2種類の平面のうち一方のみが基板表面と90度の角度で垂直に交差している。本実施形態では、周期構造をなす方向に対する平面の幅が、基板表面と垂直に交差している平面では20nm、もう一方の平面では150nmとなるように形成した。
【0105】
その後再びこのエピタキシャルウェハーを成長炉に設置し、成長温度を750℃として、TMGとNH3とTMIを原料に用いて、厚さ3nmのIn0.30Ga0.70N量子井戸構造活性層54を形成する。さらに続けてTMGとTMAとNH3を原料に用いて、成長温度は750℃のままで厚さ10nmのAl0.2Ga0.8N蒸発防止層55を成長する。この時、InGaN量子井戸構造活性層54を形成する際には、第3の実施形態と同様に、原子の移動を一方向のみに限定することになり、そのため等方的に移動できる場合と比較して、拡散が促進されて組成の均一化の効果が増大している。この結果、結晶成長中における拡散の効果を大幅に増大させることができ、In組成の空間的なゆらぎを低減できた。
【0106】
次に、再び成長温度を1050℃に上昇して、TMGとNH3、およびCp2Mgを原料に用いて、厚さ0.5μmのMgドープp−GaN層56を成長して、窒化物系エピタキシャルウェハーを完成する。その後、このウェハーを800℃の窒素ガス雰囲気中でアニールして、Mgドープのp型層を低抵抗化する。
【0107】
続いて、通常のフォトリソグラフィーとドライエッチング技術を用いて200μm幅のストライプ状に、p−GaN層56の最表面からn−GaNn型コンタクト層53が露出するまでエッチングを行ってメサ構造を作製する。その後、p−GaN層56の表面全体にニッケルと金からなるp側透明電極57を形成し、このp側透明電極の一部に金からなるp側パッド電極58を形成する。さらに、エッチングにより露出したn−GaNn型コンタクト層53の表面にチタンとアルミニウムからなるn側電極59を形成して、窒化物系半導体発光ダイオードウェハーを完成する。
【0108】
その後、このウェハーのサファイア基板51の裏面を通常の研磨技術により研磨してウェハーの厚さを50μmとし、この発光ダイオードを、正方形状に個々のチップに分割する。そして、各チップをサファイア基板51を下にしてステムにマウントし、ワイヤーボンディングにより各電極とリード端子とを接続して、窒化物系半導体発光ダイオードを完成する。
【0109】
このようにして作製された窒化物系半導体発光ダイオードにおいて、20mAの電流注入時に発光波長は470nm、光出力は3mWであり、第2の実施形態と同様に良好な素子特性が得られた。また、電流注入によるブルーシフト量も低減され、60mAまでの電流注入によるブルーシフト量は、従来では8nmであったものが2nmになった。
【0110】
このようにブルーシフト量が低減された窒化物系半導体発光ダイオードが得られるのは、In原子とGa原子の結晶成長中の表面移動を量子井戸面内で一方向に対して抑制し、その反対方向には抑制しないようにした結晶成長によりInGaN量子井戸構造活性層54を形成して、In組成の空間的なゆらぎを抑えたことによるものである。
【0111】
なお、本実施形態では、InGaN量子井戸構造活性層54に接するn−GaNn型コンタクト層53の表面は2種類のストライプ状平面の周期構造からなる凹凸を有する表面を持ち、この2種類の平面のうち一方のみが基板表面と90度の角度で垂直に交差しているが、この角度は90度に限らず、70度以上110度以下であれば表面上でのIn原子やGa原子の移動をある一方向にのみ移動しやすくする効果が得られる。
【0112】
また、本実施形態では、周期構造をなす方向に対する平面の幅が、基板表面と垂直に交差している平面では20nm、もう一方の平面では150nmである。すなわち、150nmの周期で20nmの段差が形成されているが、これらの幅の値は本実施形態に限らず、基板表面と垂直に交差している平面では10nm以上、もう一方の平面では200nm以下であれば同様の効果が得られる。
【0113】
さらに、量子井戸構造活性層54を構成するIn0.30Ga0.70N量子井戸層は、必要な発光波長に応じてその組成を設定すればよく、発光波長を長くしたい場合は量子井戸層のIn組成を大きくし、短くしたい場合は量子井戸層のIn組成を小さくする。このようにIn組成を変化させて青色から緑色の波長領域で本実施形態と同様に窒化物系半導体発光素子を作製しても、ブルーシフト量の低減の効果は得られており、従来の窒化物半導体発光ダイオードでのブルーシフト量の約3分の1程度に低減した。
【0114】
なお、今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【0115】
【発明の効果】
上述したように、本発明による窒化物系半導体発光素子では、窒化物半導体からなる、クラッド層もしくはガイド層の少なくともいずれか一方に挟まれ、InおよびGaを含む窒化物半導体からなる量子井戸構造活性層が、In原子およびGa原子の結晶成長中の表面移動を量子井戸面内で一方向に対して抑制するとともにその反対方向には抑制しないようにした結晶成長により形成されているという独特の構成を採用している。これにより、拡散係数が同じでも結晶成長中における拡散の効果を大幅に増大させることができることを新知見として得た。これは原子の移動をある一方向のみに限定することで、等方的に移動できる場合と比較して、拡散が促進されて組成の均一化の効果が増大しているためと考えられる。
【0116】
この結果、量子井戸構造活性層におけるIn組成の空間的なゆらぎが低減されて、低い発振閾値電流値と高い信頼性を有する窒化物系半導体レーザ素子が得られた。さらに、この量子井戸構造活性層におけるIn組成の空間的なゆらぎの低減により、青色から緑色のすべての波長領域で、電流注入によるブルーシフト量が低減された窒化物系半導体発光ダイオードも得られた。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の第1の実施形態に係る窒化物系半導体レーザ素子を示す断面図である。
【図2】 本発明の第1の実施形態に係る窒化物系半導体レーザ素子におけるInGaNからなる多重の量子井戸構造活性層6の成長中の断面を表わす模式図である。
【図3】 本発明の第1の実施形態に係る窒化物系半導体レーザ素子における発振閾値電流値の、基板の傾斜角度依存性を示す図である。
【図4】 本発明の第2の実施形態に係る窒化物系半導体発光ダイオードを示す断面図である。
【図5】 本発明の第2の実施形態に係る窒化物系半導体発光ダイオードと比較例としての従来の窒化物系半導体発光ダイオードにおけるブルーシフト量の、発光波長依存性を示す図である。
【図6】 本発明の第3の実施形態に係る窒化物系半導体レーザ素子を示す断面図である。
【図7】 本発明の第3の実施形態に係る窒化物系半導体レーザ素子を作製する際に用いたフォトリソグラフィー用のフォトマスクのパターンを示す図である。
【図8】 本発明の第3の実施形態に係る窒化物系半導体レーザ素子に用いられるInGaNからなる多重の量子井戸構造活性層37の製造工程を説明する図であって、(a)、(b)、(c)はいずれも製造工程の断面図である。
【図9】 本発明の第3の実施形態に係る窒化物系半導体レーザ素子における発振閾値電流値の、基板表面と垂直に交差している平面の幅と、もう一方の平面の幅に対する依存性を示すを示すグラフ図である。
【図10】 本発明の第4の実施形態に係る窒化物系半導体発光ダイオードを示す断面図である。
【図11】 窒化物系半導体を用いた従来の半導体レーザ素子の断面図である。
【符号の説明】
1,21 n−GaN基板、2,22 n−GaN層、3,34 n−In0.1Ga0.9Nクラック防止層、4,35 n−Al0.1Ga0.9Nn型クラッド層、5,36 n−GaNガイド層、6,37 量子井戸構造活性層、7,24,38,55 Al0.2Ga0.8N蒸発防止層、8,39 p−GaNガイド層、9,40 p−Al0.1Ga0.9Np型第1クラッド層、10,41 p−In0.03Ga0.97Nエッチストップ層、11,42 p−Al0.1Ga0.9Np型第2クラッド層、12,43 p−GaNp型コンタクト層、13,44 p側電極、14,28,45,59 n側電極、15,46 SiO2絶縁膜、23,54 In0.30Ga0.70N量子井戸構造活性層、25,56 p−GaN層、26,57p側透明電極、27,58 p側パッド電極、31,51 サファイア基板、32,52 GaNバッファ層、33,53 n−GaNn型コンタクト層、47 レジストマスク。
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a nitride semiconductor light emitting device and a method for manufacturing the same, and more particularly to a nitride semiconductor light emitting device including a quantum well structure active layer made of a nitride semiconductor containing In and Ga and a method for manufacturing the same.
[0002]
[Prior art]
A nitride semiconductor (GaInAlN) is used as a semiconductor material of a semiconductor laser element (LD) or a light emitting diode (LED), which is a semiconductor light emitting element having an emission wavelength in the ultraviolet to green wavelength region. This semiconductor laser element using a nitride-based semiconductor is described in, for example, Technical Digest of International Workshop on Nitride Semiconductors (IWN2000) WA2-1. A cross-sectional view of a semiconductor laser device using a nitride-based semiconductor is shown in FIG. In FIG. 11, 101 is a sapphire substrate having a (0001) c plane, 102 is a GaN layer, 103 is an n-GaN contact layer, and 104 is n-Al. 0.08 Ga 0.92 N cladding layer, 105 n-GaN guide layer, 106 In 0.10 Ga 0.90 N quantum well layer and In 0.02 Ga 0.98 Multiple quantum well structure active layer composed of N barrier layer, 107 is p-Al 0.16 Ga 0.84 N layer, 108 is a p-GaN guide layer, 109 is p-Al 0.15 Ga 0.85 A p-type cladding layer in which N and GaN are alternately laminated, 110 is a p-GaN contact layer, 111 is a p-side electrode, 112 is an n-side electrode, and 113 is a current confinement SiO 2 It is a membrane. Here, the GaN layer 102 is formed in a stripe shape having a width of 2 μm with a period of 12 μm. In addition, the multiple quantum well structure active layer 106 has an Innm thickness of 3.5 nm. 0.10 Ga 0.90 N quantum well layer and 7.0 nm thick In 0.02 Ga 0.98 It is composed of three pairs of N barrier layers, and quantum well layers and barrier layers are alternately formed.
[0003]
In this conventional manufacturing method, a metal organic chemical vapor deposition method (MOCVD method) is used to form a nitride-based semiconductor. First, after forming the GaN layer 102 on the sapphire substrate 101, the GaN layer 102 is processed into a stripe shape, and a semiconductor laser element structure from the n-GaN contact layer 103 to the p-GaN contact layer 110 is laminated thereon. Yes.
[0004]
Further, in this conventional example, the p-type cladding layer 109 and the p-GaN contact layer 110 are formed in a ridge stripe in order to confine the injection current. As a result, the stripe-shaped region into which current is injected becomes the active region. After that, the sapphire substrate 101 is thinned by polishing and then the cleave technique is used to form the resonator end face.
[0005]
However, the nitride-based semiconductor laser device of this conventional example has a problem that the characteristics are rapidly deteriorated by continuous current injection. To put this semiconductor laser device into practical use, the reliability of the device can be improved. It was an important issue. As a cause of this rapid deterioration, it is considered that defects existing in the nitride-based semiconductor material used in the active layer proliferate by current injection, and attempts have been made to reduce these defects.
[0006]
For example, in Japanese Patent Laid-Open No. 2000-156348, in order to obtain an active layer having a flat surface and few defects, the surface orientation of the surface of a sapphire substrate used as a substrate for forming a semiconductor laser device structure is 0.3 degrees from the c plane. There is shown a technique in which a semiconductor laser element structure is stacked on an inclined surface at an off angle in the range of 0.5 degrees or less.
[0007]
In Japanese Patent Laid-Open No. 2000-223743, for the same purpose, a gallium nitride substrate is used as a substrate for forming a semiconductor laser element structure, and the surface orientation of the surface is in the range of 0.03 to 10 degrees from the c-plane. A technique is shown in which a semiconductor laser device structure is stacked thereon by inclining at an off angle.
[0008]
On the other hand, apart from the technology for reducing these defects, mixed crystal materials having a spatially uniform composition due to the phase separation that occurs as a result of the presence of immiscible regions in mixed semiconductor materials of nitride-based semiconductors. It is known that fluctuations in the composition occur. In particular, InGaN, which is often used as an active layer of a nitride-based semiconductor light-emitting device, has a spatial variation in In composition due to phase separation. Therefore, in the InGaN quantum well structure active layer, a dot-like region having a high In composition is present. It is formed. Since the size of this dot is very small, it is considered to function as a quantum dot.
[0009]
For example, Japanese Laid-Open Patent Publication No. 10-14502 discloses a technique for forming an InGaN quantum well structure active layer after forming irregularities having a trigonometric waveform on the surface of a nitride-based semiconductor layer that forms an InGaN active layer. ing. In the InGaN quantum well structure active layer formed with the uneven shape in this way, the concave region has a higher In composition than the convex region, and quantum dots are formed. As a result, the threshold current value of laser oscillation can be reduced with a zero-dimensional quantum dot as compared with the case where a two-dimensional quantum well structure is used for the active layer.
[0010]
In addition, a light-emitting diode using a nitride-based semiconductor is also manufactured using an InGaN quantum well structure active layer, similarly to the semiconductor laser element.
[0011]
However, the conventional semiconductor light emitting device using the nitride semiconductor has the following problems. First, in a semiconductor laser device using a nitride semiconductor, the surface of the substrate for forming the semiconductor laser device structure is inclined at a slight off angle within 10 degrees or less from the c-plane as in the conventional example. Even if the semiconductor laser device structure is laminated thereon, the characteristics are deteriorated, and it is difficult to obtain a nitride semiconductor laser device having sufficiently improved reliability.
[0012]
Furthermore, in the conventional semiconductor laser device using the nitride semiconductor, since fluctuations in the In composition caused by phase separation of the InGaN active layer exist at random, the energy spread of the optical gain resulting from this In composition fluctuation Therefore, there is a problem that a sufficiently high optical gain cannot be obtained at the oscillation wavelength, and the oscillation threshold current value increases.
[0013]
On the other hand, in a semiconductor laser device having an InGaN quantum well structure active layer formed with a conventional concavo-convex shape, quantum dots are formed by this concavo-convex structure, but all the sizes of the quantum dots are made uniform. I can't. Therefore, due to the variation in the size, the energy gain of the optical gain is spread, and in this case, there is a problem that the oscillation threshold current value cannot be reduced.
[0014]
Furthermore, since the InGaN quantum well structure active layer is used in the light emitting diode using a nitride semiconductor as well as the semiconductor laser element using the nitride semiconductor, the influence of fluctuations in the In composition caused by phase separation. Appears in the characteristics. That is, in this active layer, the In composition is not uniform and spatial fluctuations occur. Therefore, electrons and holes that enter the active layer by current injection are first recombined in a region where the In composition is large, and the amount of injected current increases. It expands to a region with a small In composition and recombines. That is, there is a problem that the peak value of the emission wavelength is greatly blue-shifted as current is injected. This means that when the light emitting diode is used as a pixel of a full color display, the hue changes due to the injected current. Such fluctuation of the In composition caused by phase separation is particularly noticeable in the quantum well structure of a nitride-based semiconductor material containing In and Ga. Therefore, in a semiconductor light emitting device using this quantum well structure as an active layer, this problem Need to be resolved.
[0015]
[Problems to be solved by the invention]
The present invention has been made in view of such circumstances, and solves the above-described problems in nitride semiconductor laser elements, and has a low oscillation threshold current value and improved reliability. And it aims at providing the manufacturing method.
[0016]
As a result of investigating the cause of the deterioration of characteristics in a semiconductor laser device using a nitride-based semiconductor, the present inventor has found that spatial fluctuations in the In composition caused by phase separation cause local lattice distortion and increase the number of defects. I found it promoting.
[0017]
Therefore, by suppressing the fluctuation of the In composition, the oscillation threshold current value of the nitride-based semiconductor laser element can be reduced and the reliability thereof can be improved. Further, in the nitride-based semiconductor light-emitting diode, the amount of blue shift due to current injection can be reduced by reducing the fluctuation of the In composition.
[0018]
Further, as a result of the study by the present inventors, the spatial fluctuation of the In composition in the quantum well structure made of a nitride semiconductor containing In and Ga is caused by the non-uniform composition caused by phase separation and the In atom or Ga atom. It was found that two factors of competing generation of the composition due to the diffusion of the material occur in competition.
[0019]
Therefore, in order to reduce the influence of the composition non-uniformity due to the phase separation in this quantum well structure, the effect of the composition homogenization by diffusion may be increased. In order to increase this diffusion effect, it is conceivable to increase the diffusion coefficient by making the atoms move easily. For this purpose, it is necessary to increase the temperature of crystal growth. However, when the growth temperature is increased in this way, problems such as separation of In atoms from the growth surface occur, and the number of defects is greatly increased.
[0020]
Therefore, in contrast to this, the present inventor does not move In atoms and Ga atoms isotropically within the crystal growth plane, and suppresses movement in one direction and does not suppress in the opposite direction. As a result, it was obtained as a new finding that the effect of diffusion during crystal growth can be greatly increased even if the diffusion coefficient is the same. This is because by limiting the movement of atoms to only one direction, the diffusion is effectively promoted and the effect of homogenizing the composition is increased compared to the case where the atoms can move isotropically. .
[0021]
[Means for Solving the Problems]
In view of these points, the nitride-based semiconductor light-emitting device according to the present invention is constituted by the following inventions. That is, the nitride semiconductor light emitting device according to the present invention is sandwiched between at least one of a cladding layer and a guide layer made of a nitride semiconductor on a substrate, and made of a nitride semiconductor containing In and Ga. In a nitride-based semiconductor light emitting device having a quantum well structure active layer, the quantum well structure active layer suppresses surface movement of In atoms and Ga atoms during crystal growth in one direction within the quantum well plane. At the same time, it is characterized by being formed by crystal growth that is not suppressed in the opposite direction.
[0022]
The quantum well structure active layer may be formed in contact with a wurtzite nitride semiconductor layer having a surface having an inclination angle within a range of 15 degrees or more and 60 degrees or less from the (0001) c plane. It is.
[0023]
The substrate may be a wurtzite gallium nitride substrate whose main surface is a surface having an inclination angle in a range of 15 degrees to 60 degrees from the (0001) c plane.
[0024]
Further, the quantum well structure active layer is formed in contact with a nitride semiconductor layer having an uneven surface composed of a periodic structure of two types of stripe-shaped planes, and only one of the two types of stripe-shaped planes is formed. It is possible to intersect the substrate surface substantially perpendicularly at an angle in the range of 70 degrees to 110 degrees.
[0025]
In addition, the two types of stripe-like planes forming the irregularities on the surface of the nitride semiconductor layer have a plane width with respect to the direction forming the periodic structure of 10 nm or more in the plane perpendicular to the substrate surface. On one plane, it can be 200 nm or less.
[0026]
The method for manufacturing a nitride-based semiconductor light-emitting device according to the present invention suppresses surface movement of In atoms and Ga atoms during crystal growth in one direction in the quantum well plane and not in the opposite direction. And a step of forming a quantum well structure active layer made of a nitride semiconductor containing In and Ga by crystal growth.
[0027]
And forming a quantum well structure active layer in contact with a nitride semiconductor layer having a wurtzite structure having a surface having an inclination angle in the range of 15 degrees to 60 degrees from the (0001) c plane. Is possible.
[0028]
A step of forming a nitride semiconductor layer on a gallium nitride substrate having a wurtzite structure whose main surface is a surface having an inclination angle within a range of 15 degrees to 60 degrees from the (0001) c plane; A step of forming the quantum well structure active layer in contact with the physical semiconductor layer.
[0029]
Further, a step of forming a nitride semiconductor layer on the substrate, and irregularities formed of a periodic structure of two types of stripe-like planes on the surface of the nitride semiconductor layer, only one of the two types of planes And forming the quantum well structure active layer in contact with the nitride semiconductor layer, and forming the quantum well structure active layer in contact with the nitride semiconductor layer at an angle in the range of 70 degrees to 110 degrees. It is possible.
[0030]
In addition, two types of stripe-like planes that form irregularities on the surface of the nitride semiconductor layer have a plane width with respect to the direction forming the periodic structure of 10 nm or more in a plane that intersects the substrate surface substantially perpendicularly, It is possible to have a process formed to be 200 nm or less on the other plane.
[0031]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
(First embodiment)
FIG. 1 is a cross-sectional view showing a nitride-based semiconductor laser device according to the first embodiment of the present invention. In FIG. 1, 1 is an n-GaN substrate having a wurtzite structure whose principal surface is a plane having an inclination angle of 28 degrees from the (0001) c plane, 2 is an n-GaN layer, and 3 is n-In. 0.1 Ga 0.9 N crack prevention layer, 4 is n-Al 0.1 Ga 0.9 Nn-type cladding layer, 5 is an n-GaN guide layer, 6 is a two-layer In 0.15 Ga 0.85 N quantum well layer and three layers of In 0.03 Ga 0.97 Multiple quantum well structure active layer composed of N barrier layer, 7 is Al 0.2 Ga 0.8 N evaporation prevention layer, 8 is p-GaN guide layer, 9 is p-Al 0.1 Ga 0.9 Np-type first cladding layer, 10 is p-In 0.03 Ga 0.97 N etch stop layer, 11 is p-Al 0.1 Ga 0.9 Np-type second cladding layer, 12 is a p-GaN p-type contact layer, 13 is a p-side electrode, 14 is an n-side electrode, and 15 is SiO for current confinement 2 It is an insulating film.
[0032]
Next, a method for manufacturing the nitride-based semiconductor laser device will be described with reference to FIG. In the following description, the case where the MOCVD method (metal organic vapor phase epitaxy) is used is shown, but any growth method capable of epitaxially growing a nitride-based semiconductor may be used, such as MBE (molecular beam epitaxy) or HVPE (hydride). Other vapor phase growth methods such as vapor phase growth method can also be used.
[0033]
First, trimethylgallium (TMG) and ammonia are placed on an n-GaN substrate 1 having a thickness of 28 μm from the (0001) c plane and having a main surface as a main surface, which is installed in a predetermined growth furnace. (NH Three ) And silane gas (SiH) Four ) Is used as a raw material, and a Si-doped n-GaN layer 2 having a thickness of 3 μm is grown at a growth temperature of 1050 ° C.
[0034]
Next, the growth temperature is lowered to 750 ° C., and TMG and NH Three And SiH Four , And trimethylindium (TMI) as a raw material, and a Si-doped n-In having a thickness of 0.1 μm 0.1 Ga 0.9 The N crack prevention layer 3 is grown.
[0035]
Next, the growth temperature is again increased to 1050 ° C., and TMG and NH Three And SiH Four And trimethylaluminum (TMA) as a raw material, and a Si-doped n-Al having a thickness of 1.0 μm 0.1 Ga 0.9 An Nn-type cladding layer 4 is grown.
[0036]
Subsequently, the TMA is removed from the raw material, and the Si-doped n-GaN guide layer 5 having a thickness of 0.1 μm is grown with the growth temperature kept at 1050 ° C.
[0037]
In this embodiment, the n-GaN guide layer 5 has a wurtzite structure as a result of using the n-GaN substrate 1 having a wurtzite structure whose principal surface is a plane having an inclination angle of 28 degrees from the (0001) c plane. The surface is a surface having an inclination angle of 28 degrees from the (0001) c plane.
[0038]
Thereafter, the growth temperature is again lowered to 750 ° C., and TMG and NH Three And TMI as raw materials, on the n-GaN guide layer 5, In 0.03 Ga 0.97 N barrier layer (thickness 5 nm), In 0.15 Ga 0.85 N quantum well layer (thickness 3 nm), In 0.03 Ga 0.97 N barrier layer (thickness 5 nm), In 0.15 Ga 0.85 N quantum well layer (thickness 3 nm), In 0.03 Ga 0.97 By sequentially growing N barrier layers (thickness 5 nm), multiple quantum well structure active layers (total thickness 21 nm) 6 are formed. Continue with TMG, TMA and NH Three Is used as a raw material, and the growth temperature remains at 750 ° C. and the thickness is 10 nm. 0.2 Ga 0.8 N evaporation prevention layer 7 is grown.
[0039]
Next, the growth temperature is again increased to 1050 ° C., and TMG and NH Three , And cyclopentadienyl magnesium (Cp 2 A Mg-doped p-GaN guide layer 8 having a thickness of 0.1 μm is grown using Mg) as a raw material.
[0040]
Subsequently, TMA was added to the raw material, and the growth temperature remained at 1050 ° C. and the Mg-doped p-Al having a thickness of 0.3 μm. 0.1 Ga 0.9 An Np-type first cladding layer 9 is grown.
[0041]
Next, the growth temperature is lowered to 750 ° C., and TMG and NH Three And Cp 2 Mg-doped p-In with a thickness of 20 nm using Mg and TMI as raw materials 0.03 Ga 0.97 N etch stop layer 10 is grown.
[0042]
Next, the growth temperature is again increased to 1050 ° C., and TMG and NH Three And Cp 2 Mg-doped p-Al with a thickness of 0.8 μm using Mg and TMA as raw materials 0.1 Ga 0.9 An Np-type second cladding layer 11 is grown.
[0043]
Subsequently, TMA is removed from the raw material, and the Mg-doped p-GaN p-type contact layer 12 having a thickness of 0.1 μm is grown with the growth temperature kept at 1050 ° C. to complete a nitride-based epitaxial wafer.
[0044]
Thereafter, the wafer is annealed in a nitrogen gas atmosphere at 800 ° C. to reduce the resistance of the Mg-doped p-type layer.
[0045]
Subsequently, the p-GaN p-type contact layer 12 and the p-Al are formed on the outermost surface of the p-GaN p-type contact layer 12 using a normal photolithography and dry etching technique so as to form a ridge structure in a stripe shape having a width of 2 μm. 0.1 Ga 0.9 The Np type second cladding layer 11 is etched. At this time, the etching depth is p-In. 0.03 Ga 0.97 When the N etch stop layer 10 is reached, In atoms appear on the etching surface. Therefore, it is preferable to control the etching depth accurately by stopping the etching when the In atoms are detected by elemental analysis. is there. The etch stop layer 10 may be an InGaN ternary mixed crystal or an InGaAlN quaternary mixed crystal having another In composition, as long as atoms other than Al atoms and Ga atoms can be detected and etching can be stopped.
[0046]
Subsequently, 200 nm thick SiO2 is formed on the side surface of the ridge and the surface of the p-type layer other than the ridge. 2 The insulating film 15 is formed as a current blocking layer, and this SiO 2 A p-side electrode 13 made of nickel and gold is formed on the surfaces of the insulating film 15 and the p-GaN p-type contact layer 12.
[0047]
Further, the back surface of the n-GaN substrate 1 of this wafer is polished by a normal polishing technique so that the thickness of the wafer is 30 μm, and an n-side electrode 14 made of titanium and aluminum is formed on the back surface of the n-GaN substrate 1. A nitride semiconductor laser device wafer is completed.
[0048]
Thereafter, the wafer is cleaved in a direction perpendicular to the ridge stripe to form a laser resonator end face, and a laser resonator is formed in a direction parallel to the ridge stripe. Here, the length of the resonator is 500 μm. Furthermore, SiO2 is formed on the end face of the resonator. 2 And TiO 2 Λ / 4 dielectric multilayer reflective films in which three layers are alternately stacked are formed, and the reflectance of the resonator end face is set to 60%.
[0049]
Subsequently, the laser element is divided into individual laser chips. Then, the n-side electrode 14 of each chip is bonded and mounted on the stem, and the p-side electrode 13 and the lead terminal are connected by wire bonding to complete the nitride-based semiconductor laser device.
[0050]
The nitride semiconductor laser device thus fabricated had an oscillation wavelength of 410 nm and an oscillation threshold current of 40 mA, and good laser characteristics were obtained. In addition, the device characteristics were not deteriorated, and the reliability was greatly improved. A nitride-based semiconductor laser device having such a low oscillation threshold current value and high reliability is obtained by suppressing surface movement during crystal growth of In atoms and Ga atoms in one direction in the quantum well plane. This is because the multi-quantum well structure active layer 6 made of InGaN is formed by crystal growth that is not suppressed in the opposite direction, and the spatial fluctuation of the In composition is suppressed.
[0051]
FIG. 2 is a schematic diagram showing a cross section during growth of the multiple quantum well structure active layer 6 made of InGaN in the present embodiment. In this embodiment, as a result of using the n-GaN substrate 1 having a wurtzite structure whose main surface is a plane having an inclination angle of 28 degrees from the (0001) c plane, the n-GaN guide layer 5 also has a wurtzite structure. The surface is a surface having an inclination angle of 28 degrees from the (0001) c plane. As shown in FIG. 2, the surface of the nitride semiconductor inclined from the (0001) c-plane has a terrace portion having the c-plane as a surface and a step portion having a step corresponding to one atomic layer in the c-axis direction. It has the surface shape of the periodic structure which consists of.
[0052]
The surface of the n-GaN guide layer 5 in this embodiment has a step-like step size of 0.52 nm for one atomic layer in the c-axis direction, and is perpendicular to the c-plane forming the terrace portion and the surface. Since the angle formed with the direction is 28 degrees, the width of the terrace portion is 0.98 nm. When an InGaN quantum well structure is grown on a surface having such a step structure, the movement of In atoms and Ga atoms attached to the surface from the gas phase is free in the direction of arrow A in FIG. However, in the direction of arrow B, the movement is suppressed because it is necessary to overcome the step of one atomic layer. This limits the movement of atoms only in the direction indicated by arrow A. Therefore, compared to the case where it can move isotropically, diffusion is effectively promoted and the effect of uniformizing the composition is increased. ing. As a result, the effect of diffusion during crystal growth could be greatly increased. As a result, the spatial In composition fluctuation in the multiple quantum well structure active layer 6 made of InGaN was significantly improved, and a nitride-based semiconductor laser device having a low oscillation threshold current value and high reliability was obtained.
[0053]
In the present embodiment, the n-GaN substrate 1 having a wurtzite structure whose main surface is a plane having an inclination angle of 28 degrees from the (0001) c plane is used as the substrate, but the inclination angle is not limited to this embodiment. If the tilt angle is 15 degrees or more and 60 degrees or less, a nitride-based semiconductor laser device having characteristics equivalent to those of the present embodiment can be obtained.
[0054]
FIG. 3 shows the tilt angle dependence of the oscillation threshold current value of a nitride-based semiconductor laser device fabricated in the same manner as this embodiment except for the tilt angle of the substrate. As can be seen from this figure, when the inclination angle is less than 15 degrees, the width of the c-plane constituting the terrace portion is widened, so the effect of suppressing the movement in the direction of arrow B in FIG. Spatial fluctuations increase. On the other hand, when the inclination angle is larger than 60 degrees, the width of the c-plane constituting the terrace portion is narrowed, so that the movement of atoms is also suppressed in the direction of arrow A. As a result, the effect of limiting the movement of atoms to only one direction is lost, and the spatial fluctuation of the In composition is also increased.
[0055]
In the present embodiment, as a result of using the n-GaN substrate 1 having a wurtzite structure whose main surface is a plane having an inclination angle of 28 degrees from the (0001) c plane as a substrate, the n-GaN guide layer 5 also has a wurtzite structure. However, the semiconductor material of the substrate is not particularly limited to GaN and the multiple quantum well structure active layer 6 made of InGaN. However, it may be formed so as to be in contact with the nitride semiconductor layer having a wurtzite structure having a surface having an inclination angle in the range of 15 degrees to 60 degrees from the (0001) c plane. Therefore, it may be a substrate made of a semiconductor material having another wurtzite structure such as a SiC substrate. However, in a sapphire substrate often used as a substrate of a nitride semiconductor light emitting device, in order to reduce the lattice constant difference with the nitride semiconductor layer, a nitride semiconductor layer is formed after forming a low-temperature buffer layer in contact with the substrate surface. However, when this low-temperature buffer layer is formed, the c-axis of the nitride semiconductor layer is formed perpendicularly to the substrate surface regardless of the plane orientation of the sapphire substrate surface. It becomes difficult to form a contact with a nitride semiconductor layer having a wurtzite structure having a surface having an inclination angle in the range of 15 degrees to 60 degrees from the c-plane.
[0056]
As in the present embodiment, the c-axis of the nitride semiconductor layer and the c-axis of the substrate are made parallel to form a stepped step and a terrace portion on the surface of the nitride-based semiconductor layer, and an InGaN quantum layer is formed thereon. In order to form a well structure active layer, a GaN substrate that can be stacked without forming a low-temperature buffer layer and has a good lattice constant is most preferable.
[0057]
In addition to the wurtzite structure, a zinc blend structure is also conceivable as the crystal structure of the substrate. However, the nitride-based semiconductor material is more thermally stable and has fewer defects. It is preferable to use a substrate.
[0058]
The energy gap between the n-GaN guide layer 5 and the p-GaN guide layer 8 is that of the quantum well layer constituting the multiple quantum well structure active layer 6, and the n-type cladding layer 4 or the p-type cladding layer 9. Other materials such as InGaN ternary mixed crystal, AlGaN ternary mixed crystal, and InGaAlN quaternary mixed crystal may be used as long as the material has a value between these energy gaps.
[0059]
Further, it is not necessary to dope the donor or acceptor over the entire guide layer, only a part of the multiple quantum well structure active layer 6 side may be undoped, and further the entire guide layer may be undoped. In this case, there is an advantage that the number of carriers present in the guide layer is reduced, light absorption by free carriers is reduced, and the oscillation threshold current can be further reduced.
[0060]
Two layers of In constituting the multiple quantum well structure active layer 6 0.15 Ga 0.85 N quantum well layer and three layers of In 0.03 Ga 0.97 The composition of the N barrier layer may be set according to the required laser oscillation wavelength. If it is desired to increase the oscillation wavelength, the In composition of the quantum well layer should be increased, and if it is desired to be shortened, the In composition of the quantum well layer should be decreased. To do.
[0061]
Further, the quantum well layer and the barrier layer may be a quaternary or higher mixed crystal semiconductor containing a small amount of other elements in the InGaN ternary mixed crystal. Furthermore, the barrier layer may simply be GaN. Further, the number of quantum well layers and barrier layers is not limited to this embodiment, and other numbers may be used, or a single quantum well structure active layer may be used.
[0062]
Furthermore, the current blocking layer is SiO. 2 Not only the insulating film 15 but also other dielectric insulating films such as SiN, or semiconductor materials having n-type conductivity and semi-insulating properties can be used.
[0063]
Further, the stripe structure for forming the active region is not limited to the ridge structure as in the present embodiment, but after forming a so-called buried structure or a current confinement layer in which etching is performed up to the n-type layer when forming the ridge. Other stripe structures such as a so-called internal current confinement structure in which the current confinement layer is etched only in a region where current is injected may be used.
[0064]
(Second Embodiment)
FIG. 4 is a sectional view showing a nitride-based semiconductor light-emitting diode according to the second embodiment of the present invention. In this figure, 21 is an n-GaN substrate having a wurtzite structure whose main surface is a plane having an inclination angle of 40 degrees from the (0001) c plane, 22 is an n-GaN layer, and 23 is In. 0.30 Ga 0.70 N quantum well structure active layer, 24 is Al 0.2 Ga 0.8 An N evaporation preventing layer, 25 is a p-GaN layer, 26 is a p-side transparent electrode, 27 is a p-side pad electrode, and 28 is an n-side electrode.
[0065]
Next, a method for fabricating the nitride semiconductor light emitting diode will be described with reference to FIG. In the following description, the case where the MOCVD method (metal organic vapor phase epitaxy) is used is shown, but any growth method capable of epitaxially growing a nitride-based semiconductor may be used, such as MBE (molecular beam epitaxy) or HVPE (hydride). Other vapor phase growth methods such as vapor phase growth method can also be used.
[0066]
First, TMG, NH is placed on an n-GaN substrate 21 having a thickness of 40 degrees from the (0001) c plane and having a tilt angle of 40 degrees as a main surface. Three And SiH Four As a raw material, a Si-doped n-GaN layer 22 having a thickness of 3 μm is grown at a growth temperature of 1050 ° C.
[0067]
In this embodiment, the n-GaN layer 22 has a wurtzite structure as a result of using the n-GaN substrate 21 having a wurtzite structure whose main surface is a plane having an inclination angle of 40 degrees from the (0001) c plane as the substrate. The surface is a surface having an inclination angle of 40 degrees from the (0001) c plane.
[0068]
Thereafter, the growth temperature is lowered to 750 ° C., and TMG and NH Three And TMI as raw materials on the n-GaN layer 22 with a thickness of 3 nm. 0.30 Ga 0.70 An N quantum well structure active layer 23 is formed. Continue with TMG, TMA and NH Three Is used as a raw material, and the growth temperature remains at 750 ° C. and the thickness is 10 nm. 0.2 Ga 0.8 An N evaporation prevention layer 24 is grown.
[0069]
Next, the growth temperature is again increased to 1050 ° C., and TMG and NH Three , And Cp 2 Using Mg as a raw material, a 0.5 μm-thick Mg-doped p-GaN layer 25 is grown to complete a nitride-based epitaxial wafer. Thereafter, the wafer is annealed in a nitrogen gas atmosphere at 800 ° C. to reduce the resistance of the Mg-doped p-type layer.
[0070]
Subsequently, a p-side transparent electrode 26 made of nickel and gold is formed on the entire surface of the p-GaN layer 25, and a p-side pad electrode 27 made of gold is formed on a part of the p-side transparent electrode. Further, the back surface of the n-GaN substrate 21 of this wafer is polished by a normal polishing technique so that the thickness of the wafer is 50 μm, and an n-side electrode 28 made of titanium and aluminum is formed on the back surface of the n-GaN substrate 21. A nitride semiconductor light emitting diode wafer is completed.
[0071]
Thereafter, the light emitting diode is divided into individual chips in a square shape. Then, the n-side electrode 28 of each chip is bonded and mounted on the stem, and the p-side pad electrode 27 and the lead terminal are connected by wire bonding to complete the nitride semiconductor light emitting diode.
[0072]
The nitride-based semiconductor light-emitting diode fabricated in this way had an emission wavelength of 470 nm and an optical output of 3 mW when a current of 20 mA was injected, and good device characteristics were obtained. In addition, the amount of blue shift due to current injection was reduced, and the amount of blue shift due to current injection up to 60 mA was 2 nm compared with 8 nm. The nitride-based semiconductor light-emitting diode with a reduced blue shift is obtained in this way by suppressing surface movement during crystal growth of In atoms and Ga atoms in one direction in the quantum well plane and vice versa. This is because the InGaN quantum well structure active layer 23 is formed by crystal growth that is not suppressed in the direction, and the spatial fluctuation of the In composition is suppressed.
[0073]
In the present embodiment, the n-GaN substrate 21 having a wurtzite structure having a main surface with a tilt angle of 40 degrees from the (0001) c plane is used as the substrate, but the tilt angle is not limited to this embodiment. If the inclination angle is 15 degrees or more and 60 degrees or less, a nitride-based semiconductor light-emitting diode having characteristics equivalent to those of the present embodiment can be obtained.
[0074]
In the present embodiment, as a result of using the n-GaN substrate 21 having a wurtzite structure whose main surface is a surface having an inclination angle of 40 degrees from the (0001) c-plane as the substrate, the n-GaN layer 22 also has a wurtzite structure. The surface of the substrate is a plane having an inclination angle of 40 degrees from the (0001) c plane, but the semiconductor material of the substrate is not particularly limited to GaN, and the InGaN quantum well structure active layer 23 is ( It may be formed in contact with a nitride semiconductor layer having a wurtzite structure having a surface having an inclination angle in the range of 15 degrees to 60 degrees from the (0001) c-plane. Therefore, it may be a substrate made of a semiconductor material having another wurtzite structure, such as a SiC substrate.
[0075]
Further, In constituting the quantum well structure active layer 23 0.30 Ga 0.70 The composition of the N quantum well layer may be set according to the required emission wavelength. If it is desired to increase the emission wavelength, the In composition of the quantum well layer should be increased, and if it is desired to be shorter, the In composition of the quantum well layer should be decreased. To do.
[0076]
FIG. 5 shows the emission wavelength dependence of the blue shift amount of a nitride-based semiconductor light-emitting diode fabricated in the same manner as in this embodiment except for the In composition of the quantum well structure active layer 23.
[0077]
As a comparative example, the blue shift amount in a conventional nitride semiconductor light emitting diode using a wurtzite n-GaN substrate having a (0001) c plane as a main surface is also shown. As can be seen from FIG. 5, even if the In composition is changed, the effect of reducing the blue shift amount is obtained in all the wavelength regions from blue to green, and the blue shift amount in the conventional nitride semiconductor light emitting diode is reduced. It is reduced to about one third.
[0078]
(Third embodiment)
FIG. 6 is a cross-sectional view showing a nitride-based semiconductor laser device according to the third embodiment of the present invention. In FIG. 6, 31 is a sapphire substrate having a c-plane as a surface, 32 is a GaN buffer layer, 33 is an n-GaN n-type contact layer, and 34 is n-In. 0.1 Ga 0.9 N crack prevention layer, 35 is n-Al 0.1 Ga 0.9 Nn-type cladding layer, 36 is an n-GaN guide layer, and 37 is a two-layer In layer 0.15 Ga 0.85 N quantum well layer and three layers of In 0.03 Ga 0.97 Multiple quantum well structure active layer composed of N barrier layer, 38 is Al 0.2 Ga 0.8 N evaporation prevention layer, 39 is p-GaN guide layer, 40 is p-Al 0.1 Ga 0.9 Np-type first cladding layer 41 is p-In 0.03 Ga 0.97 N etch stop layer, 42 is p-Al 0.1 Ga 0.9 Np-type second cladding layer, 43 is a p-GaN p-type contact layer, 44 is a p-side electrode, 45 is an n-side electrode, 46 is SiO for current confinement 2 It is an insulating film.
[0079]
In the present invention, the GaN buffer layer 32 may be made of another material such as AlN or AlGaN ternary mixed crystal as long as it can epitaxially grow a nitride-based semiconductor thereon.
[0080]
Next, a method for manufacturing the nitride-based semiconductor laser device will be described with reference to FIG. 6, FIG. 7, and FIG. In the following description, the case where the MOCVD method (metal organic vapor phase epitaxy) is used is shown, but any growth method capable of epitaxially growing a nitride-based semiconductor may be used, such as MBE (molecular beam epitaxy) or HVPE (hydride). Other vapor phase growth methods such as vapor phase growth method can also be used.
[0081]
First, TMG and NH are placed on a 350 μm-thick sapphire substrate 31 having a c-plane as a surface and placed in a predetermined growth furnace. Three As a raw material, the GaN buffer layer 32 is grown to 35 nm at a growth temperature of 550 ° C.
[0082]
Next, the growth temperature is increased to 1050 ° C., and TMG and NH Three And SiH Four As a raw material, a Si-doped n-GaN n-type contact layer 33 having a thickness of 3 μm is grown. Next, the growth temperature is lowered to 750 ° C., and TMG and NH Three And SiH Four , And TMI as a raw material, and a Si-doped n-In having a thickness of 0.1 μm 0.1 Ga 0.9 The N crack prevention layer 34 is grown.
[0083]
Next, the growth temperature is again increased to 1050 ° C., and TMG and NH Three And SiH Four , And TMA as a raw material, and a 1.0 μm thick Si-doped n-Al 0.1 Ga 0.9 An Nn-type cladding layer 35 is grown. Subsequently, TMA is removed from the raw material, and the Si-doped n-GaN guide layer 36 having a thickness of 0.1 μm is grown while the growth temperature remains at 1050 ° C.
[0084]
After completing the above crystal growth, the epitaxial wafer is once taken out from the growth furnace, and a resist mask as shown in the sectional view of FIG. 8A is obtained by a photolithography technique using a photolithography mask as shown in FIG. 47 is formed on the surface of the n-GaN guide layer 36. At this time, the period of the photomask having a periodic structure in the direction of arrow A in FIG. 7 is 150 nm, and a finer mask pattern within one period is finer than the resolution of the photolithography technique. Therefore, the resist pattern is not formed and the transmittance of light from the mask is increased, so that a resist mask 47 having a cross section as shown in FIG. 8A is formed.
[0085]
As described above, the resist mask 47 has a surface having irregularities formed of a periodic structure of two types of stripe-like planes, and only one of the two types of planes intersects the substrate surface perpendicularly at an angle of 90. Further, when the resist mask 47 and the n-GaN guide layer 36 are collectively etched on the entire surface of the wafer by a normal dry etching technique, the shape of the resist mask 47 is reflected, as shown in FIG. A periodic structure having a simple cross section is formed on the surface of the n-GaN guide layer 36. This surface has an uneven surface composed of a periodic structure of two types of stripe-like planes, and only one of the two types of planes intersects the substrate surface perpendicularly at an angle of 90 degrees.
[0086]
In the present embodiment, the width of the plane with respect to the direction of the arrow A forming the periodic structure is 20 nm on the plane perpendicular to the substrate surface and 150 nm on the other plane. That is, steps of 20 nm are formed with a period of 150 nm.
[0087]
Thereafter, this epitaxial wafer is again set in the growth furnace, the growth temperature is set to 750 ° C., and TMG and NH Three And TMI as raw materials, In 0.03 Ga 0.97 N barrier layer (thickness 5 nm), In 0.15 Ga 0.85 N quantum well layer (thickness 3 nm), In 0.03 Ga 0.97 N barrier layer (thickness 5 nm), In 0.15 Ga 0.85 N quantum well layer (thickness 3 nm), In 0.03 Ga 0.97 By sequentially growing N barrier layers (thickness 5 nm), multiple quantum well structure active layers (total thickness 21 nm) 37 are formed. Continue with TMG, TMA and NH Three Is used as a raw material, and the growth temperature remains at 750 ° C. and the thickness is 10 nm. 0.2 Ga 0.8 N evaporation prevention layer 38 is grown. At this time, when forming the multiple quantum well structure active layer 37 made of InGaN, In atoms and Ga atoms moving in the direction of arrow A shown in FIG. In the direction, the movement is restrained due to the step formed perpendicular to the substrate surface. This limits the movement of atoms only in the direction indicated by the arrow A. Therefore, compared to the case where the atoms can move isotropically, the diffusion is promoted and the effect of homogenizing the composition is increased. As a result, the effect of diffusion during crystal growth can be significantly increased, and the spatial fluctuation of the In composition can be reduced.
[0088]
Next, the growth temperature is again increased to 1050 ° C., and TMG and NH Three , And Cp 2 An Mg-doped p-GaN guide layer 39 having a thickness of 0.1 μm is grown using Mg as a raw material. Subsequently, TMA was added to the raw material, and the growth temperature remained at 1050 ° C., and the Mg-doped p-Al having a thickness of 0.2 μm. 0.1 Ga 0.9 An Np-type first cladding layer 40 is grown.
[0089]
Next, the growth temperature is lowered to 750 ° C., and TMG and NH Three And Cp 2 Mg-doped p-In with a thickness of 20 nm using Mg and TMI as raw materials 0.03 Ga 0.97 N etch stop layer 41 is grown.
[0090]
Next, the growth temperature is again increased to 1050 ° C., and TMG and NH Three And Cp 2 Mg-doped p-Al with a thickness of 0.8 μm using Mg and TMA as raw materials 0.1 Ga 0.9 An Np-type second cladding layer 42 is grown. Subsequently, TMA is removed from the raw material, and a Mg-doped p-GaN p-type contact layer 43 having a thickness of 0.1 μm is grown with the growth temperature kept at 1050 ° C. to complete a nitride-based epitaxial wafer. Thereafter, the wafer is annealed in a nitrogen gas atmosphere at 800 ° C. to reduce the resistance of the Mg-doped p-type layer.
[0091]
Subsequently, the mesa structure is formed by performing etching until the n-GaN n-type contact layer 33 is exposed from the outermost surface of the p-GaN p-type contact layer 43 in a stripe shape having a width of 200 μm using normal photolithography and dry etching technology. Make it. Thereafter, using the same photolithography and dry etching techniques, the p-GaN p-type contact layer 43 and p-Al are formed on the outermost surface of the p-GaN p-type contact layer 43 so as to form a ridge structure in a stripe shape having a width of 2 μm. 0.1 Ga 0.9 The Np-type second cladding layer 42 is etched. At this time, the etching depth is p-In. 0.03 Ga 0.97 When the N etch stop layer 41 is reached, In atoms appear on the etching surface, and when the In atoms are detected by elemental analysis, the etching is stopped and the etching depth can be accurately controlled.
[0092]
Subsequently, 200 nm thick SiO2 is formed on the side surface of the ridge and the surface of the p-type layer other than the ridge. 2 The insulating film 46 is formed as a current blocking layer. Furthermore, this SiO 2 A p-side electrode 44 made of nickel and gold is formed on the surfaces of the insulating film 46 and the p-GaN p-type contact layer 43, and an n-side electrode 45 made of titanium and aluminum is formed on the surface of the n-GaN n-type contact layer 33 exposed by etching. To complete a nitride-based semiconductor laser device wafer.
[0093]
Thereafter, the back surface of the sapphire substrate 31 of this wafer is polished by a normal polishing technique so that the thickness of the wafer is 50 μm, and this wafer is cleaved in a direction perpendicular to the ridge stripe to form a laser resonator end face. A laser resonator is formed in a direction parallel to the ridge stripe. Here, the length of the resonator is 500 μm. Furthermore, SiO2 is formed on the end face of the resonator. 2 And TiO 2 Λ / 4 dielectric multilayer reflective films in which three layers are alternately stacked are formed, and the reflectance of the resonator end face is set to 60%.
[0094]
Subsequently, the laser element is divided into individual laser chips. Then, each chip is mounted on a stem with the sapphire substrate 31 facing down, and each electrode and a lead terminal are connected by wire bonding to complete a nitride semiconductor laser element.
[0095]
The nitride semiconductor laser device thus fabricated had an oscillation wavelength of 410 nm and an oscillation threshold current of 40 mA, and good laser characteristics were obtained. In addition, the device characteristics were not deteriorated, and the reliability was greatly improved. A nitride-based semiconductor laser device having such a low oscillation threshold current value and high reliability is obtained by suppressing surface movement during crystal growth of In atoms and Ga atoms in one direction in the quantum well plane. This is because the multiple quantum well structure active layer 37 made of InGaN is formed by crystal growth that is not suppressed in the opposite direction to suppress the spatial fluctuation of the In composition.
[0096]
In the present embodiment, the surface of the n-GaN guide layer 36 has an uneven surface composed of a periodic structure of two types of stripe-like planes, and only one of the two types of planes is 90 degrees from the substrate surface. Although it intersects perpendicularly at an angle, this angle is not limited to 90 degrees, and if it is 70 degrees or more and 110 degrees or less, the effect of facilitating movement of In atoms and Ga atoms on the surface only in one direction Is obtained.
[0097]
In the present embodiment, the width of the plane with respect to the direction of arrow A forming the periodic structure is 20 nm on the plane perpendicular to the substrate surface and 150 nm on the other plane. That is, a step of 20 nm is formed with a period of 150 nm, but the value of these widths is not limited to this embodiment, and is 10 nm or more on the plane perpendicular to the substrate surface and 200 nm or less on the other plane. If so, the same effect can be obtained.
[0098]
In FIG. 9, the oscillation threshold current value of the nitride-based semiconductor laser device manufactured in the same manner as in the present embodiment except that the widths of the two types of planes are changed with respect to the width of the plane perpendicular to the substrate surface. Indicates dependency.
[0099]
As can be seen from FIG. 9, when the width of the plane perpendicular to the substrate surface is 10 nm or more and the width of the other plane is 200 nm or less, the surface movement during crystal growth of In atoms and Ga atoms is quantum. It can be seen that a nitride-based semiconductor laser device having a low oscillation threshold current value can be obtained because an effect of suppressing in one direction in the well plane and not suppressing in the opposite direction is sufficiently obtained.
[0100]
When the width of the plane perpendicular to the substrate surface is 10 nm or less, the atoms can move over the step, and when the width of the other plane is 200 nm or more, the effect of the step is lost. Therefore, at this time, since the effect of facilitating the movement of In atoms and Ga atoms in only one direction within the quantum well plane cannot be obtained, the oscillation threshold current value increases.
[0101]
(Fourth embodiment)
FIG. 10 is a cross-sectional view showing a nitride-based semiconductor light-emitting diode according to the fourth embodiment of the present invention. In FIG. 10, 51 is a sapphire substrate having a c-plane as a surface, 52 is a GaN buffer layer, 53 is an n-GaN n-type contact layer, and 54 is In. 0.30 Ga 0.70 N quantum well structure active layer, 55 is Al 0.2 Ga 0.8 N evaporation prevention layer, 56 is a p-GaN layer, 57 is a p-side transparent electrode, 58 is a p-side pad electrode, and 59 is an n-side electrode.
[0102]
Next, a method for manufacturing the nitride semiconductor light emitting diode will be described with reference to FIG. In the following description, the case where the MOCVD method (metal organic vapor phase epitaxy) is used is shown, but any growth method capable of epitaxially growing a nitride-based semiconductor may be used, such as MBE (molecular beam epitaxy) or HVPE (hydride). Other vapor phase growth methods such as vapor phase growth method can also be used.
[0103]
First, TMG and NH are placed on a 350 μm thick sapphire substrate 51 having a c-plane as a surface, which is installed in a predetermined growth furnace. Three As a raw material, the GaN buffer layer 52 is grown to 35 nm at a growth temperature of 550 ° C. Next, the growth temperature is increased to 1050 ° C., and TMG and NH Three And SiH Four Is used as a raw material to grow a Si-doped n-GaN n-type contact layer 53 having a thickness of 3 μm.
[0104]
After completing the above crystal growth, the epitaxial wafer is once taken out of the growth furnace, and the irregularities formed of two types of periodic structures of stripe-like planes are formed on the n-GaNn similarly to the nitride-based semiconductor laser device of the third embodiment. It is formed on the surface of the mold contact layer 53. Only one of these two types of planes intersects the substrate surface perpendicularly at an angle of 90 degrees. In the present embodiment, the width of the plane with respect to the direction forming the periodic structure is 20 nm on the plane perpendicular to the substrate surface and 150 nm on the other plane.
[0105]
After that, this epitaxial wafer was again set in the growth furnace, the growth temperature was set to 750 ° C., and TMG and NH Three And TMI as raw materials, 3 nm thick In 0.30 Ga 0.70 An N quantum well structure active layer 54 is formed. Continue with TMG, TMA and NH Three Is used as a raw material, and the growth temperature remains at 750 ° C. and the thickness is 10 nm. 0.2 Ga 0.8 An N evaporation preventing layer 55 is grown. At this time, when the InGaN quantum well structure active layer 54 is formed, as in the third embodiment, the movement of atoms is limited to only one direction. Thus, diffusion is promoted and the effect of uniforming the composition is increased. As a result, the effect of diffusion during crystal growth can be significantly increased, and the spatial fluctuation of the In composition can be reduced.
[0106]
Next, the growth temperature is again increased to 1050 ° C., and TMG and NH Three , And Cp 2 A Mg-doped p-GaN layer 56 having a thickness of 0.5 μm is grown using Mg as a raw material, thereby completing a nitride-based epitaxial wafer. Thereafter, the wafer is annealed in a nitrogen gas atmosphere at 800 ° C. to reduce the resistance of the Mg-doped p-type layer.
[0107]
Subsequently, etching is performed in a stripe shape having a width of 200 μm using normal photolithography and dry etching techniques until the n-GaN n-type contact layer 53 is exposed from the outermost surface of the p-GaN layer 56 to produce a mesa structure. . Thereafter, a p-side transparent electrode 57 made of nickel and gold is formed on the entire surface of the p-GaN layer 56, and a p-side pad electrode 58 made of gold is formed on a part of the p-side transparent electrode. Further, an n-side electrode 59 made of titanium and aluminum is formed on the surface of the n-GaN n-type contact layer 53 exposed by etching to complete a nitride semiconductor light emitting diode wafer.
[0108]
Thereafter, the back surface of the sapphire substrate 51 of this wafer is polished by a normal polishing technique so that the thickness of the wafer is 50 μm, and this light emitting diode is divided into individual chips in a square shape. Then, each chip is mounted on a stem with the sapphire substrate 51 facing down, and each electrode and a lead terminal are connected by wire bonding to complete a nitride semiconductor light emitting diode.
[0109]
The nitride-based semiconductor light-emitting diode fabricated in this manner had an emission wavelength of 470 nm and an optical output of 3 mW when a current of 20 mA was injected, and good device characteristics were obtained as in the second embodiment. In addition, the amount of blue shift due to current injection was reduced, and the amount of blue shift due to current injection up to 60 mA was 2 nm compared with 8 nm.
[0110]
The nitride-based semiconductor light-emitting diode with a reduced blue shift is obtained in this way by suppressing surface movement during crystal growth of In atoms and Ga atoms in one direction in the quantum well plane and vice versa. This is because the InGaN quantum well structure active layer 54 is formed by crystal growth that is not suppressed in the direction to suppress the spatial fluctuation of the In composition.
[0111]
In the present embodiment, the surface of the n-GaN n-type contact layer 53 in contact with the InGaN quantum well structure active layer 54 has an uneven surface having a periodic structure of two types of stripe-like planes. Only one of them intersects the substrate surface perpendicularly at an angle of 90 degrees, but this angle is not limited to 90 degrees, and movement of In atoms or Ga atoms on the surface is not limited to 70 degrees or more and 110 degrees or less. An effect of facilitating movement only in one direction can be obtained.
[0112]
In the present embodiment, the width of the plane with respect to the direction forming the periodic structure is 20 nm on the plane perpendicular to the substrate surface and 150 nm on the other plane. That is, a step of 20 nm is formed with a period of 150 nm, but the value of these widths is not limited to this embodiment, and is 10 nm or more on the plane perpendicular to the substrate surface and 200 nm or less on the other plane. If so, the same effect can be obtained.
[0113]
Further, the In constituting the quantum well structure active layer 54 0.30 Ga 0.70 The composition of the N quantum well layer may be set according to the required emission wavelength. If it is desired to increase the emission wavelength, the In composition of the quantum well layer should be increased, and if it is desired to be shorter, the In composition of the quantum well layer should be decreased. To do. Thus, even when a nitride-based semiconductor light emitting device is manufactured in the blue to green wavelength region by changing the In composition, the effect of reducing the blue shift amount is obtained. This was reduced to about one third of the amount of blue shift in a physical semiconductor light emitting diode.
[0114]
The embodiment disclosed this time should be considered as illustrative in all points and not restrictive. The scope of the present invention is defined by the terms of the claims, rather than the description above, and is intended to include any modifications within the scope and meaning equivalent to the terms of the claims.
[0115]
【The invention's effect】
As described above, in the nitride-based semiconductor light-emitting device according to the present invention, the quantum well structure activity composed of a nitride semiconductor comprising In and Ga sandwiched between at least one of a cladding layer and a guide layer made of a nitride semiconductor. A unique configuration in which the layer is formed by crystal growth that suppresses surface movement during crystal growth of In atoms and Ga atoms in one direction in the quantum well plane and not in the opposite direction. Is adopted. As a result, it has been obtained as a new finding that the effect of diffusion during crystal growth can be greatly increased even if the diffusion coefficient is the same. This is considered to be due to the fact that by limiting the movement of atoms to only one direction, diffusion is promoted and the effect of homogenizing the composition is increased as compared with the case where it can move isotropically.
[0116]
As a result, a spatial fluctuation of the In composition in the quantum well structure active layer was reduced, and a nitride-based semiconductor laser device having a low oscillation threshold current value and high reliability was obtained. Furthermore, by reducing the spatial fluctuation of the In composition in the quantum well structure active layer, a nitride-based semiconductor light-emitting diode in which the amount of blue shift due to current injection is reduced in all the wavelength regions from blue to green was also obtained. .
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view showing a nitride-based semiconductor laser device according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a schematic diagram showing a cross section during growth of a multiple quantum well structure active layer 6 made of InGaN in the nitride-based semiconductor laser device according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a diagram showing a substrate tilt angle dependency of an oscillation threshold current value in the nitride-based semiconductor laser device according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a cross-sectional view showing a nitride-based semiconductor light-emitting diode according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a graph showing the emission wavelength dependence of the blue shift amount in the nitride-based semiconductor light-emitting diode according to the second embodiment of the present invention and a conventional nitride-based semiconductor light-emitting diode as a comparative example.
FIG. 6 is a cross-sectional view showing a nitride-based semiconductor laser device according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a diagram showing a pattern of a photomask for photolithography used when producing a nitride-based semiconductor laser device according to a third embodiment of the present invention.
FIGS. 8A and 8B are diagrams illustrating a manufacturing process of a multiple quantum well structure active layer 37 made of InGaN used in a nitride-based semiconductor laser device according to a third embodiment of the present invention. Both b) and (c) are cross-sectional views of the manufacturing process.
FIG. 9 shows the dependence of the oscillation threshold current value on the width of the plane perpendicular to the substrate surface and the width of the other plane in the nitride-based semiconductor laser device according to the third embodiment of the present invention. FIG.
FIG. 10 is a cross-sectional view showing a nitride-based semiconductor light-emitting diode according to a fourth embodiment of the present invention.
FIG. 11 is a cross-sectional view of a conventional semiconductor laser device using a nitride semiconductor.
[Explanation of symbols]
1,21 n-GaN substrate, 2,22 n-GaN layer, 3,34 n-In 0.1 Ga 0.9 N crack prevention layer, 4,35 n-Al 0.1 Ga 0.9 Nn-type cladding layer, 5,36 n-GaN guide layer, 6,37 quantum well structure active layer, 7, 24, 38, 55 Al 0.2 Ga 0.8 N evaporation prevention layer, 8,39 p-GaN guide layer, 9,40 p-Al 0.1 Ga 0.9 Np-type first cladding layer, 10,41 p-In 0.03 Ga 0.97 N etch stop layer, 11,42 p-Al 0.1 Ga 0.9 Np-type second cladding layer, 12, 43 p-GaN p-type contact layer, 13, 44 p-side electrode, 14, 28, 45, 59 n-side electrode, 15, 46 SiO 2 Insulating film, 23,54 In 0.30 Ga 0.70 N quantum well structure active layer, 25, 56 p-GaN layer, 26, 57p side transparent electrode, 27, 58 p side pad electrode, 31, 51 sapphire substrate, 32, 52 GaN buffer layer, 33, 53 n-GaNn type Contact layer, 47 resist mask.

Claims (6)

基板上で、窒化物半導体からなる、クラッド層もしくはガイド層の少なくともいずれか一方に挟まれており、
InおよびGaを含む窒化物半導体からなる量子井戸構造活性層を有する、
窒化物系半導体発光素子において、
前記基板が(0001)c面を表面として有するサファイア基板であり、
前記量子井戸構造活性層が、2種類のストライプ状平面の周期構造からなる凹凸を有する表面を持つ窒化物半導体層に接して結晶成長中におけるIn原子およびGa原子の表面移動を、量子井戸面内で一方向に対して抑制するとともにその反対方向には抑制しないようにした結晶成長により形成され、
2種類のストライプ状平面のうち一方のみが、基板表面と70度以上110度以下の範囲内の角度でほぼ垂直に交差しており、
前記窒化物半導体層の表面の凹凸を形成する2種類のストライプ状平面は、周期構造をなす方向に対する平面の幅が、基板表面と垂直に交差している平面では10nm以上であり、もう一方の平面では200nm以下であることを特徴とする窒化物系半導体発光素子。
The substrate is sandwiched between at least one of a cladding layer and a guide layer made of a nitride semiconductor,
Having a quantum well structure active layer made of a nitride semiconductor containing In and Ga,
In nitride-based semiconductor light-emitting devices,
The substrate is a sapphire substrate having a (0001) c-plane as a surface;
The quantum well structure active layer is in contact with a nitride semiconductor layer having an uneven surface composed of two types of periodic structures of stripe-like planes, and the surface movement of In atoms and Ga atoms during crystal growth It is formed by crystal growth that suppresses in one direction and does not suppress in the opposite direction ,
Only one of the two types of stripe-shaped planes intersects the substrate surface substantially perpendicularly at an angle in the range of 70 degrees to 110 degrees,
The two types of stripe-like planes forming the irregularities on the surface of the nitride semiconductor layer have a plane width with respect to the direction forming the periodic structure of 10 nm or more in the plane perpendicular to the substrate surface. nitride-based semiconductor light-emitting device characterized der Rukoto below 200nm in a plan.
前記量子井戸構造活性層が、(0001)c面から15度以上60度以下の範囲内での傾斜角度を有する表面を持つウルツァイト構造の窒化物半導体層に接して形成されていることを特徴とする請求項1記載の窒化物系半導体発光素子。  The quantum well structure active layer is formed in contact with a nitride semiconductor layer having a wurtzite structure having a surface having an inclination angle within a range of 15 degrees to 60 degrees from the (0001) c plane. The nitride-based semiconductor light-emitting device according to claim 1. 前記基板が、(0001)c面から15度以上60度以下の範囲内での傾斜角度を有する面を主面とするウルツァイト構造の窒化ガリウム基板であることを特徴とする請求項1または2記載の窒化物系半導体発光素子。  3. The gallium nitride substrate having a wurtzite structure whose principal surface is a surface having an inclination angle within a range of 15 degrees or more and 60 degrees or less from a (0001) c plane. Nitride-based semiconductor light emitting device. (0001)c面を表面として有するサファイア基板上に、窒化物半導体層を形成する工程と、
前記窒化物半導体層の表面に、2種類のストライプ状平面の周期構造からなる凹凸を、この2種類の平面のうち一方のみが前記基板表面と70度以上110度以下の範囲内の角度でほぼ垂直に交差するように形成する工程と、
前記窒化物半導体層上での結晶成長中におけるIn原子およびGa原子の表面移動を、量子井戸面内で一方向に対して抑制するとともにその反対方向には抑制しないようにした結晶成長により、InおよびGaを含む窒化物半導体からなる量子井戸構造活性層を窒化物半導体層に接して形成する工程を有し、
前記窒化物半導体層の表面の凹凸を形成する2種類のストライプ状平面は、周期構造をなす方向に対する平面の幅が、基板表面とほぼ垂直に交差している平面では10nm以上であり、もう一方の平面では200nm以下であるように形成されることを特徴とする窒化物系半導体発光素子の製造方法。
Forming a nitride semiconductor layer on a sapphire substrate having a (0001) c-plane as a surface;
The surface of the nitride semiconductor layer has irregularities formed of a periodic structure of two types of stripe-like planes, and only one of the two types of planes is approximately at an angle within the range of 70 degrees to 110 degrees with the substrate surface. Forming to intersect perpendicularly;
In crystal growth in which surface movement of In atoms and Ga atoms during crystal growth on the nitride semiconductor layer is suppressed in one direction in the quantum well plane and not suppressed in the opposite direction. and a quantum well structure active layer made of nitride semiconductor containing Ga have a step which is formed in contact with the nitride compound semiconductor layer,
The two kinds of stripe-like planes forming the irregularities on the surface of the nitride semiconductor layer have a plane width with respect to the direction forming the periodic structure of 10 nm or more in the plane that intersects the substrate surface almost perpendicularly. A method for manufacturing a nitride-based semiconductor light-emitting device, characterized in that the nitride-based semiconductor light-emitting device is formed to have a thickness of 200 nm or less in the plane of the substrate.
前記量子井戸構造活性層を、(0001)c面から15度以上60度以下の範囲内での傾斜角度を有する表面を持つウルツァイト構造の窒化物半導体層に接して形成する工程を有することを特徴とする請求項記載の窒化物系半導体発光素子の製造方法。Forming the quantum well structure active layer in contact with a nitride semiconductor layer having a wurtzite structure having a surface having an inclination angle within a range of 15 degrees to 60 degrees from the (0001) c-plane. The method for producing a nitride-based semiconductor light-emitting device according to claim 4 . (0001)c面から15度以上60度以下の範囲内での傾斜角度を有する面を主面とするウルツァイト構造の窒化ガリウム基板上に、窒化物半導体層を形成する工程と、
前記窒化物半導体層に接して、前記量子井戸構造活性層を形成する工程と、
を有することを特徴とする請求項記載の窒化物系半導体発光素子の製造方法。
Forming a nitride semiconductor layer on a gallium nitride substrate having a wurtzite structure whose main surface is a surface having an inclination angle within a range of 15 degrees to 60 degrees from the (0001) c-plane;
Forming the quantum well structure active layer in contact with the nitride semiconductor layer;
The method for producing a nitride-based semiconductor light-emitting device according to claim 4, comprising :
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