JP4947035B2 - Nitride semiconductor device - Google Patents

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Description

本発明は、LED(発光ダイオード)、LD(レーザダイオード)、あるいは
スーパルミネッセントダイオード(SLD)等の発光素子、太陽電池、光センサ
ー等の受光素子、あるいはトランジスタ、パワーデバイス等の電子デバイスに使
用される窒化物半導体(InAlGa1−X−YN、0≦X、0≦Y、X+Y≦
1)を用いた素子に関する。なお、本明細書において使用する一般式InGa
1−XN、AlGa1−YN等は単に窒化物半導体層の組成式を示すものであ
って、異なる層が例えば同一の組成式で示されていても、それらの層のX値、Y値
が一致していることを示すものではない。
The present invention is applied to a light emitting element such as an LED (light emitting diode), LD (laser diode), or superluminescent diode (SLD), a light receiving element such as a solar cell or an optical sensor, or an electronic device such as a transistor or a power device. Nitride semiconductor used (In X Al Y Ga 1-XY N, 0 ≦ X, 0 ≦ Y, X + Y ≦
It relates to an element using 1). Note that the general formula In X Ga used in this specification is used.
1-X N, Al Y Ga 1-Y N, etc. simply indicate the composition formula of the nitride semiconductor layer, and even if different layers are shown with the same composition formula, for example, the X value of those layers , It does not indicate that the Y values match.

窒化物半導体は高輝度青色LED、純緑色LEDの材料として、フルカラーL
EDディスプレイ、交通信号等で最近実用化されたばかりである。これらの各種
デバイスに使用されるLEDは、InGaNよりなる井戸層を有する単一量子井
戸構造(SQW:Single-Quantum- Well)、若しくは多重量子井戸構造(MQW
:Multi-Quantum-Well)の活性層が、n型窒化物半導体層とp型窒化物半導体層
との間に挟まれたダブルへテロ構造を有している。青色、緑色等の波長はInG
aN井戸層のIn組成比を増減することで決定されている。
Nitride semiconductors are used as materials for high-brightness blue LEDs and pure green LEDs.
It has just been put into practical use for ED displays and traffic signals. The LED used in these various devices has a single-quantum well structure (SQW) having a well layer made of InGaN or a multiple quantum well structure (MQW).
: Multi-Quantum-Well) has a double heterostructure sandwiched between an n-type nitride semiconductor layer and a p-type nitride semiconductor layer. Blue, green and other wavelengths are InG
It is determined by increasing or decreasing the In composition ratio of the aN well layer.

また、本出願人は、最近この材料を用いてパルス電流下、室温での410nm
のレーザ発振を世界で初めて発表した{例えば、Jpn.J.Appl.Phys.35(1996)L74、
Jpn.J.Appl.Phys.35(1996)L217等}。このレーザ素子は、InGaNよりなる井
戸層を用いた多重量子井戸構造の活性層を有するダブルへテロ構造を有し、パル
ス幅2μs、パルス周期2msの条件で、閾値電流610mA、閾値電流密度8
.7kA/cm、410nmの発振を示す。さらに、我々は改良したレーザ素子
をAppl.Phys.Lett.69(1996)1477において発表した。このレーザ素子は、p型窒
化物半導体層の一部にリッジストライプが形成された構造を有しており、パルス
幅1μs、パルス周期1ms、デューティー比0.1%で、閾値電流187mA
、閾値電流密度3kA/cm、410nmの発振を示す。そして、さらに我々は
室温での連続発振にも初めて成功し、発表した。{例えば、日経エレクトロニク
ス 1996年12月2日号 技術速報、Appl.Phys.Lett.69(1996)3034、Appl.Phys.Lett
.69(1996)4056 等}、このレーザ素子は20℃において、閾値電流密度3.6k
A/cm、閾値電圧5.5V、1.5mW出力において、27時間の連続発振を
示す。
Also, the applicant has recently used this material at 410 nm at room temperature under pulsed current.
For the first time in the world (for example, Jpn.J.Appl.Phys.35 (1996) L74,
Jpn.J.Appl.Phys.35 (1996) L217 etc.}. This laser element has a double hetero structure having an active layer of a multiple quantum well structure using a well layer made of InGaN, and has a threshold current of 610 mA and a threshold current density of 8 at a pulse width of 2 μs and a pulse period of 2 ms.
. Oscillation at 7 kA / cm 2 and 410 nm is exhibited. Furthermore, we presented an improved laser device in Appl. Phys. Lett. 69 (1996) 1477. This laser element has a structure in which a ridge stripe is formed in a part of a p-type nitride semiconductor layer, and has a pulse width of 1 μs, a pulse period of 1 ms, a duty ratio of 0.1%, and a threshold current of 187 mA.
, A threshold current density of 3 kA / cm 2 , and an oscillation of 410 nm. And we also succeeded and announced the first continuous oscillation at room temperature. {For example, Nikkei Electronics December 2, 1996, Technical Bulletin, Appl. Phys. Lett. 69 (1996) 3034, Appl. Phys. Lett.
.69 (1996) 4056 etc.}, the laser element has a threshold current density of 3.6 k at 20 ° C.
It exhibits continuous oscillation for 27 hours at A / cm 2 , threshold voltage 5.5 V, and 1.5 mW output.

窒化物半導体よりなる青色、緑色LEDは順方向電流(If)20mAで、順
方向電圧(Vf)が3.4V〜3.6Vあり、GaAlAs系の半導体よりなる
赤色LEDに比べて2V以上高いため、さらなるVfの低下が望まれている。ま
た、LDでは閾値での電流、電圧が未だ高く、室温で長時間連続発振させるため
には、この閾値電流、電圧が下がるような、さらに効率の高い素子を実現する必
要がある。
Blue and green LEDs made of a nitride semiconductor have a forward current (If) of 20 mA and a forward voltage (Vf) of 3.4 V to 3.6 V, which is 2 V higher than a red LED made of a GaAlAs semiconductor. Further reduction of Vf is desired. Further, in LD, the current and voltage at the threshold are still high, and in order to oscillate continuously at room temperature for a long time, it is necessary to realize an element with higher efficiency that lowers the threshold current and voltage.

レーザ素子の閾値電圧を低下させることができれば、その技術をLED素子に
適用すると、LED素子のVfの低下が予想できる。従って本発明の目的とする
ところは、主として窒化物半導体よりなるLD素子の閾値での電流、電圧を低下
させることにより長時間の連続発振を実現することにある。
If the threshold voltage of the laser element can be reduced, when the technique is applied to the LED element, a decrease in Vf of the LED element can be expected. Accordingly, an object of the present invention is to realize continuous oscillation for a long time by reducing the current and voltage at the threshold value of an LD element mainly made of a nitride semiconductor.

本発明は、窒化物半導体素子において、活性層以外のいずれか1つ以上の半導
体層を歪み超格子構造とすることにより、該半導体層の結晶性をよくでき、該半
導体層の電気抵抗を低くできることを見いだして完成させたものである。
すなわち、本発明の第1の窒化物半導体素子は、活性層が、n導電側(以下、
n側という。)の窒化物半導体層とp導電側(以下、p側という。)の窒化物半
導体層との間に形成されてなる窒化物半導体素子であって、
前記n導電側の窒化物半導体層において、前記活性層と離れた位置、若しくは
接した位置に、互いにバンドギャップエネルギーが異なりかつ互いにn型不純物
濃度が異なる第1と第2の窒化物半導体層とが積層されてなるn側歪み超格子層
を有することを特徴とする。
これによって、超格子層で構成された窒化物半導体層の電気抵抗を小さくでき
るので、n導電側の窒化物半導体層の全体としての抵抗を小さくできる。
In the nitride semiconductor device, the crystallinity of the semiconductor layer can be improved by making any one or more semiconductor layers other than the active layer have a strained superlattice structure, and the electrical resistance of the semiconductor layer can be reduced. I found what I could do and completed it.
That is, in the first nitride semiconductor device of the present invention, the active layer has an n conductive side (hereinafter,
It is called n side. ) Nitride semiconductor layer and a p-conductivity side (hereinafter referred to as p-side) nitride semiconductor layer,
In the nitride semiconductor layer on the n conductive side, the first and second nitride semiconductor layers having different bandgap energy and different n-type impurity concentration from each other at a position away from or in contact with the active layer, It is characterized by having an n-side strained superlattice layer formed by laminating.
As a result, the electrical resistance of the nitride semiconductor layer composed of the superlattice layer can be reduced, so that the overall resistance of the nitride semiconductor layer on the n conductive side can be reduced.

また本発明の第2の窒化物半導体素子は、活性層が、n導電側の窒化物半導体
層とp導電側の窒化物半導体層との間に形成されてなる窒化物半導体素子であっ
て、
前記p導電側の窒化物半導体層において、前記活性層と離れた位置、若しくは
接した位置に、互いにバンドギャップエネルギーが異なりかつ互いにp型不純物
濃度が異なる第3と第4の窒化物半導体層とが積層されてなるp側歪み超格子層
を有することを特徴とする。
これによって、超格子層で構成された窒化物半導体層の電気抵抗を小さくでき
るので、p導電側の窒化物半導体層の全体としての抵抗を小さくできる。
ここで、p導電側とは活性層と正電極(p電極)との間にある窒化物半導体層
を指し、n導電側とは、活性層を挟んでp導電側と反対側にある窒化物半導体層
を指すものとする。
なお、第1の窒化物半導体層と第2の窒化物半導体層との積層順序、及び第3
の窒化物半導体層と第4の窒化物半導体層との積層順序は問わないことは言うま
でもない。
The second nitride semiconductor device of the present invention is a nitride semiconductor device in which an active layer is formed between a nitride semiconductor layer on the n conductive side and a nitride semiconductor layer on the p conductive side,
In the nitride semiconductor layer on the p-conductivity side, third and fourth nitride semiconductor layers having different band gap energy and different p-type impurity concentrations from each other at a position away from or in contact with the active layer. The p-side strained superlattice layer is formed by stacking layers.
As a result, the electrical resistance of the nitride semiconductor layer composed of the superlattice layer can be reduced, so that the overall resistance of the nitride semiconductor layer on the p conductive side can be reduced.
Here, the p conductive side refers to a nitride semiconductor layer between the active layer and the positive electrode (p electrode), and the n conductive side refers to a nitride on the opposite side of the p conductive side across the active layer. It shall refer to a semiconductor layer.
Note that the stacking order of the first nitride semiconductor layer and the second nitride semiconductor layer, and the third
Needless to say, the stacking order of the nitride semiconductor layer and the fourth nitride semiconductor layer is not limited.

さらに本発明の第3の窒化物半導体素子は、活性層が、n導電側の窒化物半導
体層とp導電側の窒化物半導体層との間に形成されてなる窒化物半導体素子であ
って、
前記n導電側の窒化物半導体層において、前記活性層と離れた位置、若しくは
接した位置に、互いにバンドギャップエネルギーが異なりかつ互いにn型不純物
濃度が異なる第1と第2の窒化物半導体層とが積層されてなるn側歪み超格子層
を有し、
前記p導電側の窒化物半導体層において、前記活性層と離れた位置、若しくは
接した位置に、互いにバンドギャップエネルギーが異なりかつ互いにp型不純物
濃度が異なる第3と第4の窒化物半導体層とが積層されてなるp側歪み超格子層
を有することを特徴とする。
これによって、超格子層で構成された窒化物半導体層の電気抵抗を小さくでき
るので、n導電側及びp導電側の窒化物半導体層の全体としての抵抗を小さくで
きる。
Furthermore, the third nitride semiconductor device of the present invention is a nitride semiconductor device in which an active layer is formed between a nitride semiconductor layer on the n conductive side and a nitride semiconductor layer on the p conductive side,
In the nitride semiconductor layer on the n conductive side, the first and second nitride semiconductor layers having different bandgap energy and different n-type impurity concentration from each other at a position away from or in contact with the active layer, Having an n-side strained superlattice layer,
In the nitride semiconductor layer on the p-conductivity side, third and fourth nitride semiconductor layers having different band gap energy and different p-type impurity concentrations from each other at a position away from or in contact with the active layer. The p-side strained superlattice layer is formed by stacking layers.
As a result, the electrical resistance of the nitride semiconductor layer composed of the superlattice layer can be reduced, so that the overall resistance of the nitride semiconductor layer on the n-conducting side and the p-conducting side can be reduced.

本発明の第1又は第3の窒化物半導体素子では、n側歪み超格子層は、例えば
発光素子、受光素子のような光電変換素子であれば、基板に接して形成されたバ
ッファ層、n電極が形成されるn側コンタクト層、キャリア閉じ込めとしてのn
側クラッド層、及び活性層の発光を導波するn側光ガイド層の内の少なくとも1
種の層として形成される。第2又は第3の窒化物半導体素子では、p側歪み超格
子層は、p電極が形成されるp側コンタクト層、キャリア閉じ込めとしてのp側
クラッド層、及び活性層の発光を導波するp側光ガイド層の内の少なくとも1種
の層として形成される。
In the first or third nitride semiconductor element of the present invention, if the n-side strained superlattice layer is a photoelectric conversion element such as a light emitting element or a light receiving element, for example, a buffer layer formed in contact with the substrate, n N-side contact layer on which electrodes are formed, n as carrier confinement
At least one of the side cladding layer and the n-side light guide layer that guides the light emission of the active layer
Formed as seed layer. In the second or third nitride semiconductor device, the p-side strained superlattice layer is a p-side contact layer on which a p-electrode is formed, a p-side cladding layer as carrier confinement, and p that guides light emission of the active layer. It is formed as at least one of the side light guide layers.

本発明の第1及び第3の窒化物半導体素子では、超格子層においてバンドギャ
ップエネルギーの大きな第1の窒化物半導体層の不純物濃度をバンドギャップエ
ネルギーの小さい第2の窒化物半導体層の不純物濃度に比較して、大きくしても
よいし、小さくしてもよい。
前記第1の窒化物半導体層の不純物濃度を第2の窒化物半導体層の不純物濃度
に比較して大きくした場合、キャリアをバンドギャップエネルギーの大きな第1
の窒化物半導体層で発生させて、バンドギャップエネルギーの小さい第2の窒化
物半導体層に注入でき、注入されたキャリアを不純物濃度が小さく移動度の大き
い第2の窒化物半導体層で移動させることができるので、超格子層の電気抵抗を
小さくできる。
ここで、本明細書において、n側歪み超格子層とp側歪み超格子層とを総括し
て呼ぶときは、上述のように単に超格子層と呼ぶ。
In the first and third nitride semiconductor devices of the present invention, the impurity concentration of the first nitride semiconductor layer having a large band gap energy in the superlattice layer is set to the impurity concentration of the second nitride semiconductor layer having a small band gap energy. Compared to, it may be larger or smaller.
When the impurity concentration of the first nitride semiconductor layer is increased as compared with the impurity concentration of the second nitride semiconductor layer, the carrier has a large band gap energy.
Can be injected into the second nitride semiconductor layer having a low bandgap energy, and the injected carriers are moved in the second nitride semiconductor layer having a low impurity concentration and a high mobility. Therefore, the electrical resistance of the superlattice layer can be reduced.
Here, in the present specification, when the n-side strained superlattice layer and the p-side strained superlattice layer are collectively referred to, they are simply referred to as a superlattice layer as described above.

また、前記第1の窒化物半導体層の不純物濃度を第2の窒化物半導体層の不純
物濃度に比較して大きくした場合、第1の窒化物半導体素子では、超格子層の第
1の窒化物半導体層において、第2の窒化物半導体層に近接する部分(以下、近
接部分という。)のn型又はp型不純物濃度を、第2の窒化物半導体層から離れ
た部分に比較して小さくすることが好ましい。これによって、第2の窒化物半導
体層中を移動するキャリアが、前記近接部分の不純物によって散乱されるのを防
止でき、第2の窒化物半導体層の移動度をさらに高くでき、超格子層の電気抵抗
をさらに低くできる。
Further, when the impurity concentration of the first nitride semiconductor layer is made larger than the impurity concentration of the second nitride semiconductor layer, the first nitride of the superlattice layer is used in the first nitride semiconductor element. In the semiconductor layer, the n-type or p-type impurity concentration in the portion adjacent to the second nitride semiconductor layer (hereinafter referred to as the adjacent portion) is made smaller than that in the portion away from the second nitride semiconductor layer. It is preferable. As a result, carriers moving in the second nitride semiconductor layer can be prevented from being scattered by the impurities in the adjacent portion, and the mobility of the second nitride semiconductor layer can be further increased. The electric resistance can be further reduced.

具体的には、第1、第3の窒化物半導体素子において、バンドギャップエネル
ギーの大きい第1の窒化物半導体層にn型不純物を多くドープする場合、第1の
窒化物半導体層のn型不純物濃度が1×1017/cm〜1×1020/cm
範囲にあり、第2の窒化物半導体層のn型不純物濃度が、第1の窒化物半導体層
より小さくかつ1×1019/cm以下に設定することが好ましい。なおバンド
ギャップエネルギーが小さい第2の窒化物半導体層のn型不純物濃度は、1×1
18/cm以下であることがより好ましく、1×1017/cm以下であるこ
とがより好ましい。すなわち、第2の窒化物半導体層の移動度を高くする観点か
らは、第2の窒化物半導体層のn型不純物濃度は小さければ小さいほどよく、第
2の窒化物半導体層をアンドープ(undope)層、即ち不純物を意図的にド
ープしない状態が最も望ましい。
Specifically, in the first and third nitride semiconductor elements, when the first nitride semiconductor layer having a large band gap energy is doped with a large amount of n-type impurities, the n-type impurities in the first nitride semiconductor layer The concentration is in the range of 1 × 10 17 / cm 3 to 1 × 10 20 / cm 3 , the n-type impurity concentration of the second nitride semiconductor layer is smaller than that of the first nitride semiconductor layer, and 1 × 10 19 / Cm 3 or less is preferable. The n-type impurity concentration of the second nitride semiconductor layer having a small band gap energy is 1 × 1.
It is more preferably 0 18 / cm 3 or less, and more preferably 1 × 10 17 / cm 3 or less. That is, from the viewpoint of increasing the mobility of the second nitride semiconductor layer, the n-type impurity concentration of the second nitride semiconductor layer is preferably as small as possible, and the second nitride semiconductor layer is undoped. Most desirable is a layer, ie, a state that is not intentionally doped with impurities.

また、前記第1の窒化物半導体層の不純物濃度を第2の窒化物半導体層の不純
物濃度に比較して小さくした場合、前記第2の窒化物半導体層において、前記第
1の窒化物半導体層に近接する部分のn型不純物濃度を前記第1の窒化物半導体
層から離れた部分に比較して小さくすることが好ましい。
さらに、前記第1の窒化物半導体層の不純物濃度を第2の窒化物半導体層の不
純物濃度に比較して小さくした場合、前記第1の窒化物半導体層のn型不純物濃
度が1×1019/cm以下であり、前記第2の窒化物半導体層のn型不純物濃
度が1×1017/cm〜1×1020/cmの範囲であることが好ましい。
尚、前記第1の窒化物半導体層は、好ましくは1×1018/cm以下、さ
らに好ましくは1×1017/cm以下、最も好ましくはアンドープ(und
ope)、すなわち、不純物を意図的にドープしない状態が最も望ましい。
Further, when the impurity concentration of the first nitride semiconductor layer is made lower than the impurity concentration of the second nitride semiconductor layer, the first nitride semiconductor layer in the second nitride semiconductor layer It is preferable to make the n-type impurity concentration in the portion adjacent to the region smaller than that in the portion away from the first nitride semiconductor layer.
Further, when the impurity concentration of the first nitride semiconductor layer is made lower than the impurity concentration of the second nitride semiconductor layer, the n-type impurity concentration of the first nitride semiconductor layer is 1 × 10 19. / cm 3 or less, it is preferable n-type impurity concentration of the second nitride semiconductor layer is in the range of 1 × 10 17 / cm 3 ~1 × 10 20 / cm 3.
The first nitride semiconductor layer is preferably 1 × 10 18 / cm 3 or less, more preferably 1 × 10 17 / cm 3 or less, and most preferably undoped.
ope), that is, a state in which impurities are not intentionally doped is most desirable.

また、第1及び第3の窒化物半導体素子では、超格子層において、結晶性のよ
い超格子層を形成するために、前記第1の窒化物半導体層を比較的エネルギーバ
ンドギャップが大きくかつ結晶性のよい層を成長させることができるAlGa
1−YN(0<Y<1)で形成し、前記第2の窒化物半導体層を比較的エネルギ
ーバンドギャップが小さく結晶性のよい層を成長させることができるInGa
1−XN(0≦X<1)で形成することが好ましい。
In the first and third nitride semiconductor elements, in order to form a superlattice layer with good crystallinity in the superlattice layer, the first nitride semiconductor layer has a relatively large energy band gap and a crystal structure. Al Y Ga that can grow a good layer
In X Ga formed of 1-YN (0 <Y <1) and capable of growing the second nitride semiconductor layer with a relatively small energy band gap and good crystallinity.
It is preferable to form with 1- XN (0 ≦ X <1).

また、第1及び第3の窒化物半導体素子では、超格子層において、前記第2の
窒化物半導体層がGaNからなることがさらに好ましい。これによって、前記第
1の窒化物半導体層(AlGa1−YN)と、前記第2の窒化物半導体層(G
aN)とを同じ雰囲気中で成長させることができるので、超格子層の製造上極め
て有利である。
In the first and third nitride semiconductor elements, it is more preferable that in the superlattice layer, the second nitride semiconductor layer is made of GaN. Accordingly, the first nitride semiconductor layer (Al Y Ga 1-Y N) and the second nitride semiconductor layer (G
aN) can be grown in the same atmosphere, which is very advantageous for the production of superlattice layers.

また、第1及び第3の窒化物半導体素子では、超格子層において、前記第1の
窒化物半導体層はAlGa1−XN(0<X<1)で形成し、前記第2の窒化
物半導体層はAlGa1−YN(0<Y<1,X>Y)で形成することもでき
る。
Further, in the first and third nitride semiconductor elements, in the superlattice layer, the first nitride semiconductor layer is formed of Al X Ga 1-X N (0 <X <1), and the second nitride semiconductor element The nitride semiconductor layer can also be formed of Al Y Ga 1-Y N (0 <Y <1, X> Y).

さらに、前記第1の窒化物半導体層又は前記第2の窒化物半導体層には、n型
不純物がドープされていないことがさらに好ましい。
Further, it is more preferable that the first nitride semiconductor layer or the second nitride semiconductor layer is not doped with an n-type impurity.

本発明の第2及び第3の窒化物半導体素子では、超格子層においてバンドギャ
ップエネルギーの大きな第3の窒化物半導体層の不純物濃度をバンドギャップエ
ネルギーの小さい第4の窒化物半導体層の不純物濃度に比較して、大きくしても
よいし、小さくしてもよい。
前記第3の窒化物半導体層の不純物濃度を第4の窒化物半導体層の不純物濃度
に比較して大きくした場合、キャリアをバンドギャップエネルギーの大きな第3
の窒化物半導体層で発生させて、バンドギャップエネルギーの小さい第4の窒化
物半導体層に注入でき、注入されたキャリアを不純物濃度が小さく移動度の大き
い第4の窒化物半導体層で移動させることができるので、超格子層の電気抵抗を
小さくできる。
In the second and third nitride semiconductor devices of the present invention, the impurity concentration of the third nitride semiconductor layer having a large band gap energy in the superlattice layer is set to the impurity concentration of the fourth nitride semiconductor layer having a small band gap energy. Compared to, it may be larger or smaller.
When the impurity concentration of the third nitride semiconductor layer is increased as compared with the impurity concentration of the fourth nitride semiconductor layer, the third carrier having a large band gap energy is used.
Can be injected into the fourth nitride semiconductor layer having a low bandgap energy, and the injected carriers are moved by the fourth nitride semiconductor layer having a low impurity concentration and a high mobility. Therefore, the electrical resistance of the superlattice layer can be reduced.

また、第2及び第3の窒化物半導体素子では、前記第3の窒化物半導体層の不
純物濃度を第4の窒化物半導体層の不純物濃度に比較して大きくした場合、超格
子層の第1の窒化物半導体層において、第4の窒化物半導体層に近接する部分(
以下、近接部分という。)のp型不純物濃度を、第4の窒化物半導体層から離れ
た部分に比較して小さくすることが好ましい。これによって、第4の窒化物半導
体層中を移動するキャリアが、前記近接部分の不純物によって散乱されるのを防
止でき、第4の窒化物半導体層の移動度をさらに高くでき、超格子層の電気抵抗
をさらに低くできる。
In the second and third nitride semiconductor elements, when the impurity concentration of the third nitride semiconductor layer is made larger than the impurity concentration of the fourth nitride semiconductor layer, the first of the superlattice layers Portion of the nitride semiconductor layer adjacent to the fourth nitride semiconductor layer (
Hereinafter, it is referred to as a proximity portion. It is preferable that the p-type impurity concentration is reduced as compared with the portion away from the fourth nitride semiconductor layer. As a result, carriers moving in the fourth nitride semiconductor layer can be prevented from being scattered by the impurities in the adjacent portion, the mobility of the fourth nitride semiconductor layer can be further increased, and the superlattice layer The electric resistance can be further reduced.

また、第2、第3の窒化物半導体素子において、前記第3の窒化物半導体層の
不純物濃度を第4の窒化物半導体層の不純物濃度に比較して大きくした場合、バ
ンドギャップエネルギーが大きい第3の窒化物半導体層のp型不純物濃度が1×
1018/cm〜1×1021/cmの範囲にあり、第4の窒化物半導体層のp
型不純物濃度が、第3の窒化物半導体層の不純物濃度より小さくかつ1×10
/cm以下に設定することがより好ましい。なおバンドギャップエネルギーが
小さい第4の窒化物半導体層は1×1019/cm以下であることがより好まし
く、1×1018/cm以下であることがさらに好ましい。すなわち、第4の窒
化物半導体層の移動度を高くする観点からは、第4の窒化物半導体層のp型不純
物濃度は小さければ小さいほどよく、第4の窒化物半導体層をアンドープ層、即
ち不純物を意図的にドープしない状態が最も望ましい。
Further, in the second and third nitride semiconductor elements, when the impurity concentration of the third nitride semiconductor layer is made larger than the impurity concentration of the fourth nitride semiconductor layer, the band gap energy is large. The nitride semiconductor layer 3 has a p-type impurity concentration of 1 ×
10 18 / cm 3 to 1 × 10 21 / cm 3 , and p of the fourth nitride semiconductor layer
The type impurity concentration is smaller than the impurity concentration of the third nitride semiconductor layer and 1 × 10 2
More preferably, it is set to 0 / cm 3 or less. The fourth nitride semiconductor layer having a small band gap energy is more preferably 1 × 10 19 / cm 3 or less, and further preferably 1 × 10 18 / cm 3 or less. That is, from the viewpoint of increasing the mobility of the fourth nitride semiconductor layer, the p-type impurity concentration of the fourth nitride semiconductor layer is preferably as small as possible. Most desirably, the impurity is not intentionally doped.

また、第2及び第3の窒化物半導体素子において、前記第3の窒化物半導体層
の不純物濃度を第4の窒化物半導体層の不純物濃度に比較して小さくした場合、
前記第4の窒化物半導体層において、前記第3の窒化物半導体層に近接する部分
のp型不純物濃度を前記第3の窒化物半導体層から離れた部分に比較して小さく
することが好ましい。
In the second and third nitride semiconductor elements, when the impurity concentration of the third nitride semiconductor layer is made smaller than the impurity concentration of the fourth nitride semiconductor layer,
In the fourth nitride semiconductor layer, it is preferable that a p-type impurity concentration in a portion adjacent to the third nitride semiconductor layer is made smaller than that in a portion away from the third nitride semiconductor layer.

また、第2及び第3の窒化物半導体素子において、前記第3の窒化物半導体層
の不純物濃度を第4の窒化物半導体層の不純物濃度に比較して小さくした場合、
前記第3の窒化物半導体層のp型不純物濃度が1×1020/cm以下であり、
第4の窒化物半導体層のp型不純物濃度が1×1018/cm〜1×1021
cmの範囲であることが好ましい。
尚、前記第3の窒化物半導体層は、1×1019/cm以下、さらに好まし
くは1×1018/cm以下、最も好ましくはアンドープ(undope)、
すなわち、不純物を意図的にドープしない状態が最も望ましい。
In the second and third nitride semiconductor elements, when the impurity concentration of the third nitride semiconductor layer is made smaller than the impurity concentration of the fourth nitride semiconductor layer,
The p-type impurity concentration of the third nitride semiconductor layer is 1 × 10 20 / cm 3 or less;
The p-type impurity concentration of the fourth nitride semiconductor layer is 1 × 10 18 / cm 3 to 1 × 10 21 /
A range of cm 3 is preferred.
The third nitride semiconductor layer is 1 × 10 19 / cm 3 or less, more preferably 1 × 10 18 / cm 3 or less, most preferably undoped,
That is, it is most desirable that the impurity is not intentionally doped.

また、第2及び第3の窒化物半導体素子において、結晶性のよい超格子層を形
成するために、前記第3の窒化物半導体層を比較的エネルギーバンドギャップが
大きくかつ結晶性のよい層を成長させることができるAlGa1−YN(0<
Y<1)で形成し、前記第4の窒化物半導体層をInGa1−XN(0≦X<1
)で形成することが好ましい。前記第4の窒化物半導体層は、GaNからなるこ
とがさらに好ましい。これによって、前記第3の窒化物半導体層(AlGa
−YN)と、前記第4の窒化物半導体層(GaN)とを同じ雰囲気中で成長させ
ることができるので、超格子層の製造上極めて有利である。
In the second and third nitride semiconductor elements, in order to form a superlattice layer with good crystallinity, the third nitride semiconductor layer is made of a layer having a relatively large energy band gap and good crystallinity. Al Y Ga 1-Y N (0 <
Formed by Y <1), the fourth nitride semiconductor layer In X Ga 1-X N ( 0 ≦ X <1
). More preferably, the fourth nitride semiconductor layer is made of GaN. As a result, the third nitride semiconductor layer (Al Y Ga 1
-YN ) and the fourth nitride semiconductor layer (GaN) can be grown in the same atmosphere, which is extremely advantageous in manufacturing the superlattice layer.

また、第2及び第3の窒化物半導体素子において、前記第3の窒化物半導体層
はAlGa1−XN(0<X<1)で形成し、前記第4の窒化物半導体層はA
Ga1−YN(0<Y<1,X>Y)で形成してもよい。
In the second and third nitride semiconductor elements, the third nitride semiconductor layer is formed of Al X Ga 1-X N (0 <X <1), and the fourth nitride semiconductor layer is A
l Y Ga 1-Y N (0 <Y <1, X> Y) may be used.

また、第2及び第3の窒化物半導体素子において、前記第3の窒化物半導体層
又は前記第4の窒化物半導体層には、p型不純物がドープされていないことが好
ましい。
In the second and third nitride semiconductor elements, it is preferable that the third nitride semiconductor layer or the fourth nitride semiconductor layer is not doped with a p-type impurity.

第3の窒化物半導体素子では、前記n側歪み超格子層において、前記第1の窒
化物半導体層のバンドギャップエネルギーが前記第2の窒化物半導体層のバンド
ギャップエネルギーより大きく、かつ前記第1の窒化物半導体層のn型不純物濃
度が前記第2の窒化物半導体層のn型不純物濃度より高く、しかも、
前記p側歪み超格子層において、前記第3の窒化物半導体層のバンドギャップ
エネルギーが前記第4の窒化物半導体層のバンドギャップエネルギーより大きく
、かつ前記第3の窒化物半導体層のp型不純物濃度が前記第4の窒化物半導体層
のp型不純物濃度より高く設定することができる。
この場合、前記第1の窒化物半導体層のn型不純物濃度が1×1017/cm
〜1×1020/cmの範囲であって、第2の窒化物半導体層のn型不純物濃度
が1×1019/cm以下でありかつ、
前記第3の窒化物半導体層のp型不純物濃度が1×1018/cm〜1×10
21/cmの範囲であって、前記第4の窒化物半導体層のp型不純物濃度が1×
1020/cm以下であることが好ましい。
In the third nitride semiconductor element, in the n-side strained superlattice layer, a band gap energy of the first nitride semiconductor layer is larger than a band gap energy of the second nitride semiconductor layer, and the first nitride semiconductor layer The n-type impurity concentration of the nitride semiconductor layer is higher than the n-type impurity concentration of the second nitride semiconductor layer, and
In the p-side strained superlattice layer, a band gap energy of the third nitride semiconductor layer is larger than a band gap energy of the fourth nitride semiconductor layer, and a p-type impurity of the third nitride semiconductor layer The concentration can be set higher than the p-type impurity concentration of the fourth nitride semiconductor layer.
In this case, the n-type impurity concentration of the first nitride semiconductor layer is 1 × 10 17 / cm 3.
The n-type impurity concentration of the second nitride semiconductor layer is 1 × 10 19 / cm 3 or less in a range of ˜1 × 10 20 / cm 3 , and
The p-type impurity concentration of the third nitride semiconductor layer is 1 × 10 18 / cm 3 to 1 × 10.
21 / cm in the range of 3, the fourth 1 p-type impurity concentration of the nitride semiconductor layer ×
It is preferably 10 20 / cm 3 or less.

また、第3の窒化物半導体素子では、前記n側歪み超格子層において、前記第
1の窒化物半導体層は、前記第2の窒化物半導体層より大きいバンドギャップエ
ネルギーと前記第2の窒化物半導体層より大きいn型不純物濃度とを有するよう
に設定しかつ、 前記p側歪み超格子層において、前記第3の窒化物半導体層は
、前記第4の窒化物半導体層より大きいバンドギャップエネルギーと前記第4の
窒化物半導体層より小さいp型不純物濃度とを有するように設定することができ
る。
この場合、前記第1の窒化物半導体層のn型不純物濃度が1×1017/cm
〜1×1020/cmの範囲であって、第2の窒化物半導体層のn型不純物濃度
が1×1019/cm以下でありかつ、
前記第3の窒化物半導体層のp型不純物濃度が1×1020/cm以下であり
、第4の窒化物半導体層のp型不純物濃度が1×1018/cm〜1×1021
/cmの範囲であることが好ましい。
In the third nitride semiconductor device, in the n-side strained superlattice layer, the first nitride semiconductor layer has a bandgap energy larger than that of the second nitride semiconductor layer and the second nitride. An n-type impurity concentration greater than that of the semiconductor layer, and in the p-side strained superlattice layer, the third nitride semiconductor layer has a bandgap energy greater than that of the fourth nitride semiconductor layer. The p-type impurity concentration may be lower than that of the fourth nitride semiconductor layer.
In this case, the n-type impurity concentration of the first nitride semiconductor layer is 1 × 10 17 / cm 3.
The n-type impurity concentration of the second nitride semiconductor layer is 1 × 10 19 / cm 3 or less in a range of ˜1 × 10 20 / cm 3 , and
The p-type impurity concentration of the third nitride semiconductor layer is 1 × 10 20 / cm 3 or less, and the p-type impurity concentration of the fourth nitride semiconductor layer is 1 × 10 18 / cm 3 to 1 × 10 21.
It is preferably in the range of / cm 3 .

また、第3の窒化物半導体素子では、前記n側歪み超格子層において、前記第
1の窒化物半導体層は、前記第2の窒化物半導体層より大きいバンドギャップエ
ネルギーと前記第2の窒化物半導体層より小さいn型不純物濃度とを有しかつ、
前記p側歪み超格子層において、前記第3の窒化物半導体層は、前記第4の窒化
物半導体層より大きいバンドギャップエネルギーと前記第4の窒化物半導体層よ
り大きいp型不純物濃度とを有するように設定することができる。
この場合、前記第1の窒化物半導体層のn型不純物濃度が1×1019/cm
以下であって、前記第2の窒化物半導体層のn型不純物濃度が1×1017/cm
〜1×1020/cmの範囲でありかつ、前記第3の窒化物半導体層のp型不
純物濃度が1×1018/cm〜1×1021/cmの範囲であって、前記第4
の窒化物半導体層のp型不純物濃度が1×1020/cm以下であることが好ま
しい。
In the third nitride semiconductor device, in the n-side strained superlattice layer, the first nitride semiconductor layer has a bandgap energy larger than that of the second nitride semiconductor layer and the second nitride. N-type impurity concentration smaller than the semiconductor layer, and
In the p-side strained superlattice layer, the third nitride semiconductor layer has a band gap energy larger than that of the fourth nitride semiconductor layer and a p-type impurity concentration larger than that of the fourth nitride semiconductor layer. Can be set as follows.
In this case, the n-type impurity concentration of the first nitride semiconductor layer is 1 × 10 19 / cm 3.
The n-type impurity concentration of the second nitride semiconductor layer is 1 × 10 17 / cm
3 to 1 × 10 20 / cm 3 , and the p-type impurity concentration of the third nitride semiconductor layer is 1 × 10 18 / cm 3 to 1 × 10 21 / cm 3 , The fourth
The nitride semiconductor layer preferably has a p-type impurity concentration of 1 × 10 20 / cm 3 or less.

さらに、第3の窒化物半導体素子では、前記n側歪み超格子層において、前記
第1の窒化物半導体層は、前記第2の窒化物半導体層より大きいバンドギャップ
エネルギーと前記第2の窒化物半導体層より小さいn型不純物濃度とを有しかつ

前記p側歪み超格子層において、前記第3の窒化物半導体層は、前記第4の窒
化物半導体層より大きいバンドギャップエネルギーと前記第4の窒化物半導体層
より小さいp型不純物濃度とを有するように設定することができる。
この場合、前記第1の窒化物半導体層のn型不純物濃度が1×1019/cm
以下であって、前記第2の窒化物半導体層のn型不純物濃度が1×1017/cm
〜1×1020/cmの範囲でありかつ、前記第3の窒化物半導体層のp型不
純物濃度が1×1020/cm以下であり、第4の窒化物半導体層のp型不純物
濃度が1×1018/cm〜1×1021/cmの範囲であることが好ましい。
Furthermore, in the third nitride semiconductor device, in the n-side strained superlattice layer, the first nitride semiconductor layer has a band gap energy larger than that of the second nitride semiconductor layer and the second nitride. N-type impurity concentration smaller than the semiconductor layer, and
In the p-side strained superlattice layer, the third nitride semiconductor layer has a band gap energy larger than that of the fourth nitride semiconductor layer and a p-type impurity concentration smaller than that of the fourth nitride semiconductor layer. Can be set as follows.
In this case, the n-type impurity concentration of the first nitride semiconductor layer is 1 × 10 19 / cm 3.
The n-type impurity concentration of the second nitride semiconductor layer is 1 × 10 17 / cm
3 to 1 × 10 20 / cm 3 , the p-type impurity concentration of the third nitride semiconductor layer is 1 × 10 20 / cm 3 or less, and the p-type impurity of the fourth nitride semiconductor layer The impurity concentration is preferably in the range of 1 × 10 18 / cm 3 to 1 × 10 21 / cm 3 .

第3の窒化物半導体素子では、前記n側歪み超格子層において、前記第1の窒
化物半導体層はAlGa1−YN(0<Y<1)で形成し、前記第2の窒化物
半導体層はInGa1−XN(0≦X<1)で形成しかつ、
前記p側歪み超格子層において、前記第3の窒化物半導体層はAlGa1−
N(0<Y<1)で形成し、前記第4の窒化物半導体層はInGa1−X
(0≦X<1)で形成することができる。
さらに、前記第2と第4の窒化物半導体素子がそれぞれ、GaNからなること
が好ましい。
In the third nitride semiconductor element, in the n-side strained superlattice layer, the first nitride semiconductor layer is formed of Al Y Ga 1-Y N (0 <Y <1), and the second nitride semiconductor layer is formed. The physical semiconductor layer is formed of In X Ga 1-X N (0 ≦ X <1), and
In the p-side strained superlattice layer, the third nitride semiconductor layer is made of Al Y Ga 1−
Y 4 N (0 <Y <1), and the fourth nitride semiconductor layer is In X Ga 1-X N
(0 ≦ X <1).
Further, it is preferable that each of the second and fourth nitride semiconductor elements is made of GaN.

第3の窒化物半導体素子では、前記n側歪み超格子層において、前記第1の窒
化物半導体層はAlGa1−XN(0<X<1)で形成し、前記第2の窒化物
半導体層はAlGa1−YN(0<Y<1,X>Y)で形成し、
前記p側歪み超格子層において、前記第3の窒化物半導体層はAlGa1−
N(0<X<1)で形成し、前記第4の窒化物半導体層はAlGa1−Y
(0<Y<1,X>Y)で形成することができる。
In the third nitride semiconductor element, in the n-side strained superlattice layer, the first nitride semiconductor layer is formed of Al X Ga 1-X N (0 <X <1), and the second nitride semiconductor layer is formed. The physical semiconductor layer is formed of Al Y Ga 1-Y N (0 <Y <1, X> Y),
In the p-side strained superlattice layer, the third nitride semiconductor layer is made of Al X Ga 1−
X N (0 <X <1), and the fourth nitride semiconductor layer is Al Y Ga 1-Y N
(0 <Y <1, X> Y).

さらに、第3の窒化物半導体素子では、前記第1の窒化物半導体層又は前記第
2の窒化物半導体層は、n型不純物がドープされていないアンドープ層であるこ
とが好ましく、前記第3の窒化物半導体層又は前記第4の窒化物半導体層は、p
型不純物がドープされていないアンドープ層であることが好ましい。
Furthermore, in the third nitride semiconductor element, the first nitride semiconductor layer or the second nitride semiconductor layer is preferably an undoped layer that is not doped with an n-type impurity. The nitride semiconductor layer or the fourth nitride semiconductor layer is p
An undoped layer that is not doped with type impurities is preferred.

また、第1第2第3の窒化物半導体素子では、前記活性層がInGaN層を含
むことが好ましく、前記InGaN層が量子井戸層であることがさらに好ましい
。尚、前記活性層は、単一量子井戸構造であってもよいし、多重量子井戸構造で
あってもよい。
In the first, second, and third nitride semiconductor elements, the active layer preferably includes an InGaN layer, and the InGaN layer is more preferably a quantum well layer. The active layer may have a single quantum well structure or a multiple quantum well structure.

また、本発明に係る1つの態様の窒化物半導体素子は、前記活性層がp側クラ
ッド層とn側クラッド層の間に位置するレーザ発振素子であって、
前記p側クラッド層と前記n側クラッド層のうちの少なくとも一方が、前記n
側歪み超格子層又は前記p側歪み超格子層である。これによって、しきい値電流
の低いレーザ発振素子を構成できる。
The nitride semiconductor device according to one aspect of the present invention is a laser oscillation device in which the active layer is located between the p-side cladding layer and the n-side cladding layer,
At least one of the p-side cladding layer and the n-side cladding layer is the n-side cladding layer.
A side-strained superlattice layer or the p-side strained superlattice layer. Thereby, a laser oscillation element having a low threshold current can be configured.

また、前記レーザ発振素子では、前記p側クラッド層と活性層との間、又は前
記p側クラッド層と活性層との間の少なくとも一方に、Inを含む窒化物半導体
又はGaNからなり、不純物濃度が1×1019/cm以下である光ガイド層が
形成されることが好ましい。この光ガイド層は、前記活性層で発生する光の吸収
率が低いので、活性層の発光を消衰させることが少なく、低利得で発振可能なレ
ーザ素子を実現できる。本発明では、光の吸収率を低くするために、前記光ガイ
ド層の不純物濃度は1×1018/cm以下であることがより好ましく、1×1
17/cm以下であることがさらに好ましく、アンドープであることが最も好
ましい。尚、前記光ガイド層を超格子構造にしてもよい。
In the laser oscillation element, at least one of the p-side cladding layer and the active layer or at least one of the p-side cladding layer and the active layer is made of In-containing nitride semiconductor or GaN, and has an impurity concentration. It is preferable that a light guide layer having a thickness of 1 × 10 19 / cm 3 or less is formed. Since this light guide layer has a low absorptance of light generated in the active layer, it is possible to realize a laser element that can oscillate with low gain with little extinction of light emission of the active layer. In the present invention, in order to reduce the light absorptance, the impurity concentration of the light guide layer is more preferably 1 × 10 18 / cm 3 or less, and 1 × 1.
It is more preferably 0 17 / cm 3 or less, and most preferably undoped. The light guide layer may have a superlattice structure.

さらに、前記光ガイド層と活性層との間に、活性層の井戸層及び前記光ガイド
層のバンドギャップエネルギーよりも大きいバンドギャップエネルギーを有する
、膜厚0.1μm以下の窒化物半導体よりなるキャップ層が形成されることが好
ましく、そのキャップ層の不純物濃度は1×1018/cm以上に設定すること
が好ましい。このように、バンドギャップエネルギーの大きな前記キャップ層を
形成することにより、リーク電流を少なくすることができる。この光ガイド層及
びキャップ層はp導電側窒化物半導体層側に形成されているとより効果的である
Furthermore, a cap made of a nitride semiconductor having a film thickness of 0.1 μm or less having a band gap energy larger than that of the well layer of the active layer and the light guide layer between the light guide layer and the active layer. A layer is preferably formed, and the impurity concentration of the cap layer is preferably set to 1 × 10 18 / cm 3 or more. Thus, the leakage current can be reduced by forming the cap layer having a large band gap energy. It is more effective if the light guide layer and the cap layer are formed on the p-conductivity-side nitride semiconductor layer side.

また本発明においては、第1〜第3の窒化物半導体素子は、窒化物半導体とは
異なる材料よりなる異種基板上に窒化物半導体層を成長させ、該成長された窒化
物半導体層上に、該窒化物半導体層の表面を部分的に露出させるように保護膜を
形成した後、露出された窒化物半導体層から前記保護膜を覆うように成長された
窒化物半導体からなる窒化物半導体基板の上に形成することが好ましい。これに
よって、第1〜第3の窒化物半導体素子の各層を結晶性よく形成できるので、優
れた特性を有する窒化物半導体素子を形成することができる。
本願発明では、この異種基板、及び保護膜は、窒化物半導体素子が形成された
(又はされるべき)窒化物半導体層を基板として残して、素子成長前または素子
成長後に除去してもよい。
In the present invention, the first to third nitride semiconductor elements grow a nitride semiconductor layer on a heterogeneous substrate made of a material different from the nitride semiconductor, and on the grown nitride semiconductor layer, A nitride semiconductor substrate made of a nitride semiconductor grown so as to cover the protective film from the exposed nitride semiconductor layer after forming a protective film to partially expose the surface of the nitride semiconductor layer It is preferable to form on top. Thus, each layer of the first to third nitride semiconductor elements can be formed with good crystallinity, and thus a nitride semiconductor element having excellent characteristics can be formed.
In the present invention, the heterogeneous substrate and the protective film may be removed before or after element growth, leaving the nitride semiconductor layer on which the nitride semiconductor element is formed (or to be formed) as the substrate.

以上説明したように、本発明では不純物が変調ドープされた超格子層よりなる
クラッド層を有しているために、閾値電圧が低下して、長時間連続発振できるレ
ーザ素子を実現することができる。またこのレーザ素子は特性温度の高い良好な
レーザ素子が実現できる。特性温度とは、温度変化による閾値電流密度で
exp(T/T)に比例する{T:動作温度(K)、T:特性温度(K)}。
が大きいほどLDは、高温でも閾値電流密度が低く安定に動作することを示
している。例えば本発明の実施例1のレーザ素子では、Tが150K以上ある
。この値はLDの温度特性が非常に優れていることを示している。このため本発
明のレーザ素子を書き込み光源、読みとり光源として用いることにより、従来に
はない容量が達成でき、その産業上の利用価値は非常に大きい。
As described above, since the present invention has a cladding layer made of a superlattice layer in which impurities are modulation-doped, a laser element that can continuously oscillate for a long time with a reduced threshold voltage can be realized. . Further, this laser element can realize a good laser element having a high characteristic temperature. Characteristic temperature is the threshold current density due to temperature change.
Proportional to exp (T / T 0 ) {T: Operating temperature (K), T 0 : Characteristic temperature (K)}.
As T 0 is larger, the LD has a lower threshold current density even at a high temperature, indicating that the LD operates stably. For example, in the laser element of Example 1 of the present invention, T 0 is 150K or more. This value indicates that the temperature characteristic of the LD is very excellent. Therefore, by using the laser element of the present invention as a writing light source and a reading light source, unprecedented capacity can be achieved, and its industrial utility value is very large.

図1は本発明に係る一実施形態の窒化物半導体素子の構造を示す模式的な断面
図である。この実施形態の窒化物半導体素子は、活性層端面を共振面とする電極
ストライプ型のレーザ素子(従って、以下単に実施形態のレーザ素子という。)
であって、図1は、レーザ光の共振方向に垂直な方向で素子を切断した際の断面
を模式的に示している。以下、図1を参照して本発明の実施形態について説明す
る。
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing the structure of a nitride semiconductor device according to an embodiment of the present invention. The nitride semiconductor device of this embodiment is an electrode stripe type laser device having an active layer end face as a resonance surface (henceforth simply referred to as the laser device of the embodiment hereinafter).
FIG. 1 schematically shows a cross section when the element is cut in a direction perpendicular to the resonance direction of the laser beam. Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.

まず、図1において、各符号は以下のものを示す。
10は、窒化物半導体と異なる材料よりなる異種基板、例えばサファイア、ス
ピネル、SiC、Si、GaAs、ZnO等の材料よりなる基板の上に成長され
た、例えば膜厚10μm以上のGaN基板を示す。なお、異種基板は、図1に示
すように、GaN基板10を形成した後除去してもよいし、後述する実施例に示
すように除去しないで用いてもよい(図4)。
11は、Siドープn型GaNよりなるバッファ層、兼n側コンタクト層を示
す。
12は、活性層から離れた位置にあり、例えば膜厚40オングストロームのS
iドープn型Al0.2Ga0.8N(第1の窒化物半導体層)と膜厚40オン
グストロームのアンドープ(undope)GaN層(第2の窒化物半導体層)
とが交互に100層積層されてなる超格子構造のn側クラッド層を示す。
13は、n側クラッド層12と、活性層14との間にあり、n側クラッド層1
2のAl0.2Ga0.8Nよりも小さいバンドギャップエネルギーを有する、
例えばアンドープGaNよりなるn側ガイド層を示す。
14は、膜厚30オングストロームのIn0.2Ga0.8Nよりなる井戸層
3層と、井戸層よりもバンドギャップエネルギーが大きい膜厚30オングストロ
ームのIn0.05Ga0.95Nよりなる障壁層2層とが交互に合計5層積層
されてなる多重量子井戸構造の活性層を示す。
15は、活性層14の井戸層のバンドギャップエネルギーよりも大きく、p側
光ガイド層16のバンドギャップエネルギーよりも大きい、例えばMgドープp
型Al0.3Ga0.7Nよりなるp側キャップ層を示す。このp側キャップ層
15のバンドギャップエネルギーは好ましくは、超格子構造のp側クラッド層1
7のバンドギャップエネルギーの小さい方の窒化物半導体層(第4の窒化物半導
体層)よりも大きくする。
16は、p側クラッド層17と、活性層14との間にあり、p側クラッド層1
7のAl0.2Ga0.8Nよりも小さいバンドギャップエネルギーを有する、
例えばアンドープGaNよりなるp側ガイド層を示す。
17は、活性層から離れた位置にあり、例えば膜厚40オングストロームのM
gドープp型Al0.2Ga0.8Nと膜厚40オングストロームのアンドープ
(undope)GaN層とが交互に100層積層されてなる超格子構造のp側
クラッド層を示す。
18は、p側クラッド層17のAl0.2Ga0.8Nよりも小さいバンドギ
ャップエネルギーを有する、例えばMgドープGaNよりなるp側コンタクト層
を示す。
First, in FIG. 1, each code | symbol shows the following.
Reference numeral 10 denotes a GaN substrate having a thickness of, for example, 10 μm or more grown on a heterogeneous substrate made of a material different from the nitride semiconductor, for example, a substrate made of a material such as sapphire, spinel, SiC, Si, GaAs, or ZnO. The heterogeneous substrate may be removed after the GaN substrate 10 is formed as shown in FIG. 1, or may be used without being removed as shown in the examples described later (FIG. 4).
Reference numeral 11 denotes a buffer layer made of Si-doped n-type GaN and an n-side contact layer.
12 is located away from the active layer, for example, S having a film thickness of 40 angstroms.
i-doped n-type Al 0.2 Ga 0.8 N (first nitride semiconductor layer) and 40 Å thick undoped GaN layer (second nitride semiconductor layer)
And n-side cladding layers having a superlattice structure in which 100 layers are alternately stacked.
13 is between the n-side cladding layer 12 and the active layer 14, and the n-side cladding layer 1
Having a band gap energy less than 2 Al 0.2 Ga 0.8 N,
For example, an n-side guide layer made of undoped GaN is shown.
14 is composed of three well layers of In 0.2 Ga 0.8 N with a thickness of 30 Å and In 0.05 Ga 0.95 N with a thickness of 30 Å having a larger band gap energy than the well layer. An active layer having a multiple quantum well structure in which a total of five barrier layers and two barrier layers are alternately stacked is shown.
15 is larger than the band gap energy of the well layer of the active layer 14, and larger than the band gap energy of the p-side light guide layer 16, for example, Mg doped p
A p-side cap layer made of type Al 0.3 Ga 0.7 N is shown. The band gap energy of the p-side cap layer 15 is preferably a superlattice p-side cladding layer 1.
7 is made larger than the nitride semiconductor layer (fourth nitride semiconductor layer) having the smaller band gap energy.
16 is between the p-side cladding layer 17 and the active layer 14, and the p-side cladding layer 1
Having a band gap energy smaller than 7 Al 0.2 Ga 0.8 N,
For example, a p-side guide layer made of undoped GaN is shown.
17 is located away from the active layer, for example, M having a film thickness of 40 Å.
1 shows a p-side cladding layer having a superlattice structure in which 100 layers of g-doped p-type Al 0.2 Ga 0.8 N and 40 Å thick undoped GaN layers are alternately stacked.
18 denotes a p-side contact layer made of, for example, Mg-doped GaN having a band gap energy smaller than that of Al 0.2 Ga 0.8 N of the p-side cladding layer 17.

このように本発明の実施形態のレーザ素子は、GaN基板10の上に上述の各
窒化物半導体層11〜18が積層された構造を有しており、p側クラッド層17
から上の窒化物半導体層はストライプリッジが形成され、リッジ最表面にあるp
側コンタクト層18のほぼ全面にp電極21が形成されている。一方、窒化物半
導体層上部からエッチングされて露出されたn側バッファ層11の表面にはn電
極23が形成されている。本実施の形態では、n電極23はn側バッファ層11
の表面に形成されているが、基板としてがGaN基板10を用いているので、n
電極を形成する部分をGaN基板10までエッチングしてGaN基板10の表面
を露出させ、その露出させたGaN基板10の表面にn電極を形成して同一面側
にp電極とn電極とを設ける構造とすることもできる。またn電極23とp電極
21との間に露出している窒化物半導体表面には、例えばSiOからなる絶縁
膜25が設けられ、その絶縁膜25の窓部を介してそれぞれボンディング用とし
てpパッド電極22とnパッド電極24が設けられている。なお先にも述べたよ
うに、本明細書において、活性層とp電極との間にある窒化物半導体層は、窒化
物半導体層の導電型に関わらず、総称してp側窒化物半導体層といい、その活性
層とGaN基板10との間にある窒化物半導体層を総称してn側窒化物半導体層
という。
As described above, the laser device according to the embodiment of the present invention has a structure in which the above-described nitride semiconductor layers 11 to 18 are stacked on the GaN substrate 10, and the p-side cladding layer 17.
The nitride semiconductor layer above is formed with a stripe ridge, and p located on the ridge outermost surface
A p-electrode 21 is formed on almost the entire surface of the side contact layer 18. On the other hand, an n electrode 23 is formed on the surface of the n-side buffer layer 11 exposed by etching from above the nitride semiconductor layer. In the present embodiment, the n-electrode 23 is the n-side buffer layer 11.
Since the GaN substrate 10 is used as the substrate, n
The portion where the electrode is to be formed is etched to the GaN substrate 10 to expose the surface of the GaN substrate 10, the n electrode is formed on the exposed surface of the GaN substrate 10, and the p electrode and the n electrode are provided on the same surface side. It can also be a structure. Further, an insulating film 25 made of, for example, SiO 2 is provided on the surface of the nitride semiconductor exposed between the n electrode 23 and the p electrode 21, and p is used for bonding through a window portion of the insulating film 25. A pad electrode 22 and an n pad electrode 24 are provided. As described above, in this specification, the nitride semiconductor layer between the active layer and the p-electrode is generally referred to as a p-side nitride semiconductor layer regardless of the conductivity type of the nitride semiconductor layer. The nitride semiconductor layer between the active layer and the GaN substrate 10 is generally referred to as an n-side nitride semiconductor layer.

本発明の実施形態のレーザ素子では、図1に示す活性層14の下部にあるn側
窒化物半導体層中において、活性層14と離れた位置に、バンドギャップエネル
ギーの大きな第1の窒化物半導体層と、第1の窒化物半導体層よりもバンドギャ
ップエネルギーの小さな第2の窒化物半導体層とが積層されて、互いに不純物濃
度が異なる超格子構造のn側クラッド層12を有している。超格子層を構成する
第1の窒化物半導体層、第2の窒化物半導体層の膜厚は100オングストローム
以下、さらに好ましくは70オングストローム以下、最も好ましくは10〜40
オングストロームの膜厚に調整する。100オングストロームよりも厚いと、第
1の窒化物半導体層及び第2の窒化物半導体層が弾性歪み限界以上の膜厚となり
、膜中に微少なクラック、あるいは結晶欠陥が入りやすい傾向にある。本発明で
は、第1の窒化物半導体層、第2の窒化物半導体層の膜厚の下限は特に限定され
ず、1原子層以上であればよいが、前記のように10オングストローム以上が最
も好ましい。さらに第1の窒化物半導体層は少なくともAlを含む窒化物半導体
、好ましくはAlGa1−XN(0<X≦1)を成長させる方が望ましい。一
方、第2の窒化物半導体は第1の窒化物半導体よりもバンドギャップエネルギー
が小さい窒化物半導体であればどのようなものでも良いが、好ましくはAl
1−YN(0≦Y<1、X>Y)、InGa1−ZN(0≦Z<1)のような2
元混晶、3元混晶の窒化物半導体が成長させやすく、また結晶性の良いものが得
られやすい。その中でも特に好ましくは第1の窒化物半導体はIn、Gaを含ま
ないAlGa1−XN(0<X<1)とし、第2の窒化物半導体はAlを含ま
ないInGa1−ZN(0≦Z<1)とし、中でも結晶性に優れた超格子を得
る目的で、Al混晶比(Y値)0.3以下のAlGa1−XN(0<X≦0.3
)と、GaNの組み合わせが最も好ましい。
In the laser device according to the embodiment of the present invention, in the n-side nitride semiconductor layer below the active layer 14 shown in FIG. A layer and a second nitride semiconductor layer having a lower band gap energy than the first nitride semiconductor layer are stacked, and an n-side cladding layer 12 having a superlattice structure having different impurity concentrations is provided. The thicknesses of the first nitride semiconductor layer and the second nitride semiconductor layer constituting the superlattice layer are 100 angstroms or less, more preferably 70 angstroms or less, and most preferably 10 to 40.
Adjust to angstrom thickness. If it is thicker than 100 angstroms, the first nitride semiconductor layer and the second nitride semiconductor layer have a film thickness exceeding the elastic strain limit, and there is a tendency for minute cracks or crystal defects to easily enter the film. In the present invention, the lower limit of the film thickness of the first nitride semiconductor layer and the second nitride semiconductor layer is not particularly limited and may be one atomic layer or more, but most preferably 10 angstroms or more as described above. . Further, it is desirable that the first nitride semiconductor layer grows a nitride semiconductor containing at least Al, preferably Al X Ga 1-X N (0 <X ≦ 1). On the other hand, the second nitride semiconductor may be any nitride semiconductor having a smaller band gap energy than the first nitride semiconductor, but preferably Al Y G
2 such as a 1-Y N (0 ≦ Y <1, X> Y), In Z Ga 1-Z N (0 ≦ Z <1)
Elemental mixed crystal and ternary mixed crystal nitride semiconductors are easy to grow and those with good crystallinity are easily obtained. Among them, the first nitride semiconductor is particularly preferably Al X Ga 1-X N (0 <X <1) containing no In or Ga, and the second nitride semiconductor is In Z Ga 1− containing no Al. Z N (0 ≦ Z <1), and for the purpose of obtaining a superlattice excellent in crystallinity, Al X Ga 1-X N (0 <X ≦ 0) having an Al mixed crystal ratio (Y value) of 0.3 or less .3
) And GaN are most preferable.

また、AlGa1−XN(0<X<1)を用いて第1の窒化物半導体を形成
し、GaNを用いて第2の窒化物半導体を形成した場合、以下のような製造上優
れた利点を有する。すなわち、有機金属気体層成長法(MOCVD)によるAl
Ga1−XN(0<X<1)層及びGaN層の形成においては、いずれの層も
同じH雰囲気中で成長させることができる。従って、雰囲気を変えることなく
AlGa1−XN(0<X<1)層とGaN層とを交互に成長させることによ
り超格子層を形成することができる。このことは、数10から数100層を積層
して形成する必要がある超格子層を製造する上で極めて大きな利点である。
In addition, when the first nitride semiconductor is formed using Al X Ga 1-X N (0 <X <1) and the second nitride semiconductor is formed using GaN, the following manufacturing process is performed. Has excellent advantages. That is, Al by metal organic gas layer growth method (MOCVD)
X Ga 1-X N in the formation of (0 <X <1) layer and the GaN layer can be any layer grown in the same atmosphere of H 2. Accordingly, the superlattice layer can be formed by alternately growing the Al X Ga 1-X N (0 <X <1) layer and the GaN layer without changing the atmosphere. This is a great advantage in manufacturing a superlattice layer that needs to be formed by laminating several tens to several hundred layers.

光閉じ込め層、及びキャリア閉じ込め層としてクラッド層を形成する場合、活
性層の井戸層よりもバンドギャップエネルギーの大きい窒化物半導体を成長させ
る必要がある。バンドギャップエネルギーの大きな窒化物半導体層とは、即ちA
l混晶比の高い窒化物半導体である。従来ではAl混晶比の高い窒化物半導体を
厚膜で成長させると、クラックが入りやすくなるため、結晶成長が非常に難しか
った。しかしながら本発明のように超格子層にすると、超格子層を構成する第1
の窒化物半導体層としてのAlGaN層をAl混晶比の多少高い層としても、弾
性臨界膜厚以下の膜厚で成長させているのでクラックが入りにくい。そのため、
本発明では、Al混晶比の高い層を結晶性良く成長できるので、光閉じ込め、キ
ャリア閉じ込め効果の高いクラッド層を形成することができ、レーザ素子では閾
値電圧、LED素子ではVf(順方向電圧)を低下させることができる。
When forming a clad layer as an optical confinement layer and a carrier confinement layer, it is necessary to grow a nitride semiconductor having a larger band gap energy than the well layer of the active layer. A nitride semiconductor layer having a large band gap energy is A, that is, A
It is a nitride semiconductor with a high l mixed crystal ratio. Conventionally, when a nitride semiconductor having a high Al mixed crystal ratio is grown as a thick film, cracks are easily generated, and thus crystal growth is very difficult. However, when the superlattice layer is formed as in the present invention, the first structure constituting the superlattice layer is used.
Even if the AlGaN layer as the nitride semiconductor layer is made a layer having a slightly higher Al mixed crystal ratio, it is grown with a film thickness equal to or less than the critical elastic film thickness, so that it is difficult for cracks to occur. for that reason,
In the present invention, since a layer having a high Al mixed crystal ratio can be grown with good crystallinity, a clad layer having a high light confinement effect and a carrier confinement effect can be formed. ) Can be reduced.

さらに、本発明に係る実施の形態のレーザ素子では、このn側クラッド層12
の第1の窒化物半導体層と第2の窒化物半導体層とのn型不純物濃度が互いに異
なるように設定する。これはいわゆる変調ドープと呼ばれるもので、一方の層の
n型不純物濃度を小さく、好ましくは不純物をドープしない状態(アンドープ)
として、もう一方の層に高濃度にドープすると、閾値電圧、Vf等を低下させる
ことができる。これは不純物濃度の低い層を超格子層中に存在させることにより
、その層の移動度が大きくなり、また不純物濃度が高濃度の層も同時に存在する
ことにより、キャリア濃度が高いままで超格子層が形成できることによる。つま
り、不純物濃度が低い移動度の高い層と、不純物濃度が高いキャリア濃度が大き
い層とが同時に存在することにより、キャリア濃度が大きく、移動度も大きい層
がクラッド層となるために、閾値電圧、Vfが低下すると推察される。
Further, in the laser element according to the embodiment of the present invention, the n-side cladding layer 12
The first nitride semiconductor layer and the second nitride semiconductor layer are set to have different n-type impurity concentrations. This is so-called modulation doping, in which the n-type impurity concentration of one layer is low, preferably no impurity is doped (undoped)
If the other layer is doped at a high concentration, the threshold voltage, Vf, etc. can be lowered. This is because when a layer having a low impurity concentration is present in the superlattice layer, the mobility of the layer is increased, and a layer having a high impurity concentration is also present at the same time, so that the superlattice remains at a high carrier concentration. By being able to form a layer. In other words, a layer having a high impurity concentration and a high mobility and a layer having a high impurity concentration and a high carrier concentration are present at the same time. It is assumed that Vf decreases.

バンドギャップエネルギーの大きな窒化物半導体層に高濃度に不純物をドープ
した場合、この変調ドープにより高不純物濃度層と、低不純物濃度層との間に二
次元電子ガスができ、この二次元電子ガスの影響により抵抗率が低下すると推察
される。例えば、n型不純物がドープされたバンドギャップの大きい窒化物半導
体層と、バンドギャップが小さいアンドープの窒化物半導体層とを積層した超格
子層では、n型不純物を添加した層と、アンドープの層とのヘテロ接合界面で、
障壁層側が空乏化し、バンドギャップの小さい層側の厚さ前後の界面に電子(二
次元電子ガス)が蓄積する。この二次元電子ガスがバンドギャップの小さい側に
できるので、電子が走行するときに不純物による散乱を受けないため、超格子の
電子の移動度が高くなり、抵抗率が低下する。なおp側の変調ドープも同様に二
次元正孔ガスの影響によると推察される。またp層の場合、AlGaNはGaN
に比較して抵抗率が高い。そこでAlGaNの方にp型不純物を多くドープする
ことにより抵抗率が低下するために、超格子層の実質的な抵抗率が低下するので
素子を作製した場合に、閾値が低下する傾向にあると推察される。
When a nitride semiconductor layer having a large band gap energy is doped with a high concentration of impurities, this modulation doping generates a two-dimensional electron gas between the high impurity concentration layer and the low impurity concentration layer. It is presumed that the resistivity decreases due to the influence. For example, in a superlattice layer in which a nitride semiconductor layer having a large band gap doped with an n-type impurity and an undoped nitride semiconductor layer having a small band gap are stacked, a layer doped with an n-type impurity and an undoped layer At the heterojunction interface with
The barrier layer side is depleted, and electrons (two-dimensional electron gas) accumulate at the interface around the thickness of the layer side having a small band gap. Since the two-dimensional electron gas can be generated on the side having a small band gap, the electrons are not scattered by impurities when they travel, so that the mobility of electrons in the superlattice increases and the resistivity decreases. It is presumed that the modulation doping on the p side is also influenced by the two-dimensional hole gas. In the case of the p layer, AlGaN is GaN.
Higher resistivity than Therefore, since the resistivity is lowered by doping a large amount of p-type impurities into AlGaN, the substantial resistivity of the superlattice layer is lowered. Therefore, when an element is manufactured, the threshold tends to be lowered. Inferred.

一方、バンドギャップエネルギーの小さな窒化物半導体層に高濃度に不純物を
ドープした場合、以下のような作用があると推察される。例えばAlGaN層と
GaN層にMgを同量でドープした場合、AlGaN層ではMgのアクセプター
準位の深さが大きく、活性化率が小さい。一方、GaN層のアクセプター準位の
深さはAlGaN層に比べて浅く、Mgの活性化率は高い。例えばMgを1×1
20/cmドープしてもGaNでは1×1018/cm程度のキャリア濃度で
あるのに対し、AlGaNでは1×1017/cm程度のキャリア濃度しか得ら
れない。そこで、本発明ではAlGaN/GaNとで超格子とし、高キャリア濃
度が得られるGaN層の方に多く不純物をドープすることにより、高キャリア濃
度の超格子が得られるものである。しかも超格子としているため、トンネル効果
でキャリアは不純物濃度の少ないAlGaN層を移動するため、実質的にキャリ
アはAlGaN層の作用は受けず、AlGaN層はバンドギャップエネルギーの
高いクラッド層として作用する。従って、バンドギャップエネルギーの小さな方
の窒化物半導体層に不純物を多くドープしても、レーザ素子、LED素子の閾値
を低下させる上で非常に効果的である。なおこの説明はp型層側に超格子を形成
する例について説明したが、n層側に超格子を形成する場合においても、同様の
効果がある。
On the other hand, it is presumed that when the nitride semiconductor layer having a small band gap energy is doped with an impurity at a high concentration, the following effects are obtained. For example, when the AlGaN layer and the GaN layer are doped with the same amount of Mg, the AlGaN layer has a large Mg acceptor level depth and a low activation rate. On the other hand, the acceptor level of the GaN layer is shallower than the AlGaN layer, and the activation rate of Mg is high. For example, Mg is 1 × 1
Even with 0 20 / cm 3 doping, GaN has a carrier concentration of about 1 × 10 18 / cm 3 , whereas AlGaN can obtain only a carrier concentration of about 1 × 10 17 / cm 3 . Therefore, in the present invention, a superlattice with a high carrier concentration can be obtained by forming a superlattice with AlGaN / GaN and doping more impurities into the GaN layer that can obtain a high carrier concentration. In addition, since the superlattice is used, carriers move through the AlGaN layer having a low impurity concentration due to the tunnel effect, so that the carriers are not substantially affected by the AlGaN layer, and the AlGaN layer functions as a cladding layer having a high band gap energy. Therefore, even if the nitride semiconductor layer having the smaller band gap energy is doped with a large amount of impurities, it is very effective in reducing the threshold values of the laser element and the LED element. Although this description has been given of an example in which a superlattice is formed on the p-type layer side, the same effect can be obtained when a superlattice is formed on the n-layer side.

バンドギャップエネルギーが大きい第1の窒化物半導体層にn型不純物を多く
ドープする場合、第1の窒化物半導体層への好ましいドープ量としては、1×1
17/cm〜1×1020/cm、さらに好ましくは1×1018/cm〜5
×1019/cmの範囲に調整する。1×1017/cmよりも少ないと、第2
の窒化物半導体層との差が少なくなって、キャリア濃度の大きい層が得られにく
い傾向にあり、また1×1020/cmよりも多いと、素子自体のリーク電流が
多くなりやすい傾向にある。一方、第2の窒化物半導体層のn型不純物濃度は第
1の窒化物半導体層よりも少なければ良く、好ましくは1/10以上少ない方が
望ましい。最も好ましくはアンドープとすると最も移動度の高い層が得られるが
、膜厚が薄いため、第1の窒化物半導体側から拡散してくるn型不純物があり、
その量は1×1019/cm以下が望ましい。n型不純物としてはSi、Ge、
Se、S、O等の周期律表第IVB族、VIB族元素を選択し、好ましくはSi、G
e、Sをn型不純物とする。この作用は、バンドギャップエネルギーが大きい第
1の窒化物半導体層にn型不純物を少なくドープして、バンドギャップエネルギ
ーが小さい第2の窒化物半導体層にn型不純物を多くドープする場合も同様であ
る。
In the case where the first nitride semiconductor layer having a large band gap energy is doped with a large amount of n-type impurities, a preferable doping amount to the first nitride semiconductor layer is 1 × 1.
0 17 / cm 3 to 1 × 10 20 / cm 3 , more preferably 1 × 10 18 / cm 3 to 5
It adjusts in the range of * 10 < 19 > / cm < 3 >. If it is less than 1 × 10 17 / cm 3 , the second
The difference from the nitride semiconductor layer tends to be small, and a layer having a high carrier concentration tends to be difficult to obtain, and if it exceeds 1 × 10 20 / cm 3 , the leakage current of the device tends to increase. is there. On the other hand, the n-type impurity concentration of the second nitride semiconductor layer should be less than that of the first nitride semiconductor layer, and preferably 1/10 or less. Most preferably, when undoped, a layer with the highest mobility is obtained, but since the film thickness is thin, there is an n-type impurity diffused from the first nitride semiconductor side,
The amount is desirably 1 × 10 19 / cm 3 or less. As n-type impurities, Si, Ge,
Select Group IVB and VIB elements of the periodic table such as Se, S, O, etc., preferably Si, G
e and S are n-type impurities. This effect is the same when the first nitride semiconductor layer having a large band gap energy is doped with a small amount of n-type impurities and the second nitride semiconductor layer having a small band gap energy is doped with a large amount of n-type impurities. is there.

また、本発明の実施の形態のレーザ素子では、図1に示す活性層14の上部に
あるp側窒化物半導体層中において、活性層14と離れた位置に、バンドギャッ
プエネルギーの大きな第3の窒化物半導体層と、第3の窒化物半導体層よりもバ
ンドギャップエネルギーの小さな第4の窒化物半導体層とが積層されてなり、互
いの不純物濃度が異なる超格子構造のp側クラッド層17を有している。このp
側クラッド層17の超格子層を構成する第3、第4の窒化物半導体層の膜厚も、
n側クラッド層12と同じく、100オングストローム以下、さらに好ましくは
70オングストローム以下、最も好ましくは10〜40オングストロームの膜厚
に調整する。同様に、第3の窒化物半導体層は少なくともAlを含む窒化物半導
体、好ましくはAlGa1−XN(0<X≦1)を成長させることが望ましく
、第4の窒化物半導体は好ましくはAlGa1−YN(0≦Y<1、X>Y)、
InGa1−ZN(0≦Z≦1)のような2元混晶、3元混晶の窒化物半導体
を成長させることが望ましい。
In the laser device according to the embodiment of the present invention, a third bandgap energy having a large bandgap energy is located in the p-side nitride semiconductor layer above the active layer 14 shown in FIG. A p-side cladding layer 17 having a superlattice structure in which a nitride semiconductor layer and a fourth nitride semiconductor layer having a bandgap energy smaller than that of the third nitride semiconductor layer are stacked, and the impurity concentrations thereof are different from each other. Have. This p
The film thicknesses of the third and fourth nitride semiconductor layers constituting the superlattice layer of the side cladding layer 17 are also as follows:
As with the n-side cladding layer 12, the film thickness is adjusted to 100 angstroms or less, more preferably 70 angstroms or less, and most preferably 10 to 40 angstroms. Similarly, the third nitride semiconductor layer preferably grows a nitride semiconductor containing at least Al, preferably Al X Ga 1-X N (0 <X ≦ 1), and the fourth nitride semiconductor is preferably Is Al Y Ga 1-Y N (0 ≦ Y <1, X> Y),
In Z Ga 1-Z N 2 mixed crystal such as (0 ≦ Z ≦ 1), it is desirable to grow the nitride semiconductor ternary mixed crystal.

p側クラッド層17を超格子構造とすると、超格子構造がレーザ素子に与える
作用は、n側クラッド層12の作用と同じであるが、さらにn層側に形成した場
合に加えて次のような作用がある。即ち、p型窒化物半導体はn型窒化物半導体
に比べて、通常抵抗率が2桁以上高い。そのため超格子層をp層側に形成するこ
とにより、閾値電圧を低くする効果が顕著に現れる。詳しく説明すると窒化物半
導体はp型結晶が非常に得られにくい半導体であることが知られている。p型結
晶を得るためp型不純物をドープした窒化物半導体層をアニーリングして、水素
を除去する技術が知られている(特許第2540791号)。しかしp型が得ら
れたといってもその抵抗率は数Ω・cm以上もある。そこで、このp型層を超格子
層とすることにより結晶性が良くなり、抵抗率が1桁以上低下するため閾値電圧
を低くすることができる。
When the p-side cladding layer 17 has a superlattice structure, the action of the superlattice structure on the laser element is the same as that of the n-side cladding layer 12, but in addition to the case where it is formed on the n-layer side, There is an effect. That is, the resistivity of the p-type nitride semiconductor is usually two orders of magnitude higher than that of the n-type nitride semiconductor. Therefore, by forming the superlattice layer on the p-layer side, the effect of lowering the threshold voltage appears significantly. More specifically, it is known that a nitride semiconductor is a semiconductor in which p-type crystals are very difficult to obtain. A technique for removing hydrogen by annealing a nitride semiconductor layer doped with a p-type impurity to obtain a p-type crystal is known (Japanese Patent No. 2540791). However, even if p-type is obtained, the resistivity is several Ω · cm or more. Therefore, by making this p-type layer a superlattice layer, the crystallinity is improved and the resistivity is lowered by one digit or more, so that the threshold voltage can be lowered.

p側クラッド層17の第3の窒化物半導体層と第4の窒化物半導体層とのp型
不純物濃度が異なり、一方の層の不純物濃度を大きく、もう一方の層の不純物濃
度を小さくする。n側クラッド層12と同様に、バンドギャップエネルギーの大
きな第3の窒化物半導体層の方のp型不純物濃度を大きくして、バンドギャップ
エネルギーの小さな第4のp型不純物濃度を小さく、好ましくはアンドープとす
ると、閾値電圧、Vf等を低下させることができる。
またその逆の構成も可能である。つまりバンドギャップエネルギーの大きな第
3の窒化物半導体層のp型不純物濃度を小さくして、バンドギャップエネルギー
の小さな第4の窒化物半導体層のp型不純物濃度を大きくしても良い。理由は先
に述べたとおりである。
The third nitride semiconductor layer and the fourth nitride semiconductor layer of the p-side cladding layer 17 are different in p-type impurity concentration, the impurity concentration of one layer is increased, and the impurity concentration of the other layer is decreased. Similar to the n-side cladding layer 12, the p-type impurity concentration in the third nitride semiconductor layer having a larger band gap energy is increased, and the fourth p-type impurity concentration in the lower band gap energy is decreased. When undoped, the threshold voltage, Vf, and the like can be reduced.
The reverse configuration is also possible. That is, the p-type impurity concentration of the third nitride semiconductor layer having a large band gap energy may be decreased, and the p-type impurity concentration of the fourth nitride semiconductor layer having a small band gap energy may be increased. The reason is as described above.

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

さらにまた超格子を構成する窒化物半導体層において、不純物が高濃度にドー
プされる層は、それぞれ厚さ方向に対し、半導体層中央部(第2の窒化物半導体
層又は第4の窒化物半導体層から離れた位置)の不純物濃度が大きく、両端部近
傍(第2の窒化物半導体層又は第4の窒化物半導体層に近接する部分)の不純物
濃度が小さく(好ましくはアンドープ)なるようにすることが望ましい。具体的
に説明すると、例えばn型不純物としてSiをドープしたAlGaNと、アンド
ープのGaN層とで超格子層を形成した場合、AlGaNはSiをドープしてい
るのでドナーとして電子を伝導帯に出すが、電子はポテンシャルの低いGaNの
伝導帯に落ちる。GaN結晶中にはドナー不純物をドープしていないので、不純
物によるキャリアの散乱を受けない。そのため電子は容易にGaN結晶中を動く
ことができ、実質的な電子の移動度が高くなる。これは前述した二次元電子ガス
の効果と類似しており、電子横方向の実質的な移動度が高くなり、抵抗率が小さ
くなる。さらに、バンドギャップエネルギーの大きいAlGaNにおいて、Ga
N層から比較的離れた中央領域にn型不純物を高濃度にドープすると効果はさら
に大きくできる。即ちGaN中を移動する電子のうち、AlGaN層に近い部分
を通過する電子は、AlGaN層中のGaN層に近接する部分にあるn型不純物
イオン(この場合Si)の散乱を多少なりとも受ける。しかし、上述のようにA
lGaN層において、GaN層に近接する部分をアンドープとすると、AlGa
N層に近い部分を通過する電子がSiの散乱を受けにくくなるので、さらにアン
ドープGaN層の移動度が向上するのである。作用は若干異なるが、p層側の第
3の窒化物半導体層と第4の窒化物半導体層とで超格子を構成した場合も類似し
た効果があり、バンドギャップエネルギーの大きい第3の窒化物半導体層の中央
部領域に、p型不純物を多くドープし、第4の窒化物半導体層に近接する部分を
少なくするか、あるいはアンドープとすることが望ましい。一方バンドギャップ
エネルギーの小さな窒化物半導体層にn型不純物を多くドープした層を、前記不
純物濃度の構成とすることもできるが、バンドギャップエネルギーの小さな方に
不純物を多くドープした超格子では、その効果は少ない傾向にある。
Furthermore, in the nitride semiconductor layer constituting the superlattice, the layer in which the impurity is doped at a high concentration is the center of the semiconductor layer (the second nitride semiconductor layer or the fourth nitride semiconductor) in the thickness direction. The impurity concentration in a position far from the layer) is high, and the impurity concentration in the vicinity of both ends (the portion adjacent to the second nitride semiconductor layer or the fourth nitride semiconductor layer) is low (preferably undoped). It is desirable. More specifically, for example, when a superlattice layer is formed of AlGaN doped with Si as an n-type impurity and an undoped GaN layer, since AlGaN is doped with Si, electrons are emitted to the conduction band as donors. Electrons fall into the low-potential GaN conduction band. Since the GaN crystal is not doped with a donor impurity, it is not subject to carrier scattering by the impurity. Therefore, the electrons can easily move in the GaN crystal, and the substantial mobility of electrons increases. This is similar to the effect of the two-dimensional electron gas described above, and the substantial mobility in the lateral direction of the electron increases and the resistivity decreases. Furthermore, in AlGaN with a large band gap energy, Ga
The effect can be further increased by doping the n-type impurity at a high concentration in a central region relatively far from the N layer. That is, of the electrons moving in the GaN, the electrons passing through the portion close to the AlGaN layer are somewhat scattered by the n-type impurity ions (in this case, Si) in the portion of the AlGaN layer close to the GaN layer. However, as mentioned above, A
In the lGaN layer, when the portion adjacent to the GaN layer is undoped, AlGa
Since electrons that pass through a portion close to the N layer are less likely to be scattered by Si, the mobility of the undoped GaN layer is further improved. Although the operation is slightly different, there is a similar effect when the superlattice is constituted by the third nitride semiconductor layer and the fourth nitride semiconductor layer on the p-layer side, and the third nitride having a large band gap energy is obtained. It is desirable that the central region of the semiconductor layer is doped with a large amount of p-type impurities so that the portion adjacent to the fourth nitride semiconductor layer is reduced or undoped. On the other hand, a layer in which a nitride semiconductor layer having a small bandgap energy is doped with a large amount of n-type impurities can be configured to have the above-mentioned impurity concentration. The effect tends to be small.

以上、n側クラッド層12、p側クラッド層17を超格子層とすることについ
て説明したが、本発明では超格子層は、この他、コンタクト層としてのn側バッ
ファ層11、n側光ガイド層13、p側キャップ層15、p側光ガイド層16、
p側コンタクト層18等を超格子構造とすることができる。つまり活性層から離
れた層、活性層に接した層、どの層でも超格子層とすることができる。特にn電
極が形成されるn側バッファ層11を超格子とすると、前記HEMTに類似した
効果が現れやすい。
As described above, the n-side cladding layer 12 and the p-side cladding layer 17 have been described as superlattice layers. However, in the present invention, the superlattice layer also includes an n-side buffer layer 11 as a contact layer, an n-side light guide. Layer 13, p-side cap layer 15, p-side light guide layer 16,
The p-side contact layer 18 and the like can have a superlattice structure. That is, any layer away from the active layer, in contact with the active layer, or any layer can be a superlattice layer. In particular, when the n-side buffer layer 11 on which the n-electrode is formed is a superlattice, an effect similar to the HEMT is likely to appear.

さらに、本発明の実施形態のレーザ素子においては、図1に示すように、超格
子層からなるn側クラッド層12と活性層14との間に、不純物(この場合n型
不純物)濃度が1×1019/cm以下に調整されたn側光ガイド層13が形成
されている。このn側光ガイド層13は、アンドープとしても、n型不純物が他
の層から拡散して入ってくる可能性があるが、本発明においては、1×1019
/cm以下のドープ量であれば、光ガイド層として動作し本願発明の効果を損な
うことはない。しかしながら、本発明において、n側光ガイド層13の不純物濃
度は1×1018/cm以下であることが好ましく、1×1017/cm以下で
あることがさらに好ましく、アンドープであることが最も好ましい。また、この
n側光ガイド層はInを含む窒化物半導体、またはGaNで構成することが望ま
しい。
Furthermore, in the laser device according to the embodiment of the present invention, as shown in FIG. 1, the impurity (in this case, n-type impurity) concentration is 1 between the n-side cladding layer 12 made of a superlattice layer and the active layer 14. The n-side light guide layer 13 adjusted to × 10 19 / cm 3 or less is formed. The n-side light guide layer 13, even undoped, but n-type impurities is likely to come diffused from other layers, in the present invention, 1 × 10 19
If the doping amount is not more than / cm 3 , it operates as a light guide layer and does not impair the effects of the present invention. However, in the present invention, the impurity concentration of the n-side light guide layer 13 is preferably 1 × 10 18 / cm 3 or less, more preferably 1 × 10 17 / cm 3 or less, and undoped. Most preferred. The n-side light guide layer is preferably made of a nitride semiconductor containing In or GaN.

また実施形態のレーザ素子においては、超格子層からなるp側クラッド層17
と活性層14との間に、不純物(この場合p型不純物)濃度が1×1019/cm
以下に調整されたp側光ガイド層16が形成されている。本発明において、p
側ガイド層16の不純物濃度は、1×1019/cm以下であればよいが、好ま
しい不純物濃度は1×1018/cm以下であり、最も好ましくはアンドープと
する。窒化物半導体の場合、アンドープとすると、通常n型の導電性を示すが、
本発明は、このp側ガイド層16の導電型はn又はpのいずれでもよく、本明細
書においては、導電型にかかわらずp側光ガイド層と呼ぶ。また、実際には、p
型不純物が他の層から拡散してこのp側光ガイド層16に入ってくる可能性もあ
る。尚、このp側光ガイド層もInを含む窒化物半導体、またはGaNで構成す
ることが望ましい。
In the laser device of the embodiment, the p-side cladding layer 17 made of a superlattice layer is used.
And the active layer 14 has an impurity (in this case, p-type impurity) concentration of 1 × 10 19 / cm
The p-side light guide layer 16 adjusted to 3 or less is formed. In the present invention, p
The impurity concentration of the side guide layer 16 may be 1 × 10 19 / cm 3 or less, but a preferable impurity concentration is 1 × 10 18 / cm 3 or less, and most preferably undoped. In the case of a nitride semiconductor, if undoped, it usually shows n-type conductivity,
In the present invention, the conductivity type of the p-side guide layer 16 may be either n or p, and is referred to as a p-side light guide layer in this specification regardless of the conductivity type. In practice, p
There is also a possibility that type impurities may diffuse from other layers and enter the p-side light guide layer 16. The p-side light guide layer is also preferably made of a nitride semiconductor containing In or GaN.

なぜ、活性層とクラッド層との間にアンドープの窒化物半導体を存在させるこ
とが好ましいのかは次の通りである。即ち、窒化物半導体の場合、活性層の発光
は通常360〜520nm、特に380〜450nmを目的として設計される。
アンドープの窒化物半導体はn型不純物、p型不純物をドープした窒化物半導体
に比較して、前記波長を有する光の吸収率が低い。従って、アンドープの窒化物
半導体を、発光する活性層と、光閉じ込め層としてのクラッド層との間に挟むこ
とにより、活性層の発光を消衰させることが少ないので、低利得で発振するレー
ザ素子が実現でき、閾値電圧を低くすることができる。尚、この効果は、光ガイ
ド層の不純物濃度が、1×1019/cm以下であれば確認できる。
The reason why it is preferable to have an undoped nitride semiconductor between the active layer and the cladding layer is as follows. That is, in the case of a nitride semiconductor, the light emission of the active layer is usually designed for 360 to 520 nm, particularly 380 to 450 nm.
An undoped nitride semiconductor has a lower absorptance of light having the above-mentioned wavelength compared to a nitride semiconductor doped with n-type impurities and p-type impurities. Accordingly, since the undoped nitride semiconductor is sandwiched between the active layer that emits light and the cladding layer as the light confinement layer, the light emission of the active layer is rarely extinguished. Can be realized, and the threshold voltage can be lowered. This effect can be confirmed if the impurity concentration of the light guide layer is 1 × 10 19 / cm 3 or less.

従って、本発明の好ましい組み合わせとしては、活性層と離れた位置に不純物
が変調ドープされた超格子構造を有するクラッド層を有し、そのクラッド層と活
性層との間に、不純物濃度が低い、好ましくはアンドープのガイド層を有する発
光素子である。
Therefore, as a preferable combination of the present invention, a cladding layer having a superlattice structure in which impurities are modulation-doped is provided at a position away from the active layer, and the impurity concentration is low between the cladding layer and the active layer. A light emitting element having an undoped guide layer is preferable.

さらに好ましい態様として、本発明の発光素子では、p側ガイド層16と活性
層14との間に、活性層の井戸層、及びp側ガイド層16界面のバンドギャップ
エネルギーよりも大きいバンドギャップエネルギーを有する膜厚0.1μm以下
の窒化物半導体よりなるp側キャップ層15が形成されており、そのp側キャッ
プ層の不純物濃度が1×1018/cm以上に調整されている。このp型キャッ
プ層15の膜厚は0.1μm以下、さらに好ましくは500オングストローム以
下、最も好ましくは300オングストローム以下に調整する。0.1μmより厚
い膜厚で成長させると、p型キャップ層15中にクラックが入りやすくなり、結
晶性の良い窒化物半導体層が成長しにくいからである。このようにバンドギャッ
プエネルギーが大きな層を活性層に接して、0.1μm以下の薄膜で形成するこ
とにより、発光素子のリーク電流が少なくなる傾向にある。これによって、n層
側から注入された電子が、キャップ層のエネルギーバリアの障壁により、活性層
内に溜まり、電子と正孔との再結合の確率が高くなるために素子自体の出力を向
上させることができる。また、不純物濃度は1×1018/cm以上に調整する
必要がある。このキャップ層は比較的Al混晶比の高い層であり、Al混晶比の
高い層は高抵抗になりやすい。このため不純物をドープすることによりキャリア
濃度を高くして抵抗率を下げてやらないと、この層が高抵抗なi層のようになり
、p−i−n構造となって電流電圧特性が悪くなる傾向にあるからである。なお
、このp側にあるキャップ層は、n側に形成してもよい。n側に形成する場合は
、n型不純物をドープしてもしなくても良い。
As a more preferable embodiment, in the light emitting device of the present invention, a band gap energy larger than the band gap energy at the interface between the p-side guide layer 16 and the p-side guide layer 16 is present between the p-side guide layer 16 and the active layer 14. A p-side cap layer 15 made of a nitride semiconductor having a thickness of 0.1 μm or less is formed, and the impurity concentration of the p-side cap layer is adjusted to 1 × 10 18 / cm 3 or more. The thickness of the p-type cap layer 15 is adjusted to 0.1 μm or less, more preferably 500 angstroms or less, and most preferably 300 angstroms or less. This is because if the film is grown to a thickness greater than 0.1 μm, cracks are likely to occur in the p-type cap layer 15 and a nitride semiconductor layer with good crystallinity is difficult to grow. Thus, by forming a layer having a large band gap energy in contact with the active layer and forming a thin film having a thickness of 0.1 μm or less, the leakage current of the light emitting element tends to be reduced. As a result, electrons injected from the n-layer side accumulate in the active layer due to the energy barrier of the cap layer, and the probability of recombination of electrons and holes increases, so that the output of the device itself is improved. be able to. Further, it is necessary to adjust the impurity concentration to 1 × 10 18 / cm 3 or more. This cap layer is a layer having a relatively high Al mixed crystal ratio, and a layer having a high Al mixed crystal ratio tends to have high resistance. For this reason, unless the carrier concentration is increased by doping impurities to lower the resistivity, this layer becomes a high-resistance i layer, which has a pin structure and poor current-voltage characteristics. It is because it tends to become. The cap layer on the p side may be formed on the n side. When forming on the n-side, it may or may not be doped with n-type impurities.

以上のように構成された実施形態のレーザ素子は、n側クラッド層12及びp
側クラッド層17を超格子構造で構成しているので、n側クラッド層12及びp
側クラッド層17の電気抵抗を低くでき、閾値電圧を低くできしかも長時間のレ
ーザ発振が可能である。
また、本実施形態のレーザ素子では、n側クラッド層12及びp側クラッド層
17を超格子構造で構成する以外にも、上述したように種々の手段を講じて、さ
らなる閾値電圧の低減を可能としている。
The laser device of the embodiment configured as described above includes the n-side cladding layer 12 and the p-type layer.
Since the side cladding layer 17 has a superlattice structure, the n-side cladding layer 12 and p
The electrical resistance of the side cladding layer 17 can be lowered, the threshold voltage can be lowered, and long-time laser oscillation is possible.
In the laser device of this embodiment, besides the n-side cladding layer 12 and the p-side cladding layer 17 having a superlattice structure, various measures can be taken as described above to further reduce the threshold voltage. It is said.

以上の実施形態では、n側クラッド層12及びp側クラッド層17を超格子構
造としたが、本発明はこれに限らず、n側クラッド層12及びp側クラッド層1
7のうちのどちらか一方を超格子構造としてもよい。以上のようにしても閾値電
圧を従来例に比較して低くできる。
In the above embodiment, the n-side cladding layer 12 and the p-side cladding layer 17 have a superlattice structure, but the present invention is not limited to this, and the n-side cladding layer 12 and the p-side cladding layer 1 are not limited thereto.
Either one of 7 may have a superlattice structure. Even in the above manner, the threshold voltage can be lowered as compared with the conventional example.

また、実施形態では、n側クラッド層12及びp側クラッド層17を超格子構
造としたが、本発明はこれに限らず、n側クラッド層12及びp側クラッド層1
7以外のp側及びn側の窒化物半導体層のいずれか1つ以上が超格子構造であれ
ばよい。以上のように構成しても、閾値電圧を従来例に比較して低くできる。
In the embodiment, the n-side cladding layer 12 and the p-side cladding layer 17 have a superlattice structure, but the present invention is not limited to this, and the n-side cladding layer 12 and the p-side cladding layer 1 are not limited thereto.
Any one or more of the p-side and n-side nitride semiconductor layers other than 7 may have a superlattice structure. Even with the configuration described above, the threshold voltage can be lowered as compared with the conventional example.

以上の実施形態では、レーザ素子においてn側クラッド層12及びp側クラッ
ド層17を超格子構造としたが、本発明はこれに限らず、発光ダイオード(LE
D)等、他の窒化物半導体素子に適用できることはいうまでもない。以上のよう
に構成することにより、発光ダイオードでは、Vf(順方向電圧)を下げること
ができる。
In the above embodiment, the n-side cladding layer 12 and the p-side cladding layer 17 have a superlattice structure in the laser element, but the present invention is not limited to this, and the light emitting diode (LE
Needless to say, the present invention can be applied to other nitride semiconductor devices such as D). With the configuration described above, Vf (forward voltage) can be lowered in the light emitting diode.

以下、図1、図2を元に本発明の実施例を詳説する。図2は図1のレーザ素子
の形状を示す斜視図である。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to FIGS. FIG. 2 is a perspective view showing the shape of the laser element of FIG.

[実施例1]
サファイア(C面)よりなる基板の上にGaNよりなるバッファ層を介してG
aNよりなる単結晶を50μmの膜厚で成長させたGaN基板10を用意する。
このGaN基板10を反応容器内にセットし、温度を1050℃まで上げ、キャ
リアガスに水素、原料ガスにアンモニアとTMG(トリメチルガリウム)、不純
物ガスとしてシランガスを用い、GaN基板10上にSiを1×1018/cm
ドープしたGaNよりなるn側バッファ層11を4μmの膜厚で成長させる。こ
のバッファ層は、図1のような構造の発光素子を作製した場合にはn電極を形成
するためのコンタクト層としても作用する。さらに、このn側バッファ層は高温
で成長させるバッファ層であり、例えばサファイア、SiC、スピネルのように
窒化物半導体体と異なる材料よりなる基板の上に、900℃以下の低温において
、GaN、AlN等を、0.5μm以下の膜厚で直接成長させるバッファ層とは
区別される。
[Example 1]
G on a substrate made of sapphire (C-plane) through a buffer layer made of GaN
A GaN substrate 10 is prepared by growing a single crystal of aN to a thickness of 50 μm.
This GaN substrate 10 is set in a reaction vessel, the temperature is increased to 1050 ° C., hydrogen is used as a carrier gas, ammonia and TMG (trimethyl gallium) are used as a source gas, and silane gas is used as an impurity gas. × 10 18 / cm 3
An n-side buffer layer 11 made of doped GaN is grown to a thickness of 4 μm. This buffer layer also acts as a contact layer for forming an n-electrode when a light-emitting element having a structure as shown in FIG. 1 is manufactured. Further, this n-side buffer layer is a buffer layer grown at a high temperature. For example, on a substrate made of a material different from the nitride semiconductor body such as sapphire, SiC, spinel, at a low temperature of 900 ° C. or lower, GaN, AlN Etc. are distinguished from a buffer layer directly grown with a film thickness of 0.5 μm or less.

(n側クラッド層12=超格子層)
続いて、1050℃でTMA(トリメチルアルミニウム)、TMG、アンモニ
ア、シランガスを用い、Siを1×1019/cmドープしたn型Al0.2
0.8Nよりなる第1の層を40オングストロームの膜厚で成長させ、続いて
シランガス、TMAを止め、アンドープのGaNよりなる第2の層を40オング
ストロームの膜厚で成長させる。そして第1層+第2層+第1層+第2層+・・
・というように超格子層を構成し、それぞれ100層ずつ交互に積層し、総膜厚
0.8μmの超格子よりなるn側クラッド層12を成長させる。
(N-side cladding layer 12 = superlattice layer)
Subsequently, n-type Al 0.2 G doped with Si at 1 × 10 19 / cm 3 at 1050 ° C. using TMA (trimethylaluminum), TMG, ammonia, and silane gas.
A first layer made of a 0.8 N is grown to a thickness of 40 angstroms. Subsequently, silane gas and TMA are stopped, and a second layer made of undoped GaN is grown to a thickness of 40 angstroms. And first layer + second layer + first layer + second layer +
Thus, a superlattice layer is constructed, and 100 layers are alternately laminated, and an n-side cladding layer 12 made of a superlattice having a total film thickness of 0.8 μm is grown.

(n側光ガイド層13)
続いて、シランガスを止め、1050℃でアンドープGaNよりなるn側光ガ
イド層13を0.1μmの膜厚で成長させる。このn側光ガイド層は、活性層の
光ガイド層として作用し、GaN、InGaNを成長させることが望ましく、通
常100オングストローム〜5μm、さらに好ましくは200オングストローム
〜1μmの膜厚で成長させることが望ましい。またこの層をアンドープの超格子
層とすることもできる。超格子層とする場合にはバンドギャップエネルギーは活
性層より大きく、n側クラッド層のAl0.2Ga0.8Nよりも小さくする。
(N-side light guide layer 13)
Subsequently, the silane gas is stopped and an n-side light guide layer 13 made of undoped GaN is grown at a thickness of 0.1 μm at 1050 ° C. This n-side light guide layer acts as a light guide layer of the active layer, and it is desirable to grow GaN and InGaN, and it is usually desirable to grow with a film thickness of 100 Å to 5 μm, more preferably 200 Å to 1 μm. . This layer can also be an undoped superlattice layer. In the case of a superlattice layer, the band gap energy is larger than that of the active layer and smaller than Al 0.2 Ga 0.8 N of the n-side cladding layer.

(活性層14)
次に、原料ガスにTMG、TMI、アンモニアを用いて活性層14を成長させ
る。活性層14は温度を800℃に保持して、アンドープIn0.2Ga0.8
Nよりなる井戸層を25オングストロームの膜厚で成長させる。次にTMIのモ
ル比を変化させるのみで同一温度で、アンドープIn0.01Ga0.95Nよ
りなる障壁層を50オングストロームの膜厚で成長させる。この操作を2回繰り
返し、最後に井戸層を積層した総膜厚175オングストロームの多重量子井戸構
造(MQW)の活性層を成長させる。活性層は本実施例のようにアンドープでも
よいし、またn型不純物及び/又はp型不純物をドープしても良い。不純物は井
戸層、障壁層両方にドープしても良く、いずれか一方にドープしてもよい。
(Active layer 14)
Next, the active layer 14 is grown using TMG, TMI, and ammonia as source gases. The active layer 14 is kept at a temperature of 800 ° C., and undoped In 0.2 Ga 0.8.
A well layer made of N is grown to a thickness of 25 Å. Next, a barrier layer made of undoped In 0.01 Ga 0.95 N is grown to a thickness of 50 Å at the same temperature only by changing the molar ratio of TMI. This operation is repeated twice, and an active layer having a multi-quantum well structure (MQW) having a total film thickness of 175 angstroms and a well layer is finally grown. The active layer may be undoped as in this embodiment, or may be doped with n-type impurities and / or p-type impurities. Impurities may be doped into both the well layer and the barrier layer, or one of them may be doped.

(p側キャップ層15)
次に、温度を1050℃に上げ、TMG、TMA、アンモニア、Cp2Mg(
シクロペンタジエニルマグネシウム)を用い、p側光ガイド層16よりもバンド
ギャップエネルギーが大きい、Mgを1×1020/cmドープしたp型Al
.3Ga0.7Nよりなるp側キャップ層17を300オングストロームの膜厚
で成長させる。このp型キャップ層15は前に述べたように、0.1μm以下の
巻く厚保で形成し、膜厚の下限は特に限定しないが、10オングストローム以上
の膜厚で形成することが望ましい。
(P-side cap layer 15)
Next, the temperature is raised to 1050 ° C., and TMG, TMA, ammonia, Cp 2 Mg (
P-type Al 0 doped with 1 × 10 20 / cm 3 Mg and having a band gap energy larger than that of the p-side light guide layer 16.
. A p-side cap layer 17 made of 3 Ga 0.7 N is grown to a thickness of 300 angstroms. As described above, the p-type cap layer 15 is formed with a thickness of 0.1 μm or less, and the lower limit of the film thickness is not particularly limited, but is preferably formed with a film thickness of 10 Å or more.

(p側光ガイド層16)
続いてCp2Mg、TMAを止め、1050℃で、バンドギャップエネルギー
がp側キャップ層15よりも小さい、アンドープGaNよりなるp側光ガイド層
16を0.1μmの膜厚で成長させる。この層は、活性層の光ガイド層として作
用し、n型光ガイド層13と同じくGaN、InGaNで成長させることが望ま
しい。なお、このp側光ガイド層をアンドープの窒化物半導体、不純物をドープ
した窒化物半導体よりなる超格子層とすることもできる。超格子層とする場合に
はバンドギャップエネルギーは活性層の井戸層より大きく、p側クラッド層のA
0.2Ga0.8Nよりも小さくする。
(P-side light guide layer 16)
Subsequently, Cp2Mg and TMA are stopped, and a p-side light guide layer 16 made of undoped GaN having a band gap energy smaller than that of the p-side cap layer 15 is grown at 1050 ° C. to a thickness of 0.1 μm. This layer acts as a light guide layer of the active layer, and is desirably grown by GaN and InGaN as with the n-type light guide layer 13. The p-side light guide layer may be a superlattice layer made of an undoped nitride semiconductor or an impurity-doped nitride semiconductor. In the case of a superlattice layer, the band gap energy is larger than the well layer of the active layer, and the A side of the p-side cladding layer
It is made smaller than l 0.2 Ga 0.8 N.

(p側クラッド層17)
続いて、1050℃でMgを1×1020/cmドープしたp型Al0.2
0.8Nよりなる第3の層を40オングストロームの膜厚で成長させ、続いて
TMAのみを止め、アンドープGaNよりなる第4の層を40オングストローム
の膜厚で成長させる。そしてこの操作をそれぞれ100回繰り返し、総膜厚0.
8μmの超格子層よりなるp側クラッド層17を形成する。
(P-side cladding layer 17)
Subsequently, p-type Al 0.2 G doped with 1 × 10 20 / cm 3 of Mg at 1050 ° C.
A third layer of a 0.8 N is grown to a thickness of 40 Å, then only TMA is stopped, and a fourth layer of undoped GaN is grown to a thickness of 40 Å. Then, this operation is repeated 100 times, and the total film thickness becomes 0.
A p-side cladding layer 17 made of an 8 μm superlattice layer is formed.

(p側コンタクト層18)
最後に、1050℃で、p側クラッド層17の上に、Mgを2×1020/cm
ドープしたp型GaNよりなるp側コンタクト層18を150オングストロー
ムの膜厚で成長させる。p側コンタクト層18はp型のInAlGa1−X
−YN(0≦X、0≦Y、X+Y≦1)で構成することができ、好ましくはMgをド
ープしたGaNとすれば、p電極21と最も好ましいオーミック接触が得られる
。またp型AlGa1−YNを含む超格子構造のp側クラッド層17に接して
、バンドギャップエネルギーの小さい窒化物半導体をp側コンタクト層として、
その膜厚を500オングストローム以下と薄くしているために、実質的にp側コ
ンタクト層18のキャリア濃度が高くなりp電極と好ましいオーミックが得られ
て、素子の閾値電流、電圧が低下する。
(P-side contact layer 18)
Finally, Mg is 2 × 10 20 / cm on the p-side cladding layer 17 at 1050 ° C.
A p-side contact layer 18 made of 3- doped p-type GaN is grown to a thickness of 150 Å. The p-side contact layer 18 is a p-type In X Al Y Ga 1-X
-YN (0.ltoreq.X, 0.ltoreq.Y, X + Y.ltoreq.1), preferably Mg-doped GaN, provides the most preferable ohmic contact with the p-electrode 21. Further, a nitride semiconductor having a small band gap energy in contact with the p-side cladding layer 17 having a superlattice structure containing p-type Al Y Ga 1-Y N is used as a p-side contact layer.
Since the film thickness is reduced to 500 angstroms or less, the carrier concentration of the p-side contact layer 18 is substantially increased, a preferable ohmic with the p electrode is obtained, and the threshold current and voltage of the device are lowered.

以上のようにして窒化物半導体を成長させたウェーハを反応容器内において、
窒素雰囲気中700℃でアニーリングを行い、p型不純物をドープした層をさら
に低抵抗化させる。
In the reaction vessel, the wafer on which the nitride semiconductor is grown as described above,
Annealing is performed at 700 ° C. in a nitrogen atmosphere to further reduce the resistance of the layer doped with the p-type impurity.

アニーリング後、ウェーハを反応容器から取り出し、図1に示すように、RI
E装置により最上層のp側コンタクト層18と、p側クラッド層17とをエッチ
ングして、4μmのストライプ幅を有するリッジ形状とする。このように、活性
層よりも上部にある層をストライプ状のリッジ形状とすることにより、活性層の
発光がストライプリッジの下に集中するようになって閾値が低下する。特に超格
子層よりなるp側クラッド層17以上の層をリッジ形状とすることが好ましい。
After annealing, the wafer is removed from the reaction vessel, and as shown in FIG.
The uppermost p-side contact layer 18 and the p-side cladding layer 17 are etched by an E device to form a ridge shape having a stripe width of 4 μm. Thus, by forming the layer above the active layer in a striped ridge shape, the emission of the active layer is concentrated under the stripe ridge, and the threshold value is lowered. In particular, the p-side cladding layer 17 or more layer made of a superlattice layer is preferably formed into a ridge shape.

次にリッジ表面にマスクを形成し、RIEにてエッチングを行い、n側バッフ
ァ層11の表面を露出させる。露出させたこのn側バッファ層11はn電極23
を形成するためのコンタクト層としても作用する。なお図1ではn側バッファ層
11をコンタクト層としているが、GaN基板10までエッチングを行い、露出
したGaN基板10をコンタクト層とすることもできる。
Next, a mask is formed on the ridge surface and etching is performed by RIE to expose the surface of the n-side buffer layer 11. The exposed n-side buffer layer 11 has an n-electrode 23.
It also acts as a contact layer for forming. In FIG. 1, the n-side buffer layer 11 is used as a contact layer. However, the exposed GaN substrate 10 may be used as a contact layer by etching up to the GaN substrate 10.

次にp側コンタクト層18のリッジ最表面にNiとAuよりなるp電極21を
ストライプ状に形成する。p側コンタクト層と好ましいオーミックが得られるp
電極21の材料としては、例えばNi、Pt、Pd、Ni/Au、Pt/Au、
Pd/Au等を挙げることができる。
Next, a p-electrode 21 made of Ni and Au is formed in a stripe shape on the ridge outermost surface of the p-side contact layer 18. p with good ohmic with p-side contact layer
Examples of the material of the electrode 21 include Ni, Pt, Pd, Ni / Au, Pt / Au,
Pd / Au etc. can be mentioned.

一方、TiとAlよりなるn電極23を先ほど露出させたn側バッファ層11
の表面にストライプ状に形成する。n側バッファ層11、またはGaN基板10
と好ましいオーミックが得られるn電極23の材料としてはAl、Ti、W、C
u、Zn、Sn、In等の金属若しくは合金が好ましい。
On the other hand, the n-side buffer layer 11 in which the n-electrode 23 made of Ti and Al is exposed earlier.
It is formed in a stripe shape on the surface. n-side buffer layer 11 or GaN substrate 10
As the material of the n electrode 23 which can obtain a preferable ohmic, Al, Ti, W, C
Metals or alloys such as u, Zn, Sn, and In are preferred.

次に、図1に示すようにp電極21と、n電極23との間に露出した窒化物半
導体層の表面にSiOよりなる絶縁膜25を形成し、この絶縁膜25を介して
p電極21と電気的に接続したpパッド電極22、及びnパッド電極24を形成
する。このpパッド電極22は実質的なp電極21の表面積を広げて、p電極側
をワイヤーボンディング、ダイボンディングできるようにする作用がある。一方
、nパッド電極24はn電極23の剥がれを防止する作用がある。
Next, as shown in FIG. 1, an insulating film 25 made of SiO 2 is formed on the surface of the nitride semiconductor layer exposed between the p-electrode 21 and the n-electrode 23, and the p-electrode is interposed through this insulating film 25. A p-pad electrode 22 and an n-pad electrode 24 electrically connected to 21 are formed. The p-pad electrode 22 has the effect of expanding the substantial surface area of the p-electrode 21 so that the p-electrode side can be wire-bonded and die-bonded. On the other hand, the n pad electrode 24 has an action of preventing the n electrode 23 from peeling off.

以上のようにして、n電極とp電極とを形成したウェーハを研磨装置に移送し
、ダイヤモンド研磨剤を用いて、窒化物半導体を形成していない側のサファイア
基板をラッピングし、サファイア基板の厚さを70μmとする。ラッピング後、
さらに細かい研磨剤で1μmポリシングして基板表面を鏡面状とし、Au/Sn
で全面をメタライズする。
As described above, the wafer on which the n-electrode and the p-electrode are formed is transferred to a polishing apparatus, and the sapphire substrate on which the nitride semiconductor is not formed is wrapped with a diamond abrasive, The thickness is 70 μm. After wrapping
Polish the substrate with 1 μm with a fine abrasive to make the substrate surface mirror-like, and make Au / Sn
To metallize the entire surface.

その後、Au/Sn側をスクライブして、ストライプ状の電極に垂直な方向で
バー状に劈開し、劈開面に共振器を作製する。共振器面にSiOとTiO
りなる誘電体多層膜を形成し、最後にp電極に平行な方向で、バーを切断してレ
ーザチップとした。次にチップをフェースアップ(基板とヒートシンクとが対向
した状態)でヒートシンクに設置し、それぞれの電極をワイヤーボンディングし
て、室温でレーザ発振を試みたところ、室温において、閾値電流密度2.0kA
/cm、閾値電圧4.0Vで、発振波長405nmの連続発振が確認され、10
00時間以上の寿命を示した。
Thereafter, the Au / Sn side is scribed and cleaved in a bar shape in a direction perpendicular to the striped electrode, and a resonator is formed on the cleavage plane. A dielectric multilayer film made of SiO 2 and TiO 2 was formed on the resonator surface, and finally a bar was cut in a direction parallel to the p-electrode to form a laser chip. Next, the chip was placed face-up (with the substrate and the heat sink facing each other) on the heat sink, each electrode was wire bonded, and laser oscillation was attempted at room temperature. At room temperature, the threshold current density was 2.0 kA.
/ Cm 2 and a threshold voltage of 4.0 V, continuous oscillation with an oscillation wavelength of 405 nm was confirmed.
It showed a life of over 00 hours.

[実施例2]
図3は本発明の他の実施例に係るレーザ素子の構造を示す模式的な断面図であ
り、図1と同じくレーザ光の共振方向に垂直な方向で素子を切断した際の図を示
している。以下この図を元に実施例2について説明する。尚、図3において、図
1及び図2と同様のものには同様の符号を付して示す。
[Example 2]
FIG. 3 is a schematic cross-sectional view showing the structure of a laser device according to another embodiment of the present invention. FIG. Yes. The second embodiment will be described below with reference to this figure. In FIG. 3, the same components as those in FIGS. 1 and 2 are denoted by the same reference numerals.

サファイア(C面)よりなる基板の上にGaNよりなるバッファ層を介してS
iを5×1018/cmドープしたGaNよりなる単結晶を150μmの膜厚で
成長させたGaN基板10を用意する。このGaN基板10の上に実施例1と同
様にして、n側バッファ層11を成長させる。
S on a substrate made of sapphire (C-plane) through a buffer layer made of GaN.
A GaN substrate 10 is prepared by growing a single crystal of GaN doped with i at 5 × 10 18 / cm 3 to a thickness of 150 μm. An n-side buffer layer 11 is grown on the GaN substrate 10 in the same manner as in the first embodiment.

(クラック防止層19)
n側バッファ層11成長後、温度を800℃にして、原料ガスにTMG、TM
I、アンモニア、不純物ガスにシランガスを用い、Siを5×1018/cm
ープしたIn0.1Ga0.9Nよりなるクラック防止層19を500オングス
トロームの膜厚で成長させる。このクラック防止層19はInを含むn型の窒化
物半導体、好ましくはInGaNで成長させることにより、Alを含む窒化物半
導体層中にクラックが入るのを防止することができる。なおこのクラック防止層
は100オングストローム以上、0.5μm以下の膜厚で成長させることが好ま
しい。100オングストロームよりも薄いと前記のようにクラック防止として作
用しにくく、0.5μmよりも厚いと、結晶自体が黒変する傾向にある。
(Crack prevention layer 19)
After the growth of the n-side buffer layer 11, the temperature is set to 800 ° C. and the source gases are TMG, TM
A crack prevention layer 19 made of In 0.1 Ga 0.9 N doped with Si at 5 × 10 18 / cm 3 is grown to a thickness of 500 Å using silane gas as I, ammonia, and impurity gas. The crack prevention layer 19 can be prevented from being cracked in the nitride semiconductor layer containing Al by growing it with an n-type nitride semiconductor containing In, preferably InGaN. The crack prevention layer is preferably grown with a film thickness of 100 Å or more and 0.5 μm or less. If it is thinner than 100 angstroms, it is difficult to act as a crack prevention as described above, and if it is thicker than 0.5 μm, the crystal itself tends to turn black.

クラック防止層19成長後、実施例1と同様にして、変調ドープされた超格子
よりなるn側クラッド層12と、アンドープn側光ガイド層13を成長させる。
After the growth of the crack prevention layer 19, an n-side cladding layer 12 made of a modulation-doped superlattice and an undoped n-side light guide layer 13 are grown in the same manner as in Example 1.

(n側キャップ層20)
続いてTMG、TMA、アンモニア、シランガスを用い、n側光ガイド層13
よりもバンドギャップエネルギーが大きい、Siを5×1018/cmドープし
たn型Al0.3Ga0.7Nよりなるn側キャップ層20を300オングスト
ロームの膜厚で成長させる。
(N-side cap layer 20)
Subsequently, using TMG, TMA, ammonia and silane gas, the n-side light guide layer 13 is used.
An n-side cap layer 20 made of n-type Al 0.3 Ga 0.7 N doped with Si 5 × 10 18 / cm 3 and having a larger band gap energy is grown to a thickness of 300 Å.

後は実施例1と同様にして活性層14、p側キャップ層15、アンドープp側
光ガイド層16、変調ドープされた超格子よりなるp側クラッド層17、p側コ
ンタクト層18を成長させる。
Thereafter, an active layer 14, a p-side cap layer 15, an undoped p-side light guide layer 16, a p-side cladding layer 17 made of a modulation-doped superlattice, and a p-side contact layer 18 are grown in the same manner as in Example 1.

窒化物半導体層成長後、同様にしてアニーリングを行い、p型不純物をドープ
した層をさらに低抵抗化させ、アニーリング後、図3に示すように最上層のp側
コンタクト層18と、p側クラッド層17とをエッチングして、4μmのストラ
イプ幅を有するリッジ形状とする。
After the growth of the nitride semiconductor layer, annealing is performed in the same manner to further reduce the resistance of the layer doped with the p-type impurity. After annealing, the uppermost p-side contact layer 18 and the p-side cladding as shown in FIG. The layer 17 is etched to form a ridge shape having a stripe width of 4 μm.

リッジ形成後、p側コンタクト層18のリッジ最表面にNi/Auよりなるp
電極21をストライプ状に形成し、p電極21以外の最表面の窒化物半導体層の
にSiOよりなる絶縁膜25を形成し、この絶縁膜25を介してp電極21と
電気的に接続したpパッド電極22を形成する。
After the ridge is formed, the p-side contact layer 18 has a p-side made of Ni / Au on the ridge outermost surface.
The electrode 21 is formed in a stripe shape, and an insulating film 25 made of SiO 2 is formed on the outermost nitride semiconductor layer other than the p electrode 21, and is electrically connected to the p electrode 21 through the insulating film 25. A p-pad electrode 22 is formed.

以上のようにして、p電極を形成したウェーハを研磨装置に移送し、サファイ
ア基板を研磨により除去し、GaN基板10の表面を露出させる。露出したGa
N基板表面のほぼ全面にTi/Alよりなるn電極23を形成する。
As described above, the wafer on which the p-electrode is formed is transferred to a polishing apparatus, the sapphire substrate is removed by polishing, and the surface of the GaN substrate 10 is exposed. Exposed Ga
An n electrode 23 made of Ti / Al is formed on almost the entire surface of the N substrate.

電極形成後GaN基板のM面(窒化物半導体を六方晶系で近似した場合に六角
柱の側面に相当する面)で劈開し、その劈開面にSiOとTiOよりなる誘
電体多層膜を形成し、最後にp電極に平行な方向で、バーを切断してレーザ素子
とする。このレーザ素子も同様に室温において連続発振を示し、実施例1とほぼ
同等の特性を示した。
After electrode formation, the GaN substrate is cleaved at the M-plane (the plane corresponding to the side of the hexagonal column when the nitride semiconductor is approximated by a hexagonal system), and a dielectric multilayer film made of SiO 2 and TiO 2 is formed on the cleaved surface. Finally, the bar is cut in a direction parallel to the p-electrode to form a laser element. Similarly, this laser element also showed continuous oscillation at room temperature and exhibited almost the same characteristics as in Example 1.

[実施例3]
実施例1において、n側バッファ層11成長後、実施例2と同様にしてクラッ
ク防止層19を成長させる。次にそのクラック防止層の上に、Siを1×10
/cmドープしたAl0.3Ga0.7N層単一層のみよりなるn側クラッド
層12を0.4μmの膜厚で成長させる。後は実施例1と同様にして、レーザ素
子を作製したところ、同じく室温でレーザ発振を示したが、寿命は実施例1のレ
ーザ素子よりも若干短くなった。
[Example 3]
In Example 1, after growing the n-side buffer layer 11, the crack prevention layer 19 is grown in the same manner as in Example 2. Next, on the crack prevention layer, Si is 1 × 10 1.
An n-side clad layer 12 made of only a single layer of Al 0.3 Ga 0.7 N layer doped with 9 / cm 3 is grown to a thickness of 0.4 μm. After that, when a laser element was fabricated in the same manner as in Example 1, laser oscillation was similarly exhibited at room temperature, but the lifetime was slightly shorter than that of the laser element of Example 1.

[実施例4]
実施例1において、p側クラッド層17成長時に、Mgを1×1020/cm
ドープしたAl0.3Ga0.7N層単一層を0.4μmの膜厚で成長させる他
は、実施例1と同様にして、レーザ素子を作製したところ、同じく室温でレーザ
発振を示したが、寿命は実施例1のレーザ素子よりも若干短くなった。
[Example 4]
In Example 1, Mg was 1 × 10 20 / cm 3 during the growth of the p-side cladding layer 17.
A laser device was fabricated in the same manner as in Example 1 except that a single layer of doped Al 0.3 Ga 0.7 N layer was grown to a thickness of 0.4 μm. However, the lifetime was slightly shorter than that of the laser device of Example 1.

[実施例5]
実施例1において、n側クラッド層12を超格子構造とせずに、Siを1×1
18/cmドープしたAl0.2Ga0.8N層0.4μmとする。また、p
側クラッド層も同様に超格子構造とせず、Mgを1×1020/cmドープした
Al0.2Ga0.8N層0.4μmとする。代わりに、n側光ガイド層13を
アンドープIn0.01Ga0.99N層30オングストロームと、Siを1×
1017/cmドープしたGaN層30オングストロームとを積層した総膜厚0
.12μmの超格子構造とし、p側光ガイド層16をアンドープIn0.01
0.99N層30オングストロームと、Mgを1×1017/cmドープした
GaN層30オングストロームとを積層した総膜厚0.12μmの超格子構造と
する他は実施例1と同様にしてレーザ素子を作製したところ、同じく室温でレー
ザ発振を示したが、寿命は実施例1のレーザ素子よりも若干短くなった。
[Example 5]
In Example 1, the n-side cladding layer 12 does not have a superlattice structure, and Si is 1 × 1.
An Al 0.2 Ga 0.8 N layer doped with 0 18 / cm 3 is 0.4 μm. P
Similarly, the side clad layer does not have a superlattice structure, and an Al 0.2 Ga 0.8 N layer doped with 1 × 10 20 / cm 3 of Mg is 0.4 μm. Instead, the n-side light guide layer 13 is made of undoped In 0.01 Ga 0.99 N layer 30 Å, and Si is 1 ×
Total thickness of 10 17 / cm 3 doped GaN layer 30 angstroms stacked
. A superlattice structure of 12 μm is used, and the p-side light guide layer 16 is undoped In 0.01 G
a 0.99 N layer 30 angstrom and Mg layer 1 × 10 17 / cm 3 doped GaN layer 30 angstrom laminated to form a superlattice structure with a total film thickness of 0.12 μm. When the laser element was manufactured, the laser oscillation was also exhibited at room temperature, but the lifetime was slightly shorter than that of the laser element of Example 1.

[実施例6]
実施例1において、n側バッファ層11を形成する際、アンドープGaN層を
30オングストロームと、Siを1×1019/cmドープしたAl0.05
0.95N層を30オングストロームとを積層した総膜厚1.2μmの超格子
層とする。後は実施例1と同様にして、n側クラッド層12から上の層を成長さ
せ、レーザ素子とする。但しn電極を形成する際、エッチングにより露出させる
面は、前述の1.2μmの超格子層の中間とし、その超格子層にn電極を形成す
る。このレーザ素子も同様に室温において連続発振し、閾値は実施例1のものに
比較して若干低下し、寿命は1000時間以上であった。
[Example 6]
In Example 1, when forming the n-side buffer layer 11, the undoped GaN layer was 30 Å, and Si was doped with Al 0.05 G doped with 1 × 10 19 / cm 3.
a 0.95 N layer is formed as a superlattice layer having a total thickness of 1.2 μm formed by stacking 30 Å Thereafter, in the same manner as in Example 1, the upper layer from the n-side cladding layer 12 is grown to form a laser element. However, when forming the n-electrode, the surface exposed by etching is in the middle of the above-mentioned 1.2 μm superlattice layer, and the n-electrode is formed on the superlattice layer. Similarly, this laser element also oscillated continuously at room temperature, the threshold value was slightly lower than that of Example 1, and the lifetime was 1000 hours or more.

[実施例7]
図4は本発明の他の実施例に係るレーザ素子の構造を示す模式的な断面図であ
り、他の図面と同一符号は同一層を示している。以下、この図を基に実施例7に
ついて説明する。
[Example 7]
FIG. 4 is a schematic cross-sectional view showing the structure of a laser device according to another embodiment of the present invention. The same reference numerals as those in the other drawings indicate the same layers. Hereinafter, Example 7 is demonstrated based on this figure.

実施例1と同じく、2インチφ、(0001)C面を主面とするサファイア基
板30の上に500℃にて、GaNよりなるバッファ層(図示せず)を200オ
ングストロームの膜厚で成長させた後、温度を1050℃にしてアンドープGa
N層31を5μm膜厚で成長させる。尚、この成長させる膜厚は、5μmに限定
されるものではなく、バッファ層よりも厚い膜厚で成長させて、10μm以下の
膜厚に調整することが望ましい。基板はサファイアの他、SiC、ZnO、スピ
ネル、GaAs等窒化物半導体を成長させるために知られている、窒化物半導体
と異なる材料よりなる基板を用いることができる。
As in Example 1, a buffer layer (not shown) made of GaN is grown to a thickness of 200 angstroms at 500 ° C. on a sapphire substrate 30 having a 2 inch φ, (0001) C plane as the main surface. After that, the temperature is set to 1050 ° C. and undoped Ga
The N layer 31 is grown to a thickness of 5 μm. Note that the film thickness to be grown is not limited to 5 μm, and it is desirable to grow the film thicker than the buffer layer and adjust the film thickness to 10 μm or less. As the substrate, a substrate made of a material different from a nitride semiconductor, which is known for growing a nitride semiconductor such as SiC, ZnO, spinel, GaAs, or the like, can be used.

次にこのアンドープGaN層31成長後、ウェーハを反応容器から取り出し、
このGaN層31の表面に、ストライプ状のフォトマスクを形成し、CVD装置
によりストライプ幅20μm、ストライプ間隔(窓部)5μmのSiOよりな
る保護膜32を0.1μmの膜厚で形成する。図4はストライプの長軸方向に垂
直な方向で切断した際の部分的なウェーハの構造を示す模式断面図である。保護
膜の形状としてはストライプ状、ドット状、碁盤目状等どのような形状でも良い
が、アンドープGaN層31の露出部分、即ち保護膜が形成されていない部分(
窓部)よりも保護膜の面積を大きくする方が、結晶欠陥の少ないGaN基板10
を成長させやすい。保護膜の材料としては、例えば酸化ケイ素(SiO)、窒
化ケイ素(Si)、酸化チタン(TiO)、酸化ジルコニウム(ZrO
)等の酸化物、窒化物、またこれらの多層膜の他、1200℃以上の融点を有
する金属等を用いることができる。これらの保護膜材料は、窒化物半導体の成長
温度600℃〜1100℃の温度にも耐え、その表面に窒化物半導体が成長しな
いか、成長しにくい性質を有している。
Next, after this undoped GaN layer 31 grows, the wafer is taken out of the reaction vessel,
A striped photomask is formed on the surface of the GaN layer 31, and a protective film 32 made of SiO 2 having a stripe width of 20 μm and a stripe interval (window portion) of 5 μm is formed to a thickness of 0.1 μm by a CVD apparatus. FIG. 4 is a schematic cross-sectional view showing a partial wafer structure when cut in a direction perpendicular to the major axis direction of the stripe. The shape of the protective film may be any shape such as a stripe shape, a dot shape, or a grid shape, but the exposed portion of the undoped GaN layer 31, that is, the portion where the protective film is not formed (
The GaN substrate 10 with fewer crystal defects is formed by increasing the area of the protective film than the window portion).
Easy to grow. Examples of the material for the protective film include silicon oxide (SiO X ), silicon nitride (Si X N Y ), titanium oxide (TiO X ), and zirconium oxide (ZrO).
In addition to oxides and nitrides such as X 2 ), and multilayer films thereof, metals having a melting point of 1200 ° C. or higher can be used. These protective film materials can withstand the nitride semiconductor growth temperature of 600 ° C. to 1100 ° C., and the nitride semiconductor does not grow or hardly grow on the surface thereof.

保護膜32形成後、ウェーハを再度反応容器内にセットし、1050℃で、ア
ンドープGaNよりなるGaN基板10となるGaN層を10μmの膜厚に成長
させる。成長させるGaN層の好ましい成長膜厚は、先に形成した保護膜32の
膜厚、大きさによっても異なるが、保護膜32の表面を覆うように保護膜上部に
おいて横方向(厚さ方向に垂直な方向)にも成長するように十分の厚さに成長さ
せる。このように窒化物半導体が成長しにくい性質を有する保護膜32の表面上
に、横方向にGaN層を成長させる手法でGaN基板10を成長させると、最初
は保護膜32の上にはGaN層が成長せず、窓部のアンドープGaN層31の上
にGaN層が選択成長される。続いてGaN層の成長を続けると、GaN層が横
方向に成長して、保護膜32の上に覆いかぶさって行き、隣接した窓から成長し
たGaN層同士でつながって、保護膜32の上にGaN層が成長したかのような
状態となる。つまり、GaN層31上に保護膜32を介してGaN層を横方向に
成長させる。ここで、重要なことは、サファイヤ基板30の上に成長されている
GaN層31の結晶欠陥と、保護膜32の上に成長されているGaN基板10と
の結晶欠陥の数である。すなわち、異種基板と窒化物半導体との格子定数のミス
マッチにより、異種基板の上に成長される窒化物半導体には非常に多くの結晶欠
陥が発生し、この結晶欠陥は順次上層に形成される窒化物半導体成長中を、表面
まで伝わる。一方、本実施例7のように、保護膜32上に横方向に成長されたG
aN基板10は、異種基板上に直接成長したものではなく、隣接する窓から成長
させたGaN層が、保護膜32上に横方向に成長することにより成長中につなが
ったものであるため、結晶欠陥の数は異種基板から直接成長したものに比べて非
常に少なくなる。従って、異種基板上に成長された窒化物半導体層の上に、部分
的に形成された保護膜を形成して、その保護膜上に横方向に成長されてなるGa
N層を基板とすることにより、実施例1のGaN基板に比較して、はるかに結晶
欠陥の少ないGaN基板が得られる。実際、アンドープGaN層31の結晶欠陥
は1010/cm以上あるが、この実施例7の方法によるGaN基板10の結晶
欠陥は10/cm以下に減少させることができる。
After forming the protective film 32, the wafer is set again in the reaction vessel, and a GaN layer to be the GaN substrate 10 made of undoped GaN is grown to a thickness of 10 μm at 1050 ° C. The preferred growth thickness of the GaN layer to be grown varies depending on the thickness and size of the protective film 32 formed earlier, but in the lateral direction (perpendicular to the thickness direction) above the protective film so as to cover the surface of the protective film 32 Grow to a sufficient thickness so that it grows in any direction. When the GaN substrate 10 is grown on the surface of the protective film 32 having the property that the nitride semiconductor is difficult to grow in this manner by growing the GaN layer in the lateral direction, the GaN layer is initially formed on the protective film 32. The GaN layer is selectively grown on the undoped GaN layer 31 in the window. Subsequently, when the growth of the GaN layer is continued, the GaN layer grows in the lateral direction, covers the protective film 32, and is connected with the GaN layers grown from the adjacent windows. The state is as if the GaN layer has grown. That is, a GaN layer is grown in the lateral direction on the GaN layer 31 via the protective film 32. Here, what is important is the number of crystal defects of the GaN layer 31 grown on the sapphire substrate 30 and the crystal defects of the GaN substrate 10 grown on the protective film 32. That is, due to the mismatch of the lattice constant between the heterogeneous substrate and the nitride semiconductor, a very large number of crystal defects are generated in the nitride semiconductor grown on the heterogeneous substrate, and these crystal defects are formed in the upper layer sequentially. It is transmitted to the surface during the growth of physical semiconductors. On the other hand, as in the seventh embodiment, G grown laterally on the protective film 32 is formed.
Since the aN substrate 10 is not directly grown on a different kind of substrate, a GaN layer grown from an adjacent window is connected to the protective film 32 while growing in a lateral direction. The number of defects is very small compared to those grown directly from different substrates. Therefore, a partially formed protective film is formed on the nitride semiconductor layer grown on the heterogeneous substrate, and is grown laterally on the protective film.
By using the N layer as the substrate, a GaN substrate with much fewer crystal defects than the GaN substrate of Example 1 can be obtained. Actually, the crystal defect of the undoped GaN layer 31 is 10 10 / cm 2 or more, but the crystal defect of the GaN substrate 10 by the method of Example 7 can be reduced to 10 6 / cm 2 or less.

以上のようにしてGaN基板10を形成した後、該GaN基板上に実施例1と
同様にしてSiを1×1018/cmドープしたGaNよりなるn側バッファ層
、件コンタクト層11を5μmの膜厚で成長させた後、実施例2と同様にして、
Siを5×1018/cmドープしたIn0.1Ga0.9Nよりなるクラック
防止層19を500オングストロームの膜厚で成長させる。尚、クラック防止層
19は省略することもできる。
After the GaN substrate 10 is formed as described above, an n-side buffer layer made of GaN doped with Si at 1 × 10 18 / cm 3 is formed on the GaN substrate in the same manner as in Example 1, and the contact layer 11 is 5 μm. In the same manner as in Example 2,
A crack preventing layer 19 made of In 0.1 Ga 0.9 N doped with 5 × 10 18 / cm 3 of Si is grown to a thickness of 500 Å. The crack preventing layer 19 can be omitted.

(中央部が高不純物濃度の超格子構造のn側クラッド層12)
次に、1050℃で、TMG、アンモニアガスを用い、アンドープGaN層を
20オングストロームの膜厚で成長させることにより、バンドギャップエネルギ
ーの小さい第2の窒化物半導体層を形成する。次に同温度にて、TMAを追加し
アンドープAl0.1Ga0.9N層を5オングストローム成長させ、続いてシ
ランガスを追加しSiを1×1019/cmドープしたAl0.1Ga0.9
層を20オングストロームの膜厚で成長させた後、Siを止めてアンドープAl
0.1Ga0.9N層をさらに5オングストロームの膜厚で成長させることによ
り、バンドギャップエネルギーの大きい厚さ30μmの第1の窒化物半導体層を
形成する。以後同様にして、第2の窒化物半導体層と第1の窒化物半導体層とを
交互に繰り返し形成する。尚、実施例7では、第2の窒化物半導体層と第1の窒
化物半導体層とがそれぞれ120層になるように積層し、0.6μm厚の、超格
子構造よりなるn側クラッド層12を形成する。
(N-side cladding layer 12 having a superlattice structure with a high impurity concentration at the center)
Next, using TMG and ammonia gas at 1050 ° C., a second nitride semiconductor layer having a small band gap energy is formed by growing an undoped GaN layer with a thickness of 20 Å. Next, at the same temperature, TMA is added to grow an undoped Al 0.1 Ga 0.9 N layer by 5 Å, and then silane gas is added to add Si 0.1 × 10 19 / cm 3 doped Al 0.1 Ga. 0.9 N
After the layer is grown to a thickness of 20 Angstroms, Si is stopped and undoped Al
A 0.1 Ga 0.9 N layer is further grown to a thickness of 5 Å to form a first nitride semiconductor layer having a large band gap energy and a thickness of 30 μm. Thereafter, similarly, the second nitride semiconductor layer and the first nitride semiconductor layer are alternately and repeatedly formed. In Example 7, the second nitride semiconductor layer and the first nitride semiconductor layer are stacked so as to be 120 layers, respectively, and the n-side cladding layer 12 having a superlattice structure having a thickness of 0.6 μm is formed. Form.

次に、実施例1と同様にして、n側光ガイド層13、活性層14、p側キャッ
プ層15、p側光ガイド層16を順に成長させる。
Next, in the same manner as in Example 1, the n-side light guide layer 13, the active layer 14, the p-side cap layer 15, and the p-side light guide layer 16 are grown in this order.

(中央部が高不純物濃度の超格子構造のp側クラッド層17)
次に、1050℃で、TMG、アンモニアガスを用い、アンドープGaN層を
20オングストロームの膜厚で成長させることにより、バンドギャップエネルギ
ーの小さい第4の窒化物半導体層を形成する。次に同温度にて、TMAを追加し
アンドープAl0.1Ga0.9N層を5オングストローム成長させ、続いてC
Mgを追加しMgを1×1020/cmドープしたAl0.1Ga0.9
層を20オングストロームの膜厚で成長させた後、CpMgを止めてアンドー
プAl0.1Ga0.9N層をさらに5オングストロームの膜厚で成長させるこ
とにより、バンドギャップエネルギーの大きい厚さ30μmの第3の窒化物半導
体層を形成する。以後同様にして、第4の窒化物半導体層と第3の窒化物半導体
層とを交互に繰り返し形成する。尚、実施例7では、第4の窒化物半導体層と第
3の窒化物半導体層とがそれぞれ120層になるように積層し、0.6μm厚の
、超格子構造よりなるn側クラッド層17を形成する。
(P-side cladding layer 17 having a superlattice structure with a high impurity concentration at the center)
Next, by using TMG and ammonia gas at 1050 ° C., an undoped GaN layer is grown to a thickness of 20 Å to form a fourth nitride semiconductor layer having a small band gap energy. Next, at the same temperature, TMA is added to grow an undoped Al 0.1 Ga 0.9 N layer by 5 Å, and then C
Al 0.1 Ga 0.9 N doped with 1 × 10 20 / cm 3 of Mg by adding p 2 Mg
After the layer is grown to a thickness of 20 Å, Cp 2 Mg is stopped and an undoped Al 0.1 Ga 0.9 N layer is further grown to a thickness of 5 Å, thereby increasing the thickness of the band gap energy. A 30 μm third nitride semiconductor layer is formed. Thereafter, similarly, the fourth nitride semiconductor layer and the third nitride semiconductor layer are alternately and repeatedly formed. In Example 7, the fourth nitride semiconductor layer and the third nitride semiconductor layer are stacked so as to be 120 layers each, and the n-side cladding layer 17 having a superlattice structure having a thickness of 0.6 μm is formed. Form.

そして最後に、実施例1と同様にしてp側コンタクト層18を成長させた後、
ウェーハを反応容器から取り出し、アニーリングを行った後、エッチングを行い
p側クラッド層17以上の層をストライプ状のリッジ形状とする。
Finally, after growing the p-side contact layer 18 in the same manner as in Example 1,
The wafer is taken out from the reaction vessel, annealed, and then etched to form a layer of the p-side cladding layer 17 or more in a striped ridge shape.

次に図4に示すようにリッジに対して、左右対称にエッチングを行い、n電極
23を形成すべきn側バッファ層表面を露出させ、n電極23を形成し、一方p
側コンタクト層18のリッジ最表面にもp電極21をストライプ状に形成する。
後は実施例1と同様にして、レーザ素子を作製したところ、実施例1のものに比
較して閾値で、電流密度、電圧でおよそ10%低下し、波長405nmの連続発
振寿命は、2000時間以上の寿命を示した。これはGaN基板10に結晶欠陥
の少ないものを使用したことによる、窒化物半導体の結晶性の向上によるものが
多大である。なお図4において、GaN基板10を例えば80μm以上の膜厚で
成長させた場合には、異種基板30〜保護膜32は除去することも可能である。
Next, as shown in FIG. 4, etching is performed symmetrically with respect to the ridge so as to expose the surface of the n-side buffer layer on which the n-electrode 23 is to be formed, thereby forming the n-electrode 23, while p
A p-electrode 21 is also formed in a stripe shape on the ridge outermost surface of the side contact layer 18.
After that, a laser device was manufactured in the same manner as in Example 1. As a result, the current density and voltage were reduced by about 10% as compared with those in Example 1, and the continuous oscillation lifetime at a wavelength of 405 nm was 2000 hours. The above life was shown. This is largely due to the improvement in crystallinity of the nitride semiconductor due to the use of the GaN substrate 10 having few crystal defects. In FIG. 4, when the GaN substrate 10 is grown to a thickness of, for example, 80 μm or more, the heterogeneous substrate 30 to the protective film 32 can be removed.

[実施例8]
実施例7において、n側クラッド層12を成長させる際、中央部を高不純物濃
度とせず、通常のアンドープGaN層を20オングストロームと、Siを1×1
19/cmドープしたAl0.1Ga0.9N層を20オングストロームとを
積層し、総膜厚0.6μmの超格子構造とする。
[Example 8]
In Example 7, when the n-side cladding layer 12 was grown, the central portion was not made high in impurity concentration, the normal undoped GaN layer was 20 angstroms, and Si was 1 × 1.
An Al 0.1 Ga 0.9 N layer doped with 0 19 / cm 3 is laminated with 20 angstroms to form a superlattice structure with a total film thickness of 0.6 μm.

一方、p側クラッド層17を成長させる際も、中央部を高不純物濃度とせずに
、アンドープGaN層を20オングストロームと、Mgを1×1020/cm
ープしたAl0.1Ga0.9N層を20オングストロームとを積層し、総膜厚
0.6μmの超格子構造とする他は実施例7と同様にしてレーザ素子を作製した
ところ、実施例7のものに比較して、若干閾値は低下したが、寿命はほぼ同じ2
000時間以上を示した。
On the other hand, when the p-side cladding layer 17 is grown, Al 0.1 Ga 0.9 doped with 20 angstroms of undoped GaN layer and 1 × 10 20 / cm 3 of Mg without making the central portion high impurity concentration. A laser element was fabricated in the same manner as in Example 7 except that the N layer was stacked with 20 angstroms to form a superlattice structure with a total film thickness of 0.6 μm. Lifespan is almost the same 2
More than 000 hours.

[実施例9]
実施例7において、n側クラッド層12を成長させる際、Siを1×1019
/cmドープしたGaN層を25オングストロームと、アンドープAl0.1
0.9N層を25オングストロームとを交互に積層し、総膜厚0.6μmの超
格子構造とする。一方、p側クラッド層17を成長させる際も、Mgを1×10
20/cmドープしたGaN層を25オングストロームと、アンドープAl0.
Ga0.9N層を25オングストロームとを交互に積層し、総膜厚0.6μm
の超格子構造とする他は実施例7と同様にしてレーザ素子を作製したところ、実
施例7のものとほぼ同等の特性、寿命を有するレーザ素子が得られた。
[Example 9]
In Example 7, when the n-side cladding layer 12 was grown, 1 × 10 19 Si was used.
/ Cm 3 doped GaN layer with 25 Å and undoped Al 0.1 G
A 0.9 N layer is alternately laminated with 25 angstroms to form a superlattice structure with a total film thickness of 0.6 μm. On the other hand, when the p-side cladding layer 17 is grown, 1 × 10 Mg is used.
20 / cm 3 doped GaN layer with 25 Å and undoped Al 0.
1 Ga 0.9 N layers are stacked alternately with 25 angstroms, and the total film thickness is 0.6 μm.
A laser element was fabricated in the same manner as in Example 7 except that the superlattice structure was used. As a result, a laser element having substantially the same characteristics and life as that of Example 7 was obtained.

[実施例10]
実施例7において、n側クラッド層12を成長させる際、Siを1×1019
/cmドープしたGaN層を25オングストロームと、Siを1×1017/cm
ドープしたAl0.1Ga0.9N層を25オングストロームとを交互に積層
し、総膜厚0.6μmの超格子構造とする。一方、p側クラッド層17を成長さ
せる際も、Mgを1×1020/cmドープしたGaN層を25オングストロー
ムと、Mgを1×1018/cmドープしたAl0.1Ga0.9N層を25オ
ングストロームとを交互に積層し、総膜厚0.6μmの超格子構造とする他は実
施例7と同様にしてレーザ素子を作製したところ、実施例7のものとほぼ同等の
特性、寿命を有するレーザ素子が得られた。
[Example 10]
In Example 7, when the n-side cladding layer 12 was grown, 1 × 10 19 Si was used.
/ Cm 3 doped GaN layer with 25 Å and Si with 1 × 10 17 / cm
Three- doped Al 0.1 Ga 0.9 N layers are alternately stacked with 25 Å to form a superlattice structure with a total film thickness of 0.6 μm. On the other hand, when the p-side cladding layer 17 is grown, a GaN layer doped with 1 × 10 20 / cm 3 of Mg is 25 angstroms and Al 0.1 Ga 0.9 doped with 1 × 10 18 / cm 3 of Mg. A laser device was fabricated in the same manner as in Example 7 except that the N layer was alternately laminated with 25 angstroms to obtain a superlattice structure with a total film thickness of 0.6 μm. A laser device having a lifetime was obtained.

[実施例11]
実施例7において、n側クラッド層を超格子構造とせずに、Siを1×10
/cmドープしたAl0.1Ga0.9N層を0.6μmの膜厚で成長させる
。一方、p側クラッド層17を成長させる際は、Mgを1×1020/cmドー
プしたGaN層を25オングストロームと、1×1018/cmドープしたAl
0.1Ga0.9N層を25オングストロームとを交互に積層し、総膜厚0.6
μmの超格子構造とする他は実施例7と同様にしてレーザ素子を作製したところ
、実施例7に比較して閾値は若干上昇したが同じく1000時間以上の寿命を示
した。
[Example 11]
In Example 7, without using the superlattice structure for the n-side cladding layer, Si was 1 × 10 1.
A 9 / cm 3 doped Al 0.1 Ga 0.9 N layer is grown to a thickness of 0.6 μm. On the other hand, when the p-side cladding layer 17 is grown, a GaN layer doped with 1 × 10 20 / cm 3 of Mg is 25 Å and Al doped with 1 × 10 18 / cm 3.
0.1 Ga 0.9 N layers are alternately stacked with 25 angstroms, resulting in a total film thickness of 0.6.
A laser device was manufactured in the same manner as in Example 7 except that the superlattice structure was μm. The threshold value was slightly higher than that in Example 7, but the lifetime was also 1000 hours or longer.

[実施例12]
実施例7において、n側クラッド層、及びp側クラッド層の超格子における不
純物濃度を通常の変調ドープ(中央部が高濃度ではなく、層内ほぼ均一)とし、
n側バッファ層11を成長させる際に、Siを1×1019/cmドープしたA
0.05Ga0.95N層50オングストロームと、アンドープGaN層50
オングストロームとを交互に成長させ、総膜厚2μmの超格子層とする他は実施
例7と同様にしてレーザ素子を作製したところ、実施例7のものに比較して、閾
値が若干低下し、寿命は3000時間以上を示した。
[Example 12]
In Example 7, the impurity concentration in the superlattice of the n-side cladding layer and the p-side cladding layer is set to a normal modulation dope (the central portion is not high concentration, and the layer is substantially uniform),
When growing the n-side buffer layer 11, A doped with Si at 1 × 10 19 / cm 3
l 0.05 Ga 0.95 N layer 50 Å and undoped GaN layer 50
A laser device was fabricated in the same manner as in Example 7 except that the angstroms were alternately grown to form a superlattice layer having a total film thickness of 2 μm. The threshold value was slightly reduced compared to that in Example 7, The lifetime was over 3000 hours.

[実施例13]
実施例7において、n側クラッド層12をアンドープGaN層20オングスト
ロームと、Siを1×1019/cmドープしたAl0.1Ga0.9N層20
オングストロームとを積層した総膜厚0.6μmの超格子構造とする。次のn側
光ガイド層13をSiを1×1019/cmドープしたGaN層25オングスト
ロームと、アンドープAl0.05Ga0.95N層25オングストロームとを
交互に成長させ、総膜厚0.1μmの超格子構造とする。
[Example 13]
In Example 7, the n-side cladding layer 12 is an undoped GaN layer 20 Å, and the Al 0.1 Ga 0.9 N layer 20 is doped with Si at 1 × 10 19 / cm 3.
A superlattice structure with a total film thickness of 0.6 μm is formed by stacking angstrom. The next n-side light guide layer 13 is grown alternately with a GaN layer 25 angstroms doped with Si 1 × 10 19 / cm 3 and an undoped Al 0.05 Ga 0.95 N layer 25 angstroms. .1 μm superlattice structure.

一方、p側光ガイド層も、Mgを1×1019/cmドープしたGaN層25
オングストロームと、アンドープAl0.05Ga0.95N層25オングスト
ロームとを交互に成長させ、総膜厚0.1μmの超格子構造とする。次に、p側
クラッド層17をアンドープGaN層20オングストロームと、Mgを1×10
20/cmドープしたAl0.1Ga0.9N層を20オングストロームとを交
互に積層した、総膜厚0.6μmの超格子構造とする他は、同様にしてレーザ素
子を作製したところ、実施例7のものに比較して、若干閾値は低下し、寿命は3
000時間以上を示した。
On the other hand, the p-side light guide layer is also a GaN layer 25 doped with 1 × 10 19 / cm 3 of Mg.
An angstrom and an undoped Al 0.05 Ga 0.95 N layer 25 angstrom are grown alternately to form a superlattice structure with a total film thickness of 0.1 μm. Next, the p-side cladding layer 17 is composed of an undoped GaN layer 20 angstroms, and Mg is 1 × 10
A laser device was fabricated in the same manner except that a 20 μm 3 doped Al 0.1 Ga 0.9 N layer was alternately stacked with a 20 Å superlattice structure with a total film thickness of 0.6 μm. Compared with that of Example 7, the threshold value is slightly lowered and the lifetime is 3
More than 000 hours.

[実施例14]
実施例14は、実施例7と同様、GaN基板10を用いて構成したレーザ素子
である。
すなわち、実施例14のレーザ素子は、実施例7と同様に構成されたGaN基
板10上に以下の各半導体層が形成されて構成される。
まず、そのGaN基板10の上にSiを1×1018/cm以上ドープした
n型GaNよりなるn側コンタクト層(n側の第2の窒化物半導体層)を2μm
の膜厚で成長させる。なお、この層をアンドープのGaNと、Siをドープした
AlGa1−XN(0<X≦0.4)からなる超格子層としても良い。
[Example 14]
Example 14 is a laser device configured using the GaN substrate 10 as in Example 7.
That is, the laser element of Example 14 is configured by forming the following semiconductor layers on a GaN substrate 10 configured in the same manner as in Example 7.
First, an n-side contact layer (n-side second nitride semiconductor layer) made of n-type GaN doped with Si of 1 × 10 18 / cm 3 or more is formed on the GaN substrate 10 at 2 μm.
Growing with a film thickness of Note that this layer and GaN undoped with, Si may be superlattice layer consisting of a doped Al X Ga 1-X N ( 0 <X ≦ 0.4).

次に、n側コンタクト層を成長させた後、温度を800℃にして、窒素雰囲気
中、TMG,TMI,アンモニア、シランガスで、Siを5×1018/cm
ドープしたIn0.1Ga0.9Nよりなるクラック防止層を500オングスト
ロームの膜厚で成長させる。このクラック防止層はInを含むn型の窒化物半導
体、好ましくはInGaNで成長させることにより、後に成長させるAlを含む
窒化物半導体層中にクラックが入るのを防止することができる。なおこのクラッ
ク防止層は100オングストローム以上、0.5μm以下の膜厚で成長させるこ
とが好ましい。100オングストロームよりも薄いと前記のようにクラック防止
として作用しにくく、0.5μmよりも厚いと、結晶自体が黒変する傾向にある
Next, after growing the n-side contact layer, the temperature is set to 800 ° C., and Si is 5 × 10 18 / cm 3 with TMG, TMI, ammonia, and silane gas in a nitrogen atmosphere.
A crack preventing layer made of doped In 0.1 Ga 0.9 N is grown to a thickness of 500 Å. This crack prevention layer can be prevented from being cracked in a nitride semiconductor layer containing Al to be grown later by growing it with an n-type nitride semiconductor containing In, preferably InGaN. The crack prevention layer is preferably grown with a film thickness of 100 Å or more and 0.5 μm or less. If it is thinner than 100 angstroms, it is difficult to act as a crack prevention as described above, and if it is thicker than 0.5 μm, the crystal itself tends to turn black.

続いて、1050℃でTMA、TMG、アンモニア、シランガスを用い、Si
を1×1019/cmドープしたn型Al0.2Ga0.8Nよりなる層を4
0オングストロームと、アンドープのGaN層を40オングストロームの膜厚で
成長させ、これらの層を交互に、それぞれ100層ずつ積層した、総膜厚0.8
μmの超格子よりなるn側クラッド層を成長させる。
Subsequently, using TMA, TMG, ammonia, silane gas at 1050 ° C., Si
4 of a layer made of n-type Al 0.2 Ga 0.8 N doped with 1 × 10 19 / cm 3
A total thickness of 0.8 Å and an undoped GaN layer were grown to a thickness of 40 Å, and these layers were alternately stacked 100 layers each.
An n-side cladding layer made of a μm superlattice is grown.

続いて、アンドープAl0.05Ga0.95Nよりなるn側光ガイド層を0
.1μmの膜厚で成長させる。この層には活性層の光を導波する光ガイド層とし
て作用し、アンドープの他、n型不純物をドープしても良い。またこの層をGa
NとAlGaNからなる超格子層とすることもできる。
Subsequently, an n-side light guide layer made of undoped Al 0.05 Ga 0.95 N is set to 0
. Growing with a film thickness of 1 μm. This layer acts as a light guide layer for guiding the light of the active layer, and may be doped with n-type impurities in addition to undoped. Also this layer is Ga
A superlattice layer made of N and AlGaN can also be used.

次に、アンドープIn0.01Ga0.99Nよりなる活性層を400オング
ストロームの膜厚で成長させる。
Next, an active layer made of undoped In 0.01 Ga 0.99 N is grown to a thickness of 400 Å.

次に、後で形成するp側光ガイド層よりもバンドキャップエネルギーが大きい
Mgを1×1019/cmドープしたp型Al0.2Ga0.8Nよりなるp
側キャップ層を300オングストロームの膜厚で成長させる。
Next, p made of p-type Al 0.2 Ga 0.8 N doped with 1 × 10 19 / cm 3 of Mg having a larger band cap energy than a p-side light guide layer to be formed later.
A side cap layer is grown to a thickness of 300 Å.

次に、バンドキャップエネルギーがp側キャップ層よりも小さい、Al0.0
Ga0.99Nよりなるp側光ガイド層を0.1μmの膜厚で成長させる。こ
の層は、活性層の光ガイド層として作用する。なお、このp側光ガイド層をアン
ドープの窒化物半導体よりなる超格子層とすることもできる。超格子層とする場
合にはバンドキャップエネルギーの大きな方の層(障壁層)のバンドキャップエ
ネルギーは活性層より大きく、p側クラッド層よりも小さくする。
Next, the band cap energy is smaller than that of the p-side cap layer, Al 0.0
A p-side light guide layer made of 1 Ga 0.99 N is grown to a thickness of 0.1 μm. This layer acts as a light guide layer for the active layer. The p-side light guide layer can be a superlattice layer made of an undoped nitride semiconductor. In the case of a superlattice layer, the band cap energy of the layer (barrier layer) having the larger band cap energy is larger than that of the active layer and smaller than that of the p-side cladding layer.

続いてMgを1×1019/cmドープしたp型Al0.2Ga0.8N層
を40オングストロームと、アンドープGaNを40オングストロームとを交互
に積層成長した総膜厚0.8μmの超格子層構造よりなるp側クラッド層を成長
させる。
Subsequently, 40 angstroms of p-type Al 0.2 Ga 0.8 N layer doped with 1 × 10 19 / cm 3 of Mg and 40 angstroms of undoped GaN are alternately stacked and grown to a total thickness of 0.8 μm. A p-side cladding layer having a lattice layer structure is grown.

最後に、p側クラッド層の上に、Mgを1×1020/cmドープしたp型
GaNよりなるp側コンタクト層を150オングストロームの膜厚で成長させる
。特にレーザ素子の場合、AlGaNを含む超格子構造のp側クラッド層に接し
て、バンドキャップエネルギーの小さい窒化物半導体をp側コンタクト層として
、その膜厚を500オングストローム以下と薄くしているために、実質的にp側
コンタクト層のキャリア濃度が高くなりp電極と好ましいオーミックが得られて
、素子の閾値電流、電圧が低下する傾向にある。
Finally, a p-side contact layer made of p-type GaN doped with 1 × 10 20 / cm 3 of Mg is grown on the p-side cladding layer to a thickness of 150 Å. In particular, in the case of a laser element, a nitride semiconductor having a small band cap energy is used as a p-side contact layer in contact with a p-side cladding layer having a superlattice structure containing AlGaN, and its thickness is reduced to 500 angstroms or less. The carrier concentration of the p-side contact layer is substantially increased, and a preferable ohmic with the p-electrode is obtained, and the threshold current and voltage of the device tend to decrease.

以上にようにして窒化物半導体を成長させたウェーハを所定の温度でアニーリ
ングを行いp型不純物をドープした層をさらに低抵抗化させた後、ウェーハを反
応容器から取り出し、RIE装置により最上層のp側コンタクト層と、p側クラ
ッド層とをエッチングして、4μmのストライプ幅を有するリッジ形状とする。
このように、活性層よりも上部にある層をストライプ状のリッジ形状とすること
により、活性層の発光がストライプリッジの下に集中するようになって閾値が低
下し、特に超格子層よりなるp側クラッド層以上の層をリッジ形状とすることが
好ましい。
After annealing the nitride semiconductor grown wafer as described above at a predetermined temperature to further reduce the resistance of the layer doped with the p-type impurity, the wafer is taken out of the reaction vessel and the uppermost layer is removed by an RIE apparatus. The p-side contact layer and the p-side cladding layer are etched to form a ridge shape having a stripe width of 4 μm.
Thus, by forming the layer above the active layer in a striped ridge shape, the emission of the active layer is concentrated under the stripe ridge, and the threshold value is lowered. The p-side cladding layer and higher layers are preferably ridge-shaped.

次にリッジ表面にマスクを形成し、RIEにてエッチングを行い、n側コンタ
クト層の表面を露出させ、TiとAlよりなるn電極をストライプ状に形成する
。一方p側コンタクト層のリッジ最表面にはNiとAuよりなるp電極をストラ
イプ状に形成する。p型GaN層と好ましいオーミックが得られる電極材料とし
ては、例えばNi,Pt,Pd,Ni/Au,Pt/Au,Pd/Au等を挙げ
ることができる。n型GaNと好ましいオーミックが得られる電極材料としては
Al、Ti,W,Cu,Zn,Sn,In等の金属若しくは合金等を挙げること
ができる。
Next, a mask is formed on the ridge surface, etching is performed by RIE, the surface of the n-side contact layer is exposed, and an n electrode made of Ti and Al is formed in a stripe shape. On the other hand, a p-electrode made of Ni and Au is formed in a stripe shape on the ridge outermost surface of the p-side contact layer. Examples of the electrode material that can provide a preferable ohmic with the p-type GaN layer include Ni, Pt, Pd, Ni / Au, Pt / Au, Pd / Au, and the like. Examples of the electrode material that can provide a preferable ohmic with n-type GaN include metals such as Al, Ti, W, Cu, Zn, Sn, and In, or alloys thereof.

次に、p電極と、n電極との間に露出した窒化物半導体層の表面にSiO
りなる絶縁膜を形成し、この絶縁膜を介してp電極と電気的に接続したpパッド
電極を形成する。このpパッド電極は実質的なp電極の表面積を広げて、p電極
側をワイヤーボンディング、ダイボンディングできるようにしている。
Next, an insulating film made of SiO 2 is formed on the surface of the nitride semiconductor layer exposed between the p electrode and the n electrode, and a p pad electrode electrically connected to the p electrode through the insulating film is formed. Form. This p pad electrode substantially increases the surface area of the p electrode so that the p electrode side can be wire bonded and die bonded.

以上のようにして、n電極とp電極とを形成したウェーハを研磨装置に移送し
、ダイヤモンド研磨剤を用いて、窒化物半導体を形成していない側のサファイア
基板をラッピングし、サファイア基板の厚さを70μmとする。ラッピング後、
さらに細かい研磨剤で1μmポリシングして基板表面を鏡面状とし、Au/Sn
で全面をメタライズする。
As described above, the wafer on which the n-electrode and the p-electrode are formed is transferred to a polishing apparatus, and the sapphire substrate on which the nitride semiconductor is not formed is wrapped with a diamond abrasive, The thickness is 70 μm. After wrapping
Polish the substrate with 1 μm with a fine abrasive to make the substrate surface mirror-like, and make Au / Sn
To metallize the entire surface.

その後、Au/Sn側をスクライプして、ストライプ状の電極に垂直な方向で
バー状に劈開し、劈開面に共振器を作製する、共振器面にSiOとTiO
りなる誘電体多層膜を形成し、最後にp電極に平行な方向で、バーを切断してレ
ーザチップとする。次にチップをフェースアップ(基板とヒートシンクとが対向
した状態)でヒートシンクに設置し、それぞれの電極をワイヤーボンディングし
て、室温でレーザ発振を試みたところ、室温において、閾値電流密度2.0kA
/cm、閾値電圧4.0Vで、発振波長368nmの連続発振が確認され、1
000時間以上の寿命を示した。
Thereafter, the Au / Sn side is scraped to cleave in a bar shape in a direction perpendicular to the striped electrode, and a resonator is formed on the cleavage surface. A dielectric multilayer film made of SiO 2 and TiO 2 on the resonator surface Finally, the bar is cut in a direction parallel to the p-electrode to form a laser chip. Next, the chip was placed face-up (with the substrate and the heat sink facing each other) on the heat sink, each electrode was wire bonded, and laser oscillation was attempted at room temperature. At room temperature, the threshold current density was 2.0 kA.
/ Cm 2 and a threshold voltage of 4.0 V, continuous oscillation with an oscillation wavelength of 368 nm was confirmed.
A lifetime of 000 hours or more was exhibited.

本発明に係る一実施形成のレーザ素子の構造を示す模式断面図。1 is a schematic cross-sectional view showing a structure of a laser element formed according to an embodiment of the present invention. 図1のレーザ素子の斜視図。The perspective view of the laser element of FIG. 本発明に係る実施例2のレーザ素子の構造を示す模式断面図。FIG. 6 is a schematic cross-sectional view showing the structure of a laser device of Example 2 according to the present invention. 本発明に係る実施例7のレーザ素子の構造を示す模式断面図。FIG. 10 is a schematic cross-sectional view showing the structure of a laser device of Example 7 according to the present invention.

符号の説明Explanation of symbols

10・・・GaN基板、
11・・・n側バッファ層、
12・・・超格子構造のn側クラッド層、
13・・・n側ガイド層、
14・・・活性層、
15・・・p側キャップ層、
16・・・p側ガイド層、
17・・・超格子構造のp側クラッド層、
18・・・p側コンタクト層、
19・・・クラック防止層、
20・・・n側キャップ層、
21・・・p電極、
22・・・pパッド電極、
23・・・n電極、
24・・・nパッド電極、
25・・・絶縁膜。
10 ... GaN substrate,
11 ... n-side buffer layer,
12: n-side cladding layer having a superlattice structure,
13 ... n-side guide layer,
14 ... active layer,
15 ... p-side cap layer,
16 ... p-side guide layer,
17 ... p-side cladding layer having a superlattice structure,
18... P-side contact layer,
19 ... crack prevention layer,
20 ... n-side cap layer,
21 ... p electrode,
22 ... p pad electrode,
23 ... n electrode,
24... N pad electrode,
25: Insulating film.

Claims (11)

活性層が、n導電側の窒化物半導体層とp導電側の窒化物半導体層との間に形成されてなる窒化物半導体素子であって、
前記n導電側の窒化物半導体層において、
前記活性層と離れた位置、若しくは接した位置に、互いにn型不純物濃度が異なり、GaN及びInGa1−zN(0<z<1)第1と第2の窒化物半導体層とが積層されてなるn側歪み超格子層を有することを特徴とする窒化物半導体素子。
A nitride semiconductor element in which an active layer is formed between a nitride semiconductor layer on the n-conductivity side and a nitride semiconductor layer on the p-conductivity side;
In the nitride semiconductor layer on the n conductive side,
In the active layer and remote location, or contact position, different n-type impurity concentration from each other, the first GaN and In z Ga 1-z N ( 0 <z <1) and the second nitride semiconductor layer A nitride semiconductor device comprising an n-side strained superlattice layer formed by laminating layers.
前記n側歪み超格子層において、前記第1の窒化物半導体層は、前記第2の窒化物半導体層より大きいバンドギャップエネルギーと前記第2の窒化物半導体層より大きいn型不純物濃度とを有する請求項記載の窒化物半導体素子。 In the n-side strained superlattice layer, the first nitride semiconductor layer has a band gap energy larger than that of the second nitride semiconductor layer and an n-type impurity concentration larger than that of the second nitride semiconductor layer. The nitride semiconductor device according to claim 1 . 前記第1の窒化物半導体層のn型不純物濃度が1×1017/cm〜1×1020/cm の範囲にあり、第2の窒化物半導体層のn型不純物濃度が1×1019/cm以下である請求項記載の窒化物半導体素子。 The n-type impurity concentration of the first nitride semiconductor layer is in the range of 1 × 10 17 / cm 3 to 1 × 10 20 / cm 3 , and the n-type impurity concentration of the second nitride semiconductor layer is 1 × 10 The nitride semiconductor device according to claim 2 , wherein the nitride semiconductor device is 19 / cm 3 or less. 前記n側歪み超格子層において、前記第1の窒化物半導体層は、前記第2の窒化物半導体層より大きいバンドギャップエネルギーと前記第2の窒化物半導体層より小さいn型不純物濃度とを有する請求項記載の窒化物半導体素子。 In the n-side strained superlattice layer, the first nitride semiconductor layer has a larger bandgap energy than the second nitride semiconductor layer and an n-type impurity concentration smaller than the second nitride semiconductor layer. The nitride semiconductor device according to claim 1 . 前記第1の窒化物半導体層のn型不純物濃度が1×1019/cm以下であり、前記第2の窒化物半導体層のn型不純物濃度が1×1017/cm〜1×1020/cmの範囲である請求項記載の窒化物半導体素子。 The n-type impurity concentration of the first nitride semiconductor layer is 1 × 10 19 / cm 3 or less, and the n-type impurity concentration of the second nitride semiconductor layer is 1 × 10 17 / cm 3 to 1 × 10. The nitride semiconductor device according to claim 4 , wherein the nitride semiconductor device is in a range of 20 / cm 3 . 前記第1の窒化物半導体層又は前記第2の窒化物半導体層のいずれか一方には、n型不純物がドープされていない請求項1〜のうちのいずれか1つに記載の窒化物半導体素子。 The first to one of the nitride semiconductor layer or said second nitride semiconductor layer, nitride according to any one of claims 1 to 5 in which n-type impurities are not doped semiconductor element. 前記活性層がInGaN層の量子井戸層を有する量子井戸構造である請求項1〜のいずれか1つに記載の窒化物半導体素子。 The nitride semiconductor device according to the active layer is any one of claims 1 to 6 is a quantum well structure having a quantum well layer of InGaN layer. 前記n側歪み超格子層は、前記n導電側の窒化物半導体層に設けられたn側コンタクト層と、前記活性層との間に設けられる請求項1〜のいずれか1つに記載の窒化物半導体素子。 The n-side strained superlattice layer is provided between the n-side contact layer provided in the nitride semiconductor layer on the n-conductive side and the active layer, according to any one of claims 1 to 7 . Nitride semiconductor device. 前記n側歪み超格子層は前記活性層に接して設けられる請求項9記載の窒化物半導体素子。 The nitride semiconductor device according to claim 9, wherein the n-side strained superlattice layer is provided in contact with the active layer. 前記窒化物半導体素子は、n側クラッド層を有するLED素子であり、The nitride semiconductor element is an LED element having an n-side cladding layer,
前記n側歪み超格子層が該n側クラッド層である請求項8又は9記載の窒化物半導体素子。The nitride semiconductor device according to claim 8, wherein the n-side strained superlattice layer is the n-side cladding layer.
前記窒化物半導体素子は、前記活性層がp側クラッド層とn側クラッド層の間に位置するレーザ発振素子であって、
記n側クラッド層が、前記n側歪み超格子層である請求項1〜のうちのいずれか1つに記載の窒化物半導体素子。
The nitride semiconductor element is a laser oscillation element in which the active layer is located between a p-side cladding layer and an n-side cladding layer,
Before Symbol n-side cladding layer, a nitride semiconductor device according to any one of claims 1-9 wherein an n-side strained superlattice layer.
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