JP5108532B2 - 窒化物半導体発光装置 - Google Patents
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Description
本発明は窒化物半導体発光装置に関する。
窒化ガリウム（ＧａＮ）をはじめとするＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体材料（ＡｌxＧａyＩｎ1-x-yＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１））を用いて製造される青紫色半導体レーザは、光ディスク装置による超高密度記録を実現するためのキーデバイスであり、現在、実用レベルに達しつつある。青紫色半導体レーザの高出力化は、光ディスクの高速書き込みを可能にするのみならず、レーザディスプレイへの応用など、新たな技術分野の開拓に必須の技術である。
従来、特許文献１および特許文献２などに開示されているように、窒化物半導体の基板としてサファイア基板が用いられてきた。サファイア基板を用いる場合、窒化物半導体結晶との格子不整合や熱膨張係数不整合に起因する歪みを緩和するため、Ａｌ原子を含んだＡｌＧａＮ系バッファ層をサファイア基板上に形成することが行われていた。
最近、サファイア基板の代わりに用いられるようになってきたＧａＮ基板上に、窒化物半導体からなる発光素子構造を作製する場合は、通常、成長の初期過程においてＧａＮ系のホモエピタキシャル成長層を形成する。
窒化物半導体材料を用いて青紫色発光素子を作製する場合、活性層に用いるＩｎＧａＮ系結晶におけるＩｎＮが熱分解しやすい。このため、Ｉｎ原子を含まないＧａＮまたはＡｌＧａＮ系下地層を約１０００℃で成長させた後、その成長を中断し、８００℃程度まで温度を低下させることが通常行われている。このような成長の中断を行なった際、ＧａＮまたはＡｌＧａＮ系下地層に表面荒れが生じることが知られている。このため、分解温度がＧａＮ層に比べて高いＡｌＮ層（特にＡｌ原子が１０％以上のＡｌＧａＮ下地層）を平坦性維持層として形成しておき、成長中断による表面荒れを抑制し、高品質なＩｎＧａＮ系結晶を作製する方法が提案されている（特許文献３）。
特許文献４は、基板上に窒化物半導体からなるｎ型クラッド層や活性層を作製する場合において、活性層に近いほどｎ型ドーパント濃度を低下させることを開示している。このような構成を採用することにより、電極から注入されたキャリアが一様に広がりやすくなり、広い領域で均一に発光する発光ダイオード（ＬＥＤ）を製造することが可能になる。
特開２００２−２５２１７７号公報
特開平１０−１５０２４５号公報
特開２０００−１５６５４４号公報
特許第２７８５２５４号明細書
特許文献４に記載されている技術によれば、電極から注入されたキャリアを拡げ、活性層に一様に注入することが可能であっても、ＩｎＧａＮ系活性層のＩｎ組成そのものを均一化することに効果はない。ＩｎＧａＮ系活性層においてＩｎ組成不均一が生じると、キャリアが一様に注入されたとしても、発光スペクトルがブロードに拡がる。この場合、半導体レーザではレーザ発振波長に対して吸収ロスが生じるので、しきい電流の増大、スロープ効率の低下（動作電流の増加）が起こり信頼性を確保できない。
特許文献３に記載されている技術では、ＩｎＧａＮ系活性層の下地層として、Ａｌ原子が１０％以上のＡｌＧａＮ系平坦性維持層を用いているため、Ｉｎ組成に関して比較的均一な成長が可能と思われる。しかしながら、平坦性維持層を形成しているＡｌＧａＮ層にＡｌ組成の不均一が発生すると、面内において局所的な歪が生じる。その結果、格子定数の大きいＩｎＧａＮ系活性層にＩｎ組成の面内分布が生じるため、前記同様の動作電流の増加が生じる。
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、その目的は、活性層組成の面内分布を均一化し、動作電流を低減した窒化物半導体発光装置を提供することにある。
本発明の窒化物半導体発光装置は、窒化物系半導体基板と、前記半導体基板上に形成された窒化物系半導体積層構造とを備える窒化物半導体発光装置であって、前記積層構造は、発光する活性層と、前記活性層から前記基板までの間に位置し、ｎ型ドーパントを含有する複数の半導体層とを含み、前記複数の半導体層の各々はＡｌ原子を含有している。
好ましい実施形態において、前記複数の半導体層におけるｎ型ドーパントの濃度分布は、前記基板の表面に垂直な方向に沿って局所的に変動する領域を有していない。
好ましい実施形態において、前記複数の半導体層のｎ型ドーパントの濃度は、前記基板の表面に平行な方向においても均一である。
好ましい実施形態において、前記界面から５ｎｍ以下の厚さで規定される層状領域におけるｎ型ドーパントの濃度変化量は、前記複数の半導体層に含まれるｎ型ドーパントの平均濃度の１０％以下である。
好ましい実施形態において、前記積層構造のうち、前記活性層から前記基板までの間における前記ｎ型ドーパントの濃度分布は略均一である。
好ましい実施形態において、前記複数の半導体層におけるｎ型ドーパントの濃度は、１×１０17ｃｍ-3以上５×１０18ｃｍ-3以下の範囲にある。
好ましい実施形態において、前記ｎ型ドーパントの濃度分布は、前記複数の半導体層が形成する各界面において略均一である。
好ましい実施形態において、前記複数の半導体層のうち、前記基板に接触する半導体層は、組成比率で１原子％以下のＡｌ原子を含有している。
好ましい実施形態において、前記Ａｌ原子の濃度は、前記基板の表面に平行な面内で略均一である。
好ましい実施形態において、前記ｎ型ドーパントはＳｉである。
好ましい実施形態において、前記活性層はＩｎＧａＮ系多重量子井戸構造を有している。
本発明による他の窒化物系半導体基板と、前記半導体基板上に形成された窒化物系半導体積層構造とを備える窒化物半導体発光装置であって、前記積層構造は、発光する活性層と、前記活性層から前記基板までの間に位置し、ｎ型ドーパントを含有する複数の半導体層とを含み、前記複数の半導体層は、すべて、Ａｌ原子を含有しており、前記複数の半導体層のうち、前記基板に接触する半導体層におけるＡｌ原子の濃度は、組成比率で１原子％以下である。
本発明による窒化物半導体発光装置の製造方法は、窒化物系半導体基板を用意する工程と、前記半導体基板上に窒化物系半導体積層構造を形成する工程とを含む窒化物半導体発光装置の製造方法であって、前記積層構造を形成する工程は、前記基板上に活性層を含む複数の半導体層を形成する工程を含み、前記活性層から前記基板までの間に位置する各半導体層には、ｎ型ドーパントとＡｌ原子とを含有させる、窒化物半導体発光装置の製造方法。
好ましい実施形態において、前記積層構造を形成する工程は、ｎ型ドーパント用ガスの供給量を調節することにより、界面における前記ｎ型ドーパントの濃度分布を略均一にする。
本発明では、半導体積層構造に含まれる複数の半導体層のうち、基板から活性層までの間に位置する各半導体層中にＡｌ原子を含有させていることにより、ｎ型ドーパントの濃度分布が略均一である複数の半導体層を形成することが可能になる。活性層の下方に位置する半導体層の界面においてはｎ型ドーパント濃度が不均一化しやすく、これが原因となり、活性層の発光強度が面内で不均一化することがわかった。本発明では、活性層の組成が面内で均一化されるため、レーザ発振に必要な電流も低減され、信頼性も向上する。
本願発明者は、ＩｎＧａＮ活性層におけるＩｎ組成不均一の原因が窒化物系半導体基板に対して結晶成長を行う下地層の形成方法に起因していることを見出し、本発明を想到するにいたった。
本発明では、半導体積層構造に含まれる複数の半導体層のうち、基板から活性層までの間に位置する各半導体層中にＡｌ原子を含有させている。これにより、窒化物半導体基板の表面（Ｇａ面）上に半導体積層構造を形成するとき、ｎ型ドーパント用ガスの供給量を調節することにより、界面におけるｎ型ドーパントの濃度分布が略均一である複数の半導体層を形成することが可能になる。ｎ型ドーパントの濃度分布を均一化できる理由については、後に詳しく説明する。
半導体レーザなどの発光素子を製造する場合、半導体積層構造は、ダブルへテロ構造と、光および電流を一定空間内に閉じ込めるための構造とを含むことになる。
従来、活性層の下地となる半導体層（活性層から基板までの間に位置する複数の半導体層）中のｎ型ドーパントの濃度分布を均一なものにする技術思想は存在していなかった。例えば特許文献４が開示している従来例では、下地層中のｎ型キャリア濃度は、活性層に近い位置ほど低い値を示すように調整されている。なお、ドナー準位は浅いため、室温でｎ型ドーパントの略全てが活性化し、キャリア（電子）を放出する。このため、ｎ型キャリア濃度は、ｎ型ドーパントの濃度に等しいと考えることができる。
なお、本明細書において、ｎ型ドーパントなどの濃度の測定値は、いずれも、ＳＩＭＳ（Secondary ion mass spectrometry）によって測定された値である。
まず、図３（ａ）を参照しながら、ｎ型ドーパントの代表例であるＳｉを上記の濃度分布を示すように半導体層にドープした場合の問題点を説明する。
図３（ａ）に示す例では、ｎ型ＧａＮ基板上にｎ型ＧａＮ層、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層、ｎ型ＧａＮガイド層を順次積層し、各半導体層におけるＳｉ濃度を、この順番に低減させている。この場合、ｎ型ＧａＮ層／ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層／ｎ型ＡｌＧａＮガイド層のそれぞれの界面において、半導体層の種類を切り替え、かつドーピング濃度を変化させることが必要である。
半導体層の種類を切り換えるとき、エピタキシャル成長の原料ガスや成長温度を変化させることが必要になる。たとえば、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層の成長温度はｎ型ＧａＮ層の成長温度より２０〜３０℃高く設定する必要があるため、ｎ型ＧａＮ層上にｎ型ＡｌＧａＮクラッド層を成長させるとき、必要な昇温を完了するまでの数分間は、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層の成長を開始できない。昇温により基板の表面温度は不均一化する可能性もあり、また、ｎ型ＧａＮ層の表面状態が局所的に変化する可能性もある。このようなことから、ｎ型ＧａＮ層／ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層の界面で、Ｓｉ濃度が不均一になると考えられる。同様のことは、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層上にｎ型ＧａＮガイド層を成長させるときにも生じ得る。ただし、この場合は、ｎ型ＧａＮガイド層の成長前に昇温ではなく降温を行なうことが必要になる。
図３（ａ）に示す例では、ｎ型ＧａＮ層／ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層の界面、およびｎ型ＡｌＧａＮクラッド層／ｎ型ＡｌＧａＮガイド層の界面において、局所的にＳ濃度の低下が示されている。しかし、界面におけるＳｉ濃度は半導体層中のＳｉ濃度よりも低下するとは限らず、場所によっては上昇している。
このように、半導体層の厚さ方向（基板表面に垂直な方向）にＳｉ濃度を測定した場合、Ｓｉ濃度の変動が半導体界面で生じていることが観察されるが、基板表面に平行な面内においてもＳｉ濃度が変動していることがわかった。エピタキシャルの下地となる半導体層中のＳｉ濃度に面内分布が発生すると、その上にＡｌを含んだ半導体層（例えばＡｌＧａＮ層）を成長する場合、Ａｌ原子がＳｉ原子の濃度分布に対応して分布するため、ＡｌＧａＮ層におけるＡｌ濃度が面内分布を有することになる。面内でＡｌ濃度が非一様化すると、そのＡｌ濃度分布に応じてＡｌＧａＮ層に局所的な歪が発生する。
なお、本発明者がＳＩＭＳによるＳｉ濃度の測定を行ったところ、Ｓｉ濃度の設定値が異なる複数の半導体層の界面においては、Ｓｉ濃度の変動が顕著に生じ、界面から離れた位置でもＳｉ濃度の上下変化が継続していることが確認された。その変動の幅は、Ｓｉ濃度を低下させた場合に顕著であり、界面で大きく変動したＳｉ濃度が安定し、目標値に達するまでの時間が長くなる傾向がある。同様のことは、Ｓｉ以外のｎ型ドーパントでも生じると考えられる。従って、半導体層間でｎ型ドーパント濃度の設定を変更することは好ましくなく、厚さ方向の濃度分布は可能な限り均一に設定することが好ましい。 上述したＡｌＧａＮ層中の歪が下地に存在すると、その上に成長させたＩｎＧａＮ系多重量子井戸（以下ＭＱＷと標記）中にＩｎ原子濃度の面内分布が発生することがわかった。Ｉｎ原子濃度が面内でばらついている活性層を用いた場合、図５（ａ）および（ｂ）に示すように、レーザストライプの面内において、発光強度が一様ではなくなるため、明るさが場所によって異なる発光斑が形成される。図５（ｂ）は、ＡｌＧａＮ層中の歪が下地に存在する半導体レーザを基板裏面から撮影したＥＬ（Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ）写真であり、図５（ａ）は、その模式図である。
ＩｎＧａＮ系ＭＱＷに発光斑が生じること自体は従来から知られていたが、その原因は明らかではなかった。相対的に明るい部分から放射される光は、暗い部分から放射される光に比べて波長が長く、明るい部分の活性層はＩｎ濃度が相対的に高いと考えられる。本発明者は、このような発光斑が活性層の下地半導体層におけるＳｉ原子濃度の不均一に起因して発生することを見出した。
Ｉｎ原子濃度に応じてバンドギャップや発光効率が局所的に変化し、特に重要な発光の明るさが場所によって斑になり、レーザ駆動させる際に動作電流の増大をもたらし問題となる。本発明者らはＩｎＧａＮ系ＭＱＷの発光斑の原因が前記Ｓｉ原子の濃度の局所的な分布にあることを見出した。
本発明の好ましい例では、図３（ｂ）に示すように、基板直上の下地層から活性層に向かってｎ型キャリア濃度（Ｓｉ濃度）が一定となるようにドーピングを行っている。すなわち、ｎ型ＧａＮ基板上に、ｎ型ＡｌＧａＮ層、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層、ｎ型ＡｌＧａＮガイド層を順次積層するとき、各層のＳｉ濃度が一定になるようにＳｉＨ4供給量を制御している。ＳｉＨ4供給量の変動幅は平均流量の１０％以下に抑えることが好ましい。
図４は、後述する本発明の実施形態について測定されたＳｉ濃度プロファイルを示すグラフある。図４のグラフから、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層とｎ型ＡｌＧａＮ層との間でＳｉ濃度が均一であることが確認される。
なお、ＧａＮ基板とｎ型ＡｌＧａＮ層との界面は、基板表面におけるコンタミネーションの影響により、Ｓｉなどのｎ型ドーパントがパイルアップしやすい。ＧａＮ基板とｎ型ＡｌＧａＮ層との界面においても、ｎ型ドーパントの濃度は一定であることが好ましいが、この界面におけるｎ型ドーパント濃度を他の部分におけるｎ型ドーパント濃度に等しくすることは困難である。したがって、本発明の好ましい実施形態では、半導体積層構造のうち、活性層から基板までの間におけるｎ型ドーパントの濃度分布は略均一であるが、基板と半導体積層構造との界面におけるｎ型ドーパントの濃度のパイルアップは許容されるものとする。
ｎ型ＡｌＧａＮ層／ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層／ｎ型ＡｌＧａＮガイド層のそれぞれの界面においては、Ａｌ組成が変化しているが、成長温度そのものは変化しておらず、界面におけるＳｉ濃度の局所的な変動が抑制されている。
なお、Ａｌ組成を変化させるとき、反応炉内に供給する原料ガスの混合比率を調整する必要がある。そのとき、ドーピングのために反応炉内に供給するガス（たとえばＳｉＨ4）の供給量（レート）も調節することにより、半導体層中のＳｉ濃度を一定値に制御することが可能になる。これは、同じ量のドーピングガスが供給されていても、Ａｌ組成が異なると、成長層に取り込まれるドーパントの濃度が変化し得るからである。一方、前記ＳｉＨ4の供給レートの調整に加え、半導体層の成長レートを変化させることによっても、Ｓｉ濃度を一定値に制御することができる。具体的には、ＩＩＩ族原料であるトリメチルガリウム（ＴＭＧ）とトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）の合計の供給量を所望のＡｌ固相比になるように気相比を調整して変化させてもよい。
図３（ａ）に示すように、ｎ型ＧａＮ基板の直上に、Ａｌを含まない半導体層（例えばｎ型ＧａＮ層等）を成長していると、その上にＡｌ濃度の比較的高いｎ型ＡｌＧａＮクラッド層（Ａｌ組成は２〜６％程度）を成長するとき、Ｓｉ原子濃度およびＡｌ原子濃度の面内分布が不均一化しやすい。このため、図３（ｂ）に示す例では、ｎ型ＧａＮ基板の表面にエピタキシャル成長を行う工程の初期段階から、たとえ微量であってもＡｌを添加することが好ましい。
図３（ａ）に示す例では、ｎ型ＧａＮ基板上に形成した下地半導体層のＳｉ濃度に面内分布が発生していないため、その上に成長させるＡｌを含んだ半導体層（例えばＡｌＧａＮ層）にＡｌ濃度の面内分布が発生しない。その結果、Ｉｎ組成が面内で均一なＩｎＧａＮ系ＭＱＷを得ることが可能となる。このような活性層を用いた場合、図６（ａ）および（ｂ）に示すように、レーザストライプの面内において均一な明るさの発光が得られる。図６（ｂ）は、ＡｌＧａＮ層中の歪が下地に存在しない半導体レーザを基板裏面から撮影したＥＬ写真であり、図６（ａ）は、その模式図である。
図３（ａ）および（ｂ）に示す構成を備える半導体レーザによれば、それぞれ、図７に示す特性が得られる。図３（ａ）の構成を採用することにより、従来例に比べて低いしきい電流と高いスロープ効率（低動作電流）を実現することができる。駆動電流の低減は、消費電力の低減を意味し、信頼性が向上する。また、活性層の面内における明るさの均一性が向上すると、発光強度の素子間ばらつきも低減でき、製造歩留まりが向上する。
（実施形態）
以下、図面を参照しながら、本発明による窒化物半導体装置の実施形態を説明する。
以下、図面を参照しながら、本発明による窒化物半導体装置の実施形態を説明する。
まず、図１を参照する。図１は、本実施形態の窒化物半導体装置、すなわちＧａＮ系半導体レーザの断面を模式的に示している。図示されている素子断面は、共振器端面に平行な面であり、共振器長方向は、この断面に直交している。
本実施形態の半導体レーザは、ｎ型不純物がドープされたｎ型ＧａＮ基板（厚さ：約１００μｍ）１０と、ｎ型ＧａＮ基板１０の表面（Ｇａ面）に設けられた半導体積層構造とを備えている。
半導体積層構造は、ｎ型ＡｌＧａＮ層１２、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層１４、ｎ型ＡｌＧａＮ光ガイド層１５、ＩｎＧａＮ系ＭＱＷ活性層１６、ＩｎＧａＮ中間層１７、ｐ型ＡｌＧａＮ電子オーバーフロー抑制層１８、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１９、およびｐ型ＧａＮコンタクト層２０を含んでいる。
本実施形態における半導体積層構造に含まれる各半導体層の不純物濃度（ドーパント濃度）や厚さは、以下の表１に示すとおりである。
本実施形態で特徴的な点は、ＩｎＧａＮ系ＭＱＷ活性層１６からｎ型ＧａＮ基板１０までの間に位置する半導体層、すなわち、ｎ型ＡｌＧａＮ層１２、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層１４、およびｎ型ＡｌＧａＮ光ガイド層１５の各々に含まれるｎ型ドーパント（Ｓｉ）の濃度が等しい値に設定され、また、これらの半導体層１２、１４、１５がいずれもＡｌを含有していることにある。
本実施形態では、図３（ｂ）を参照しながら説明したように、Ｓｉの濃度分布が基板１０の表面に垂直な方向および平行な方向において略均一であるため、従来の半導体レーザの問題を解決することができる。このように均一にＳｉをドープする方法については、後に説明する。
本来、ＩｎＧａＮ系ＭＱＷ活性層１６からｎ型ＧａＮ基板１０までの間に位置する半導体層の各界面において、Ｓｉ濃度は局所的に変動しやすい。Ｓｉ濃度分布の不均一は、基板１０の表面に垂直な方向のみならず、平行な方向にも発生しやすい。前述したように、Ｓｉ濃度の界面における不均一は、その上に位置する半導体層におけるＩｎ濃度の不均一を引き起こすが、本実施形態では、Ｓｉ濃度が均一化されているため、Ｉｎ濃度も均一化される。
Ｓｉ濃度（ｎ型ドーパント濃度）の均一性は、上記半導体界面から５ｎｍ以下の厚さで規定される層状領域におけるＳｉ濃度（ｎ型ドーパント濃度）の変化量で評価することができる。この変化量が、上記半導体層に含まれるＳｉ（ｎ型ドーパント）の平均濃度の１０％以下である場合、「Ｓｉ濃度（ｎ型ドーパント濃度）は界面において略均一である」といえる。
なお、表１に示す不純物、不純物濃度、および各半導体層の厚さは、一例に過ぎず、本発明を限定するものではない。ｎ型ドーパント濃度の好ましい範囲は、１×１０17ｃｍ-3以上５×１０18ｃｍ-3以下である。
本実施形態における上記の半導体積層構造のうち、ｐ型ＧａＮコンタクト層２０及びｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１９は、共振器長方向に沿って延びるリッジストライプの形状に加工されている。リッジストライプの幅は、例えば１．５μｍ程度であり、共振器長は例えば６００μｍである。チップ幅（図１において、各半導体層に平行な方向の素子サイズ）は、例えば２００μｍである。
半導体積層構造の上面のうち、リッジストライプの上面を除く部分は、絶縁膜（例えばＳｉＯ2層）３０によって被覆されており、絶縁膜３０の中央部にはリッジストライプの上面を露出させるストライプ状の開口部が形成されている。絶縁膜３０の開口部を介して、ｐ型ＧａＮコンタクト層２０の表面はｐ側コンタクト電極（Ｐｄ／Ｐｔ）３１と接触しており、ｐ側コンタクト電極３１の上面を覆うようにｐ側配線電極（Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕ）３３が配置されている。ｎ型ＧａＮ基板１０の裏面は、ｎ側電極（Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕ）３２と接している。
以下、本実施形態に係る窒化物半導体装置を製造する方法の好ましい実施形態を説明する。
まず、公知の方法で作製されたｎ型ＧａＮ基板１０を用意する。エピタキシャル成長開始の段階におけるｎ型ＧａＮ基板１０の厚さは、例えば約４００μｍ程度である。ｎ型ＧａＮ基板１０の表面は、研磨加工により平坦化されている。
次に、ｎ型ＧａＮ基板１０の表面に半導体積層構造を形成する。半導体積層構造の形成は、公知のエピタキシャル成長技術によって行なうことができる。例えば、以下のようにして各半導体層を成長させる。
まず、ｎ型ＧａＮ基板１０を有機金属気相成長（ＭＯＶＰＥ）装置の反応炉（チャンバ）内に挿入する。この後、ｎ型ＧａＮ基板１０の表面に対し、５００〜１１００℃程度の熱処理（サーマルクリーニング）を行なう。この熱処理は、例えば８００℃で１分以上、望ましくは５分以上行なう。この熱処理を行なっている間、窒素原子（Ｎ）を含むガス（Ｎ2、ＮＨ3、ヒドラジンなど）をチャンバ内に流すことが好ましい。
その後、反応炉を約１０００℃に温度制御し、原料ガスとしてトリメチルガリウム（ＴＭＧ）、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）およびアンモニア（ＮＨ3）ガスと、キャリアガスである水素と窒素とを同時に供給するとともに、ｎ型ドーパントとしてシラン（ＳｉＨ4）ガス供給し、厚さが約１μｍでＳｉ不純物濃度が約５×１０17ｃｍ-3のｎ型Ａｌ0.002Ｇａ0.998Ｎ層１２を成長させる。
次に、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）の供給量を増加させ、厚さが約１．５μｍでＳｉ不純物濃度が約５×１０17ｃｍ-3のＡｌ0.04Ｇａ0.96Ｎからなるｎ型ＡｌＧａＮクラッド層１４を成長させる。その後、厚さが約１５０ｎｍでＳｉ不純物濃度が約５×１０17ｃｍ-3のｎ型Ａｌ0.005Ｇａ0.995Ｎからなるｎ型ＡｌＧａＮ光ガイド層１５を成長させた後、温度を約８００℃まで降温し、キャリアガスを水素から窒素に変更して、トリメチルインジウム（ＴＭＩ）とＴＭＧを供給して、膜厚が約３ｎｍのＩｎ0.1Ｇａ0.9Ｎからなる量子井戸（３層）と膜厚約８ｎｍのＩｎ0.02Ｇａ0.98Ｎバリア層（２層）からなるＭＱＷ活性層１６を成長させる。その後、Ｉｎ0.01Ｇａ0.99ＮからなるＩｎＧａＮ中間層１７を成長させる。ＩｎＧａＮ中間層１７は、その上に形成するｐ型の半導体層から活性層１６へのｐ型ドーパント（Ｍｇ）拡散を大幅に抑制したり、活性層１６の熱分解を抑制し、結晶成長後も活性層１６を高品質に維持することができる。
次に、再び反応炉内の温度を約１０００℃にまで昇温し、キャリアガスに水素も導入して、ｐ型ドーパントであるビスシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ2Ｍｇ）ガスを供給しながら、膜厚約２０ｎｍでＭｇ不純物濃度が約１×１０19ｃｍ-3のＡｌ0.20Ｇａ0.80Ｎからなるｐ型ＡｌＧａＮオーバーフロー抑制層１８を成長させる。
次に、厚さが約０．５μｍで不純物濃度が約１×１０19ｃｍ-3のＡｌ0.05Ｇａ0.95Ｎからなるｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１９を成長させる。最後に、厚さが約０．１μｍでＭｇ不純物濃度が約１×１０20ｃｍ-3のｐ型ＧａＮコンタクト層２０を成長させる。
次に、半導体積層構造の上面にプラズマＣＶＤ装置などで絶縁膜を堆積する。この絶縁膜はドライエッチングのマスクになるように、ＳｉＯ2などの耐ドライエッチング性の高い材料を選択する。その後、フォトリソグラフィ技術とフッ酸処理で上記絶縁膜を幅１．５μｍのストライプ状に加工する。続いて、上記ストライプ状絶縁膜をマスクとして、ドライエッチング装置でｐ型半導体層をリッジ状に加工し、フッ酸処理でリッジ上の上記絶縁膜を除去する。次に、リッジが形成された半導体積層構造の上面に絶縁膜（ＳｉＯ2）３０を堆積し、フォトリソグラフィ技術とフッ酸処理でリッジ上の上記絶縁膜のみを除去する。この後、リッジ方向に平行に、且つリッジ上、リッジ側面およびリッジ底面にｐ側コンタクト電極（Ｐｄ／Ｐｔ）３１が付着するように、フォトリソグラフィ技術とレジストのリフトオフ技術でＰｄとＰｔをこの順で蒸着する。続いて、ｐ側コンタクト電極３１の表面を覆うようにｐ側配線電極（Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕ）３３をＴｉ、Ｐｔ、Ａｕの順で蒸着する。
次に、ｎ型ＧａＮ基板１０を裏面側から研磨し、ｎ型ＧａＮ基板１０の厚さを約１００μｍ程度に減少させる。次に、ウエットエッチングおよびドライエッチングなどで研磨面をクリーニングした後、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕの各金属層を基板側からこの順序で連続的に堆積しｎ側電極３２とする。その後、１次へき開でバー状にして、共振器端面の反射率を調整するために絶縁膜をコーティングした後、２次へき開により半導体レーザチップに分離、加工する。
次に図２を参照しつつ実装工程を説明する。
分離されたレーザチップは、半田４０を介してＡｌＮなどのサブマウント４３およびステムに自動実装される。次に、電流供給のためのＡｕワイヤー４２をｐ側配線電極３３と、ｎ側電極３２と電気的に接続されているサブマウントの配線電極４１に接続し、半導体積層構造を上にするＵＰ実装を行う。この際、ｐ側配線電極３３上に接続するＡｕワイヤー４２は、リッジを挟んでｐ側コンタクト電極露出部と対向する位置に配置することが好ましい。これは、Ａｕワイヤー４２接続時のワイヤーボンド衝撃がｐ側コンタクト電極露出部に及ぶと、ｐ側コンタクト電極３１の剥離原因となる可能性があるためである。最後にレーザチップを外気から遮断するため、レーザ光取出しガラス窓が付いたキャップを高電界プレス機で融着する。
本実施形態により製造されたレーザを室温にて通電したところ、閾値電流が３０ｍＡで連続発振し、スロープ効率は１．５Ｗ／Ａ、発振波長は４０５ｎｍであった。また、ｐ側およびｎ側電極がレーザ端面まで形成されているために、端面付近での放熱低下も抑制され、高温・高出力動作（８０℃、１５０ｍＷ）が可能である。寿命試験を行ったところ、７０℃、１５０ｍＷの動作環境においてＭＴＴＦ５０００時間を確認した。
なお、本実施形態ではｎ型ＡｌＧａＮ層１２のＡｌ組成を０．２％と設定しているが、基板の表面に形成する下地半導体層のＡｌ組成は、０．１〜１．０％の範囲にあることが好ましい。なお、基板表面に垂直な方向にＡｌ組成は一定である必要はない。
活性層における組成の面内分布を均一化する効果は、活性層と基板との間におけるｎ型ドーパントを含有する複数の半導体層が、すべて、Ａｌ原子を含有していることにより得やすくなる。この場合、基板に接触する半導体層におけるＡｌ原子の濃度は、高く設定される必要は無く、組成比率で１原子％以下であることが好ましい。このＡｌ組成が高すぎると、基板との界面で歪が生じ、Ａｌ組成が不均一化するという問題が生じやすい。
ｎ型ドーパントとして、Ｓｉ以外にＧｅ、Ｏなどを用いても良い。
本発明は、高密度光ディスク用光源としての活用が期待されている半導体レーザなどの窒化物半導体装置に好適に用いられる。本発明では、ＩｎＧａＮ系活性層におけるＩｎ組成揺らぎが低減されるため、信頼性に優れ、高歩留り・低コスト量産に寄与する。
１０ ｎ型ＧａＮ基板
１２ ｎ型ＡｌＧａＮ層
１４ ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層
１５ ｎ型ＡｌＧａＮ光ガイド層
１６ ＩｎＧａＮ系ＭＱＷ活性層
１７ ＩｎＧａＮ中間層
１８ ｐ型ＡｌＧａＮ電子オーバーフロー抑制層
１９ ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層
２０ ｐ型ＧａＮコンタクト層
３０ 絶縁膜
３１ ｐ側コンタクト電極（Ｐｄ／Ｐｔ）
３２ ｎ側コンタクト電極（Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕ）
３３ ｐ側配線電極（Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕ）
４０ 半田
４１ 配線電極
４２ Ａｕワイヤー
４３ サブマウント
１２ ｎ型ＡｌＧａＮ層
１４ ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層
１５ ｎ型ＡｌＧａＮ光ガイド層
１６ ＩｎＧａＮ系ＭＱＷ活性層
１７ ＩｎＧａＮ中間層
１８ ｐ型ＡｌＧａＮ電子オーバーフロー抑制層
１９ ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層
２０ ｐ型ＧａＮコンタクト層
３０ 絶縁膜
３１ ｐ側コンタクト電極（Ｐｄ／Ｐｔ）
３２ ｎ側コンタクト電極（Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕ）
３３ ｐ側配線電極（Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕ）
４０ 半田
４１ 配線電極
４２ Ａｕワイヤー
４３ サブマウント
Claims (12)
- 窒化物系半導体基板と、
前記半導体基板上に形成された窒化物系半導体積層構造と
を備える窒化物半導体発光装置であって、
前記積層構造は、
発光する活性層と、
前記活性層から前記基板までの間に位置し、ｎ型ドーパントを含有する複数の半導体層と、
を含み、
前記複数の半導体層の各々はＡｌ原子を含有し、前記複数の半導体層が形成する界面から５ｎｍ以下の厚さで規定される層状領域におけるｎ型ドーパントの濃度変化量は、前記複数の半導体層に含まれるｎ型ドーパントの平均濃度の１０％以下である窒化物半導体発光装置。 - 前記複数の半導体層のｎ型ドーパントの濃度は、前記基板の表面に平行な方向においても均一である請求項１に記載の窒化物半導体発光装置。
- 前記積層構造のうち、前記活性層から前記基板までの間における前記ｎ型ドーパントの濃度分布は略均一である、請求項１に記載の窒化物半導体発光装置。
- 前記複数の半導体層におけるｎ型ドーパントの濃度は、１×１０17ｃｍ-3以上５×１０18ｃｍ-3以下の範囲にある請求項３に記載の窒化物半導体発光装置。
- 前記ｎ型ドーパントの濃度分布は、前記複数の半導体層が形成する各界面において略均一である請求項１に記載の窒化物半導体発光装置。
- 前記複数の半導体層のうち、前記基板に接触する半導体層は、組成比率で１原子％以下のＡｌ原子を含有している請求項５に記載の窒化物半導体発光装置。
- 前記Ａｌ原子の濃度は、前記基板の表面に平行な面内で略均一である請求項５に記載の窒化物半導体発光装置。
- 前記ｎ型ドーパントはＳｉである請求項１に記載の窒化物半導体発光装置。
- 前記活性層はＩｎＧａＮ系多重量子井戸構造を有している、請求項１に記載の窒化物半導体発光装置。
- 窒化物系半導体基板と、
前記半導体基板上に形成された窒化物系半導体積層構造と
を備える窒化物半導体発光装置であって、
前記積層構造は、
発光する活性層と、
前記活性層から前記基板までの間に位置し、ｎ型ドーパントを含有する複数の半導体層と、
を含み、
前記複数の半導体層は、すべて、Ａｌ原子を含有しており、前記複数の半導体層が形成する界面から５ｎｍ以下の厚さで規定される層状領域におけるｎ型ドーパントの濃度変化量は、前記複数の半導体層に含まれるｎ型ドーパントの平均濃度の１０％以下であり、
前記複数の半導体層のうち、前記基板に接触する半導体層におけるＡｌ原子の濃度は、組成比率で１原子％以下である窒化物半導体発光装置。 - 窒化物系半導体基板を用意する工程と、前記半導体基板上に窒化物系半導体積層構造を形成する工程とを含む窒化物半導体発光装置の製造方法あって、
前記積層構造を形成する工程は、
前記基板上に活性層を含む複数の半導体層を形成する工程を含み、前記活性層から前記基板までの間に位置する各半導体層には、ｎ型ドーパントとＡｌ原子とを含有させ、前記複数の半導体層が形成する界面から５ｎｍ以下の厚さで規定される層状領域におけるｎ型ドーパントの濃度変化量は、前記複数の半導体層に含まれるｎ型ドーパントの平均濃度の１０％以下である窒化物半導体発光装置の製造方法。 - 前記積層構造を形成する工程は、
ｎ型ドーパント用ガスの供給量を調節することにより、界面における前記ｎ型ドーパントの濃度分布を略均一にする、請求項１１に記載の窒化物半導体発光装置の製造方法。
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