〔第１実施形態〕
本発明の一例である第１実施形態による窒化物半導体素子は、紫外光の電流注入によるレーザ発振が可能である。このため、本実施形態による窒化物半導体素子は、紫外発光が可能なレーザダイオードに適用することができる。本実施形態による窒化物半導体素子は例えば、波長が３８０ｎｍから３２０ｎｍのＵＶＡや波長が３２０ｎｍから２８０ｎｍのＵＶＢ、波長が２８０ｎｍから２００ｎｍのＵＶＣの各領域の発光を得ることができる。
[First embodiment]
The nitride semiconductor device according to the first embodiment, which is an example of the present invention, is capable of laser oscillation by current injection of ultraviolet light. Therefore, the nitride semiconductor device according to this embodiment can be applied to a laser diode capable of emitting ultraviolet light. The nitride semiconductor device according to the present embodiment can emit light in the UVA wavelength range of 380 nm to 320 nm, UVB wavelength range of 320 nm to 280 nm, and UVC wavelength range of 280 nm to 200 nm, for example.
本発明の第１実施形態による窒化物半導体素子について図１から図８を用いて説明する。まず、本実施形態による窒化物半導体素子１の概略構成について図１及び図２を用いて説明する。
A nitride semiconductor device according to a first embodiment of the present invention will be described using FIGS. 1 to 8. First, a schematic configuration of a nitride semiconductor device 1 according to this embodiment will be described using FIGS. 1 and 2.
図１に示すように、本実施形態による窒化物半導体素子１は、基板１１と、基板１１の上方に設けられてＡｌｘＧａ（１－ｘ）Ｎで形成された窒化物半導体活性層（活性層の一例）３５２を備えている。また、窒化物半導体素子１は、窒化物半導体活性層３５２よりも上部に形成され、窒化物半導体活性層３５２から離れる方向に向かってＡｌ組成比ｘ３が減少するＡｌｘ３Ｇａ（１－ｘ３）Ｎで形成された組成変化層３２を備えている。組成変化層３２は、窒化物半導体活性層３５２から離れる方向に向かってＡｌ組成比ｘ３が連続的に減少する組成傾斜層でもある。組成変化層３２は、０ｎｍより大きく４００ｎｍよりも小さい厚さを有する第一組成変化領域３２１を有している。第一組成変化領域３２１は、膜厚の厚さ方向において連続的にＡｌ組成比が変化している。第一組成変化領域３２１には、Ｍｇが含まれていても良い。Ｍｇを含む場合は、例えば１×１０１８ｃｍ－３の不純物濃度で第一組成変化領域３２１に注入されている。また、組成変化層３２は、第一
組成変化領域３２１よりも窒化物半導体活性層３５２から離れた領域であって組成変化層３２の膜厚の厚さ方向におけるＡｌ組成比ｘ３の変化率が第一組成変化領域３２１よりも大きい第二組成変化領域３２２を有している。第二組成変化領域３２２は、膜厚の厚さ方向において連続的にＡｌ組成比が変化している。
As shown in FIG. 1, the nitride semiconductor device 1 according to the present embodiment includes a substrate 11 and a nitride semiconductor active layer (active layer) formed of Al x Ga (1-x) N provided above the substrate 11. (Example of layer) 352. The nitride semiconductor element 1 is formed above the nitride semiconductor active layer 352, and is made of Al x3 Ga (1-x3) N, in which the Al composition ratio x3 decreases in the direction away from the nitride semiconductor active layer 352. The composition change layer 32 is formed of. The composition change layer 32 is also a composition gradient layer in which the Al composition ratio x3 continuously decreases in the direction away from the nitride semiconductor active layer 352. The composition change layer 32 has a first composition change region 321 having a thickness greater than 0 nm and less than 400 nm. In the first composition change region 321, the Al composition ratio changes continuously in the thickness direction of the film. The first compositional change region 321 may contain Mg. When Mg is included, it is implanted into the first compositional change region 321 at an impurity concentration of, for example, 1×10 18 cm −3 . Further, the composition change layer 32 is a region farther from the nitride semiconductor active layer 352 than the first composition change region 321, and the rate of change of the Al composition ratio x3 in the thickness direction of the composition change layer 32 is the highest. It has a second compositional change region 322 that is larger than the first compositional change region 321 . In the second composition change region 322, the Al composition ratio changes continuously in the thickness direction of the film.
窒化物半導体素子１は、窒化物半導体活性層３５２の両側のうちの組成変化層３２が配置されていない側にＡｌｘ１Ｇａ（１－ｘ１）Ｎで形成された第一窒化物半導体層３１を備えている。ここで、窒化物半導体活性層３５２の両側のうちの組成変化層３２が配置されていない側は、例えば基板１１が配置されている側である。
The nitride semiconductor device 1 includes a first nitride semiconductor layer 31 formed of Al x1 Ga (1-x1) N on the side where the composition change layer 32 is not disposed on both sides of the nitride semiconductor active layer 352. We are prepared. Here, of both sides of the nitride semiconductor active layer 352, the side where the composition change layer 32 is not disposed is, for example, the side where the substrate 11 is disposed.
窒化物半導体素子１は、第一窒化物半導体層３１と窒化物半導体活性層３５２との間に設けられてＡｌｘ４Ｇａ（１－ｘ４）Ｎで形成された下部ガイド層３５１と、窒化物半導体活性層３５２と組成変化層３２との間に設けられてＡｌｘ４Ｇａ（１－ｘ４）Ｎで形成された上部ガイド層３５３とを備えている。下部ガイド層３５１と、窒化物半導体活性層３５２と、上部ガイド層３５３とを合わせて発光部３５が構成されている。なお、上部ガイド層３５３、下部ガイド層３５１を有する構造は一般的には光をガイド層に閉じ込める目的で用いられ、窒化物半導体素子１はレーザダイオードである。窒化物半導体素子１と類似の構造で、下部ガイド層３５１、上部ガイド層３５３の無い素子構造は、一般的には発光ダイオード（ＬＥＤ）である。
The nitride semiconductor device 1 includes a lower guide layer 351 provided between a first nitride semiconductor layer 31 and a nitride semiconductor active layer 352 and made of Al x4 Ga (1-x4) N, and a nitride semiconductor An upper guide layer 353 formed of Al x4 Ga (1-x4) N is provided between the active layer 352 and the composition change layer 32. The light emitting section 35 is composed of the lower guide layer 351, the nitride semiconductor active layer 352, and the upper guide layer 353. Note that the structure having the upper guide layer 353 and the lower guide layer 351 is generally used for the purpose of confining light in the guide layer, and the nitride semiconductor element 1 is a laser diode. A device structure similar to the nitride semiconductor device 1 but without the lower guide layer 351 and the upper guide layer 353 is generally a light emitting diode (LED).
窒化物半導体素子１は、第一組成変化領域３２１と上部ガイド層３５３との間に設けられた電子ブロック層３４を備えている。電子ブロック層３４は、例えばＡｌｘ６Ｇａ（１－ｘ６）Ｎで形成されている。電子ブロック層３４は、窒化物半導体活性層３５２と上部ガイド層３５３との間に設けられていても良い。あるいは、電子ブロック層３４は、下部ガイド層３５１を２分するように挿入されていても良い。
The nitride semiconductor device 1 includes an electron blocking layer 34 provided between the first compositional change region 321 and the upper guide layer 353. The electron block layer 34 is made of, for example, Al x6 Ga (1-x6) N. The electron block layer 34 may be provided between the nitride semiconductor active layer 352 and the upper guide layer 353. Alternatively, the electronic block layer 34 may be inserted so as to divide the lower guide layer 351 into two.
窒化物半導体素子１は、０ｎｍよりも厚く１００ｎｍ未満の膜厚で第二組成変化領域３２２に隣接して組成変化層３２に積層された第二窒化物半導体層３３を備えている。第二窒化物半導体層３３は、例えばＡｌｘ２Ｇａ（１－ｘ２）Ｎで形成されている。
The nitride semiconductor device 1 includes a second nitride semiconductor layer 33 stacked on the composition-change layer 32 adjacent to the second composition-change region 322 with a film thickness of greater than 0 nm and less than 100 nm. The second nitride semiconductor layer 33 is made of, for example, Al x2 Ga (1-x2) N.
窒化物半導体素子１は、第二窒化物半導体層３３に接触して設けられた第一電極１４と、第一窒化物半導体層３１の一部に接触して設けられた第二電極１５とを備えている。
The nitride semiconductor device 1 includes a first electrode 14 provided in contact with the second nitride semiconductor layer 33 and a second electrode 15 provided in contact with a portion of the first nitride semiconductor layer 31. We are prepared.
窒化物半導体素子１は、組成変化層３２に設けられた第一組成変化領域３２１の一部に形成された突出部３２１ａと、組成変化層３２に設けられた第二組成変化領域３２２と、第二窒化物半導体層３３とで構成されたリッジ部半導体層１７を備えている。第一電極１４は、リッジ部半導体層１７上に設けられている。
The nitride semiconductor device 1 includes a protrusion 321a formed in a part of the first compositionally varied region 321 provided in the compositionally varied layer 32, a second compositionally varied region 322 provided in the compositionally varied layer 32, and a second compositionally varied region 322 provided in the compositionally varied layer 32. The ridge portion semiconductor layer 17 includes a dinitride semiconductor layer 33. The first electrode 14 is provided on the ridge semiconductor layer 17.
第一窒化物半導体層３１は、基板１１上に配置されてＡｌｘ１Ｇａ（１－ｘ１）Ｎで形成された第一積層部３１１と、第一積層部３１１上に積層されてＡｌｘ１Ｇａ（１－ｘ１）Ｎで形成された第二積層部３１２とを有している。第二積層部３１２は、第一積層部３１１の上面３１１ａの一部に配置されている。このため、第一積層部３１１の上面３１１ａには、第二積層部３１２が形成されていない領域と、第二積層部３１２が形成されている領域とが存在する。なお、第二積層部３１２は、第一積層部３１１の上面３１１ａの全面に積層されていてもよい。第二積層部３１２は、第二積層部３１２表面の一部に形成された突出部３１２ａを有している。
The first nitride semiconductor layer 31 includes a first stacked part 311 disposed on the substrate 11 and made of Al x1 Ga (1-x1) N, and a first stacked part 311 stacked on the first stacked part 311 and made of Al x1 Ga ( 1-x1) A second laminated portion 312 made of N. The second laminated part 312 is arranged on a part of the upper surface 311a of the first laminated part 311. Therefore, on the upper surface 311a of the first laminated portion 311, there are a region where the second laminated portion 312 is not formed and a region where the second laminated portion 312 is formed. Note that the second laminated portion 312 may be laminated on the entire upper surface 311a of the first laminated portion 311. The second laminated portion 312 has a protrusion 312a formed on a part of the surface of the second laminated portion 312.
窒化物半導体素子１は、第一窒化物半導体層３１と基板１１との間、すなわち基板１１上に形成されたＡｌＮ層３０を備えている。ＡｌＮ層３０は、第一窒化物半導体層３１の形成材料であるＡｌｘ１Ｇａ（１－ｘ１）Ｎが一般的な薄膜成長装置である気相成長装置
を用いた成膜中にクラックが入ることを抑制する目的で下地として配置される。ＡｌＮ層３０を有することにより、上層のＡｌＧａＮ層には圧縮応力が働き、Ａｌｘ１Ｇａ（１－ｘ１）Ｎにクラックが発生することが抑制される。
The nitride semiconductor device 1 includes an AlN layer 30 formed between the first nitride semiconductor layer 31 and the substrate 11, that is, on the substrate 11. In the AlN layer 30, Al x1 Ga (1-x1) N, which is the forming material of the first nitride semiconductor layer 31, is cracked during film formation using a vapor phase growth apparatus, which is a common thin film growth apparatus. It is placed as a base for the purpose of suppressing. By having the AlN layer 30, compressive stress acts on the upper AlGaN layer, and the occurrence of cracks in Al x1 Ga (1-x1) N is suppressed.
窒化物半導体素子１は、第二積層部３１２、発光部３５、電子ブロック層３４、組成変化層３２及び第二窒化物半導体層３３の一側面を少なくとも含み光を外部へ出射する方向の側面に設けられた共振器面１６ａを備えている。より具体的には、共振器面１６ａは、第二積層部３１２の一側面と、発光部３５の一側面と、電子ブロック層３４の一側面と、組成変化層３２の一側面と、第二窒化物半導体層３３の一側面とによって形成される同一平面で構成されている。また、窒化物半導体素子１は、第二積層部３１２、発光部３５、電子ブロック層３４、組成変化層３２及び第二窒化物半導体層３３の一側面に対向する側面を少なくとも含み共振器面１６ａで反射した光を反射する側面に設けられた裏側共振器面１６ｂを備えている。なお、図１では、裏側共振器面１６ｂの輪郭の一部が太線によって図示されている。より具体的には、裏側共振器面１６ｂは、第二積層部３１２の他側面と、発光部３５の他側面と、電子ブロック層３４の他側面と、組成変化層３２の他側面と、第二窒化物半導体層３３の他側面とによって形成される同一平面で構成されている。
The nitride semiconductor device 1 includes at least one side surface of the second laminated portion 312, the light emitting portion 35, the electron block layer 34, the composition change layer 32, and the second nitride semiconductor layer 33, and the side surface in the direction in which light is emitted to the outside. A resonator surface 16a is provided. More specifically, the resonator surface 16a includes one side surface of the second laminated section 312, one side surface of the light emitting section 35, one side surface of the electron block layer 34, one side surface of the compositionally variable layer 32, and one side surface of the second laminated section 312, one side surface of the light emitting section 35, one side surface of the electron block layer 34, one side surface of the composition change layer 32, It is configured on the same plane formed by one side of the nitride semiconductor layer 33. Further, the nitride semiconductor device 1 includes at least a side surface opposite to one side surface of the second laminated section 312, the light emitting section 35, the electron block layer 34, the composition change layer 32, and the second nitride semiconductor layer 33, and the resonator surface 16a. It is provided with a back side resonator surface 16b provided on the side surface that reflects the light reflected by. Note that in FIG. 1, a part of the outline of the back side resonator surface 16b is illustrated by a thick line. More specifically, the back side resonator surface 16b includes the other side surface of the second laminated section 312, the other side surface of the light emitting section 35, the other side surface of the electron block layer 34, the other side surface of the compositionally variable layer 32, and the It is configured on the same plane formed by the other side surface of the dinitride semiconductor layer 33.
上述のとおり、窒化物半導体素子１は、基板１１と、基板１１上に積層されたＡｌＮ層３０と、ＡｌＮ層３０上に積層された第一窒化物半導体層３１と、第一窒化物半導体層３１上に積層された発光部３５と、発光部３５上に積層された電子ブロック層３４と、電子ブロック層３４に積層された組成変化層３２と、組成変化層３２上に積層された第二窒化物半導体層３３と、第二窒化物半導体層３３上に形成された第一電極１４と、第一窒化物半導体層３１上に形成された第二電極１５とを備えている。
As described above, the nitride semiconductor device 1 includes the substrate 11, the AlN layer 30 stacked on the substrate 11, the first nitride semiconductor layer 31 stacked on the AlN layer 30, and the first nitride semiconductor layer. a light emitting section 35 stacked on the light emitting section 31; an electronic block layer 34 stacked on the light emitting section 35; a composition change layer 32 stacked on the electron block layer 34; It includes a nitride semiconductor layer 33, a first electrode 14 formed on the second nitride semiconductor layer 33, and a second electrode 15 formed on the first nitride semiconductor layer 31.
ＡｌＮ層３０上には、第一窒化物半導体層３１の第一積層部３１１が配置されている。第一窒化物半導体層３１の第二積層部３１２の突出部３１２ａ上には、発光部３５の下部ガイド層３５１が配置され、第二積層部３１２の突出部３１２ａが形成されていない所定領域に第二電極１５が配置されている。発光部３５を構成する上部ガイド層３５３上には、電子ブロック層３４が配置されている。組成変化層３２の第二組成変化領域３２２上には、第二窒化物半導体層３３が配置されている。
A first laminated portion 311 of a first nitride semiconductor layer 31 is arranged on the AlN layer 30 . The lower guide layer 351 of the light emitting part 35 is arranged on the protrusion 312a of the second laminated part 312 of the first nitride semiconductor layer 31, and is located in a predetermined area where the protrusion 312a of the second laminated part 312 is not formed. A second electrode 15 is arranged. An electronic block layer 34 is arranged on the upper guide layer 353 that constitutes the light emitting section 35 . A second nitride semiconductor layer 33 is disposed on the second compositionally variable region 322 of the compositionally variable layer 32 .
このような積層構造を有する窒化物半導体素子１のバンドギャップ構造について図１を参照しつつ図２を用いて説明する。図２中の上段には、窒化物半導体素子１の伝導帯および価電子帯のエネルギー図が模式的に図示されている。図２中の下段には、窒化物半導体素子１の積層構造が当該バンドギャップ構造に対応付けて模式的に図示されている。図２には、窒化物半導体活性層３５２を構成する井戸層３５２ａ及び障壁層３５２ｂが模式的に図示されている。なお、図２では、下部ガイド層３５１と井戸層３５２ａとの間に設けられた障壁層、及び上部ガイド層３５３と井戸層３５２ａとの間に設けられた障壁層の図示は省略されている。
The bandgap structure of the nitride semiconductor device 1 having such a laminated structure will be explained using FIG. 2 while referring to FIG. 1. In the upper part of FIG. 2, an energy diagram of the conduction band and valence band of the nitride semiconductor device 1 is schematically illustrated. In the lower part of FIG. 2, the stacked structure of the nitride semiconductor device 1 is schematically illustrated in association with the bandgap structure. FIG. 2 schematically shows a well layer 352a and a barrier layer 352b that constitute the nitride semiconductor active layer 352. Note that in FIG. 2, illustration of a barrier layer provided between the lower guide layer 351 and the well layer 352a and a barrier layer provided between the upper guide layer 353 and the well layer 352a is omitted.
図２に示すように、井戸層３５２ａの価電子帯エネルギー準位と、井戸層３５２ａの伝導帯エネルギー準位との準位差に相当するエネルギー差が、発光するために必要な光エネルギーＥｌである。レーザダイオードにおいて、光が共振中に導波するのは発光部３５である。窒化物半導体素子１では、発光部３５に光を閉じ込めるために、発光部３５は、発光部３５の上下層である第二積層部３１２並びに電子ブロック層３４および組成変化層３２よりも屈折率が高く形成される。窒化物半導体においては、例えばＡｌＧａＮであればＡｌ組成比率が高いほど屈折率が低くなるため、窒化物半導体素子１におけるＡｌＧａＮ積層構造においては、発光部３５、特に光の導波を担う下部ガイド層３５１は、第二積層部３１２並びに電子ブロック層３４および組成変化層３２よりもＡｌ組成比率が高く形成される。この際、エネルギー図は、図２に示す通りになり、注入された電子・正孔のキャ
リアも発光部３５の上下層の第二積層部３１２並びに電子ブロック層３４および組成変化層３２よりエネルギーの低い発光部３５に閉じ込められることになる。ここで、組成変化層３２の一部、図２では第二組成変化層に相当する第二組成変化領域３２２は下部ガイド層３５１よりもＡｌ組成比率が低く配置されている。これは、第一組成変化領域３２１が十分な膜厚と低い屈折率を有することで、第二組成変化領域３２２に光が漏れない場合に、電流を注入する目的であえてＡｌ組成比率を低くすることができる。この場合、後述する内部ロスは増加しない。また、特にレーザダイオードにおいて発振の閾値を増加させる要因の一つである内部ロスには、薄膜中での光の吸収、あるいは光が導波路を進行中に導波路外へ漏れてしまう減少が関わる。この構造の場合、発光は発光層である窒化物半導体活性層３５２を構成する井戸層３５２ａから得られ、その光のエネルギーは光エネルギーＥｌである。窒化物半導体素子１への光の吸収は、光エネルギーＥｌよりもバンドギャップエネルギーが小さい半導体層または光エネルギーＥｌとバンドギャップエネルギーとが同じ半導体層で起こる。光エネルギーＥｌとバンドギャップエネルギーとの関係が図２に示す場合には、第二窒化物半導体層３３が光を吸収する層に該当する。つまり、窒化物半導体素子１では、第二窒化物半導体層３３が光の吸収層となりうる。
As shown in FIG. 2, the energy difference corresponding to the level difference between the valence band energy level of the well layer 352a and the conduction band energy level of the well layer 352a is the optical energy El required for emitting light. be. In the laser diode, light is guided through the light emitting section 35 during resonance. In the nitride semiconductor device 1, in order to confine light in the light emitting part 35, the light emitting part 35 has a refractive index lower than that of the second laminated part 312, the electron block layer 34, and the composition change layer 32, which are the upper and lower layers of the light emitting part 35. Formed high. In a nitride semiconductor, for example, in the case of AlGaN, the higher the Al composition ratio, the lower the refractive index. 351 is formed with a higher Al composition ratio than the second laminated portion 312, the electron block layer 34, and the composition change layer 32. At this time, the energy diagram becomes as shown in FIG. 2, and the carriers of the injected electrons and holes also receive energy from the second laminated portion 312 of the upper and lower layers of the light emitting section 35, the electron block layer 34, and the composition change layer 32. The light will be confined in the low light emitting section 35. Here, a part of the composition change layer 32, a second composition change region 322 corresponding to the second composition change layer in FIG. 2, is arranged to have a lower Al composition ratio than the lower guide layer 351. This is because the Al composition ratio is intentionally lowered for the purpose of injecting current when the first compositionally changed region 321 has a sufficient film thickness and a low refractive index so that light does not leak into the second compositionally changed region 322. be able to. In this case, internal loss, which will be described later, does not increase. In addition, internal loss, which is one of the factors that increases the oscillation threshold, especially in laser diodes, involves the absorption of light in the thin film or the reduction in light leaking out of the waveguide while traveling through the waveguide. . In this structure, light emission is obtained from the well layer 352a constituting the nitride semiconductor active layer 352, which is a light emitting layer, and the energy of the light is optical energy El. Absorption of light into the nitride semiconductor element 1 occurs in a semiconductor layer whose bandgap energy is smaller than the optical energy El, or in a semiconductor layer whose bandgap energy is the same as the optical energy El. When the relationship between optical energy El and band gap energy is shown in FIG. 2, the second nitride semiconductor layer 33 corresponds to a layer that absorbs light. That is, in the nitride semiconductor device 1, the second nitride semiconductor layer 33 can serve as a light absorption layer.
一般的に窒化物半導体においては電子の移動度が正孔の移動度よりも高い。このため、窒化物半導体活性層３５２側の組成変化層３２のＡｌ組成比ｘ３が第一窒化物半導体層３１のＡｌ組成比ｘ１よりも高く設計されることにより、電子がｐ型半導体で構成された組成変化層３２側へオーバーフローすることが防止される。同時に電子ブロック層３４のＡｌ組成比ｘ６も第一窒化物半導体層３１のＡｌ組成比ｘ１より高く設計される。これにより、電子が組成変化層３２側へオーバーフローすることが防止される。
Generally, in nitride semiconductors, electron mobility is higher than hole mobility. Therefore, by designing the Al composition ratio x3 of the composition change layer 32 on the side of the nitride semiconductor active layer 352 to be higher than the Al composition ratio x1 of the first nitride semiconductor layer 31, electrons are composed of the p-type semiconductor. Overflow to the composition-change layer 32 side is prevented. At the same time, the Al composition ratio x6 of the electron block layer 34 is designed to be higher than the Al composition ratio x1 of the first nitride semiconductor layer 31. This prevents electrons from overflowing to the composition-change layer 32 side.
窒化物半導体素子１は、窒化物半導体活性層３５２の配置側と反対側の第一組成変化領域３２１の端部でのＡｌ組成比ｘ３が上部ガイド層３５３のＡｌ組成比ｘ４よりも高くなるように構成されている。すなわち、窒化物半導体素子１は、第一組成変化領域３２１の全体のＡｌ組成比ｘ３が上部ガイド層３５３のＡｌ組成比ｘ４よりも高くなるように構成されている。このため、組成変化層３２の屈折率は上部ガイド層３５３よりも層全体で低くなり、組成変化層３２は、発光部３５で発光した光を下部ガイド層３５１および上部ガイド層３５３で閉じ込め、吸収層を含む第二窒化物半導体層３３および第一電極１４まで伝搬させない効果を有する。
The nitride semiconductor device 1 is configured such that the Al composition ratio x3 at the end of the first composition change region 321 on the side opposite to the side on which the nitride semiconductor active layer 352 is arranged is higher than the Al composition ratio x4 of the upper guide layer 353. It is composed of That is, the nitride semiconductor device 1 is configured such that the overall Al composition ratio x3 of the first composition change region 321 is higher than the Al composition ratio x4 of the upper guide layer 353. Therefore, the refractive index of the composition change layer 32 is lower than that of the upper guide layer 353 throughout the layer, and the composition change layer 32 confines and absorbs the light emitted from the light emitting section 35 in the lower guide layer 351 and the upper guide layer 353. This has the effect of preventing propagation to the second nitride semiconductor layer 33 including the second nitride semiconductor layer 33 and the first electrode 14 .
窒化物半導体素子１は、膜厚が最適値に調整された第一組成変化領域３２１を有する組成変化層３２を備えることにより、光を発光部３５に閉じ込めることと、高電流密度下の駆動でも素子破壊をおこさないことを両立している。
The nitride semiconductor device 1 is equipped with a composition change layer 32 having a first composition change region 321 whose film thickness is adjusted to an optimum value, thereby confining light in the light emitting section 35 and performing driving under high current density. It is compatible with not causing element destruction.
窒化物半導体素子１は、窒化物半導体活性層３５２の配置側と反対側の組成変化層３２の端部（すなわち窒化物半導体活性層３５２の配置側と反対側の第二組成変化領域３２２の端部）でのＡｌ組成比ｘ３が窒化物半導体活性層３５２の井戸層３５２ａのＡｌ組成比ｘ５（上部ガイド層３５３のＡｌ組成比ｘ４よりも低い）よりも高くなるように構成されている。すなわち、第二組成変化領域３２２の全領域においてＡｌ組成比ｘ３は、井戸層３５２ａのＡｌ組成比ｘ５（上部ガイド層３５３のＡｌ組成比ｘ４よりも低い）よりも高くなるように構成されている。このため、図２に示すように、第二組成変化領域３２２全体のバンドギャップエネルギーは、井戸層３５２ａのバンドギャップエネルギーよりも高くなる。つまり、素子発光の光エネルギーＥｌよりも第二組成変化領域３２２のバンドギャップエネルギーは大きくなる。これにより、窒化物半導体素子１は、組成変化層３２での光吸収の抑制が図られている。
The nitride semiconductor device 1 has an end portion of the compositionally changed layer 32 on the side opposite to the side where the nitride semiconductor active layer 352 is arranged (that is, an end of the second compositionally changed region 322 on the side opposite to the side where the nitride semiconductor active layer 352 is arranged). The Al composition ratio x3 of the well layer 352a of the nitride semiconductor active layer 352 is higher than the Al composition ratio x5 of the well layer 352a (lower than the Al composition ratio x4 of the upper guide layer 353). That is, the Al composition ratio x3 is configured to be higher in the entire second composition change region 322 than the Al composition ratio x5 of the well layer 352a (lower than the Al composition ratio x4 of the upper guide layer 353). . Therefore, as shown in FIG. 2, the bandgap energy of the entire second compositionally changed region 322 is higher than the bandgap energy of the well layer 352a. In other words, the bandgap energy of the second compositional change region 322 is greater than the light energy El of device light emission. Thereby, in the nitride semiconductor device 1, light absorption in the composition-change layer 32 is suppressed.
窒化物半導体素子１は、第二窒化物半導体層３３のＡｌ組成比ｘ２が窒化物半導体活性層３５２の配置側と反対側の第二組成変化領域３２２の端部でのＡｌ組成比ｘ３よりも低
くなるように構成されている。このため、図２に示すように、第二窒化物半導体層３３の価電子帯エネルギー準位は、窒化物半導体活性層３５２の配置側と反対側の第二組成変化領域３２２の端部の伝導帯エネルギー準位よりも低くなる。これにより、窒化物半導体素子１は、第二窒化物半導体層３３と第一電極１４（図１参照）とのコンタクト抵抗が低減され、低電圧化が図られている。
In the nitride semiconductor device 1, the Al composition ratio x2 of the second nitride semiconductor layer 33 is higher than the Al composition ratio x3 at the end of the second composition change region 322 on the side opposite to the arrangement side of the nitride semiconductor active layer 352. It is configured to be low. Therefore, as shown in FIG. 2, the valence band energy level of the second nitride semiconductor layer 33 is set to lower than the band energy level. As a result, in the nitride semiconductor device 1, the contact resistance between the second nitride semiconductor layer 33 and the first electrode 14 (see FIG. 1) is reduced, and a voltage reduction is achieved.
次に、窒化物半導体素子１を構成する各構成要件の詳細について図１及び図２を参照しつつ図３から図８を用いて説明する。
Next, details of each component constituting the nitride semiconductor device 1 will be described using FIGS. 3 to 8 while referring to FIGS. 1 and 2.
（基板）
基板１１を形成する材料の具体例としては、Ｓｉ、ＳｉＣ、ＭｇＯ、Ｇａ２Ｏ３、Ａｌ２Ｏ３、ＺｎＯ、ＧａＮ、ＩｎＮ、ＡｌＮ、あるいはこれらの混晶等が挙げられる。基板１１は、薄板の四角形状を有していることが組立上好ましいが、これに限らない。また、基板のオフ角は高品質の結晶を成長させる観点から０度より大きく２度より小さいことが好ましい。基板１１の膜厚は、上層にＡｌＧａＮ層を積層させる目的であるならば特に制限されないが、５０マイクロメートル以上１ミリメートル以下であることが好ましい。基板１１は、上層薄膜の支持、および結晶性の向上、外部への放熱を目的として使用される。そのため、ＡｌＧａＮを高品質で成長させることが出来、熱伝導率の高い材料であるＡｌＮ基板を用いることが好ましい。基板１１の結晶品質には特に制限はないが、高い発光効率を有する素子薄膜を上層に形成することを目的として貫通転位密度１×１０９ｃｍ－２以下が好ましく、１×１０８ｃｍ－２以下がより好ましい。基板の成長面は一般的に用いられる＋ｃ面ＡｌＮが低コストなため良いが、－ｃ面ＡｌＮであっても、半極性面基板であっても、非極性面基板であっても良い。分極ドーピングの効果を大きくする観点からは、＋ｃ面ＡｌＮが好ましい。
(substrate)
Specific examples of materials forming the substrate 11 include Si, SiC, MgO, Ga 2 O 3 , Al 2 O 3 , ZnO, GaN, InN, AlN, and mixed crystals thereof. Although it is preferable for assembly that the substrate 11 has a rectangular thin plate shape, the present invention is not limited to this. Further, the off-angle of the substrate is preferably greater than 0 degrees and less than 2 degrees from the viewpoint of growing high-quality crystals. The film thickness of the substrate 11 is not particularly limited as long as the purpose is to laminate an AlGaN layer on the upper layer, but it is preferably 50 micrometers or more and 1 mm or less. The substrate 11 is used for the purpose of supporting the upper thin film, improving crystallinity, and dissipating heat to the outside. Therefore, it is preferable to use an AlN substrate, which is a material that can grow AlGaN with high quality and has high thermal conductivity. Although there is no particular limit to the crystal quality of the substrate 11, the threading dislocation density is preferably 1×10 9 cm −2 or less, and is preferably 1×10 8 cm −2 or less for the purpose of forming an element thin film with high luminous efficiency as an upper layer. The following are more preferable. The growth surface of the substrate may be the commonly used +c-plane AlN because of its low cost, but it may also be -c-plane AlN, a semipolar substrate, or a nonpolar substrate. From the viewpoint of increasing the effect of polarization doping, +c-plane AlN is preferable.
（ＡｌＮ層）
ＡｌＮ層３０は、基板１１の全面に形成されている。ＡｌＮ層３０は本例においては、数マイクロメートル（例えば１．６μｍ）の厚さを有しているが、この値には限らない。具体的には、ＡｌＮ層３０の膜厚は、１０ｎｍより厚く１０μｍより薄いことが好ましい。ＡｌＮ層３０の膜厚が１０ｎｍより厚いことで、結晶性の高いＡｌＮを作製することができ、ＡｌＮ層３０の膜厚が１０μｍより薄いことでウェハ全面においてクラックの無い結晶成長が可能である。ＡｌＮ層３０は、より好ましくは５０ｎｍより厚く、５μｍより薄い膜厚を有しているとよい。ＡｌＮ層３０の膜厚が５０ｎｍより厚いことで結晶性の高いＡｌＮを再現良く作製することができ、ＡｌＮ層３０の膜厚が５μｍより薄いことでクラック発生確率の低い結晶成長が可能となる。基板１１の形成材料としてＡｌＮを用いた場合、ＡｌＮ層３０と基板１１との間の差異が同一材料のため、ＡｌＮ層３０と基板１１との境界が不明確となる。本実施形態では、基板１１がＡｌＮで形成されている場合には、基板１１上にＡｌＮ層が積層されていなくても、窒化物半導体素子１はＡｌＮ層を有していると見做すことにする。ＡｌＮ層３０は、第一窒化物半導体層３１よりも薄く形成されているが、これに限らない。第一窒化物半導体層３１がＡｌＮ層３０よりも厚い場合、クラックを抑制する範囲内で第一窒化物半導体層３１を出来る限り厚膜化することができるため、第一窒化物半導体層３１の薄膜積層の水平方向の抵抗が低減され、低電圧駆動の窒化物半導体素子１を実現することができる。窒化物半導体素子１の低電圧駆動が実願すると、発熱による高電流密度駆動下での破壊をより抑制することが可能となる。ＡｌＮ層３０は、第一窒化物半導体層３１との間の格子定数差および熱膨張係数差が小さく、欠陥の少ない窒化物半導体層をＡｌＮ層３０上に成長できる。さらに、ＡｌＮ層３０は、圧縮応力下で第一窒化物半導体層３１を成長させることができ、第一窒化物半導体層３１にクラックの発生を抑制することができる。基板１１がＧａＮおよびＡｌＮおよびＡｌＧａＮ等の窒化物半導体で形成されている場合、上記理由のため欠陥の少ない窒化物半導体層を基板１１上に成長できる。このため、基板１１がＧａＮおよびＡｌＮおよびＡｌＧａＮ等
の窒化物半導体で形成されている場合、ＡｌＮ層３０が設けられていなくてもよい。また、その他の基板上においても、高品質のＡｌＧａＮを直接基板上に形成し、ＡｌＮを有さなくても良い。ＡｌＮ層３０には、炭素やケイ素、鉄、マグネシウム等の不純物が混入されていてもよい。
(AlN layer)
The AlN layer 30 is formed on the entire surface of the substrate 11. In this example, the AlN layer 30 has a thickness of several micrometers (for example, 1.6 μm), but the thickness is not limited to this value. Specifically, the thickness of the AlN layer 30 is preferably thicker than 10 nm and thinner than 10 μm. When the thickness of the AlN layer 30 is thicker than 10 nm, highly crystalline AlN can be produced, and when the thickness of the AlN layer 30 is thinner than 10 μm, crack-free crystal growth is possible over the entire surface of the wafer. The AlN layer 30 preferably has a thickness of more than 50 nm and less than 5 μm. When the thickness of the AlN layer 30 is thicker than 50 nm, highly crystalline AlN can be produced with good reproducibility, and when the thickness of the AlN layer 30 is thinner than 5 μm, crystal growth with a low probability of cracking is possible. When AlN is used as the material for forming the substrate 11, the difference between the AlN layer 30 and the substrate 11 is that they are made of the same material, so the boundary between the AlN layer 30 and the substrate 11 becomes unclear. In this embodiment, if the substrate 11 is made of AlN, the nitride semiconductor device 1 is considered to have an AlN layer even if no AlN layer is stacked on the substrate 11. Make it. Although the AlN layer 30 is formed thinner than the first nitride semiconductor layer 31, the invention is not limited thereto. When the first nitride semiconductor layer 31 is thicker than the AlN layer 30, the first nitride semiconductor layer 31 can be made as thick as possible within the range of suppressing cracks. The horizontal resistance of the thin film stack is reduced, and a nitride semiconductor device 1 driven at a low voltage can be realized. If the nitride semiconductor device 1 is driven at a low voltage, it will be possible to further suppress destruction caused by heat generation under high current density driving. The AlN layer 30 has a small difference in lattice constant and a difference in thermal expansion coefficient with the first nitride semiconductor layer 31, and a nitride semiconductor layer with few defects can be grown on the AlN layer 30. Furthermore, the AlN layer 30 allows the first nitride semiconductor layer 31 to grow under compressive stress, and can suppress the occurrence of cracks in the first nitride semiconductor layer 31. When the substrate 11 is formed of a nitride semiconductor such as GaN, AlN, and AlGaN, a nitride semiconductor layer with fewer defects can be grown on the substrate 11 for the above reasons. Therefore, when the substrate 11 is formed of a nitride semiconductor such as GaN, AlN, and AlGaN, the AlN layer 30 may not be provided. Furthermore, even on other substrates, high-quality AlGaN may be formed directly on the substrate without AlN. The AlN layer 30 may contain impurities such as carbon, silicon, iron, and magnesium.
（第一窒化物半導体層）
第一窒化物半導体層３１を構成する第一積層部３１１を形成する材料は、Ａｌｘ１Ｇａ（１－ｘ１）Ｎ（０＜ｘ１＜１）が挙げられる。第一窒化物半導体層のＡｌ組成比率は断面構造のエネルギー分散型Ｘ線解析（ＥＤＸ）により特定することが出来る。断面は集束イオンビーム（ＦＩＢ）装置を用いてＡｌＧａＮのａ面に沿う断面を露出させる。断面の観察方法としては、透過型電子顕微鏡を用いる。観察する倍率は、測定する層の膜厚に対してｘ１０００倍／ｎｍとする。例えば、１００ｎｍの膜厚の層を観察するには１０００００倍、１μｍの膜厚の層を観察するには１００００００倍の倍率で観察する。Ａｌ組成比率は、ＡｌとＧａのモル数の和に対するＡｌのモル数の比率と定義でき、具体的にはＥＤＸから分析および定量されたＡｌ、Ｇａのモル数の値を用いて定義することができる。また、第一積層部３１１を形成するＡｌｘ１Ｇａ（１－ｘ１）Ｎには、Ｐ、Ａｓ、ＳｂといったＮ以外のＶ族元素や、Ｃ、Ｈ、Ｆ、Ｏ、Ｍｇ、Ｓｉなどの不純物が含まれていてもよい。第一積層部３１１がＡｌｘ１Ｇａ（１－ｘ１）Ｎで形成されることにより、第一積層部３１１の上面３１１ａは、第二積層部３１２が形成されていない領域がＡｌＧａＮで形成される。第一積層部３１１は、ＩＩＩ族元素としてＡｌ、Ｇａ以外の例えばＢやＩｎを含んでいてもよいが、ＢやＩｎを含む箇所において欠陥の形成や耐久性の変化が生まれることから、Ａｌ、Ｇａ以外のＩＩＩ族元素を含まないことが好ましい。本実施形態では、第一積層部３１１は例えばｎ型半導体である。第一積層部３１１をｎ型半導体にする場合、例えばＳｉをドープ（例えば１×１０１９ｃｍ－３）することで第一積層部３１１をｎ型化させる。第一積層部３１１をｐ型半導体にする場合、例えばＭｇをドープする（例えば３×１０１９ｃｍ－３）ことで第一積層部３１１をｐ型化させる。第一積層部３１１と第二電極１５の間は直接接触していても、トンネル接合のように異なる層を介して接続していても良い。ｎ型半導体で構成された第一窒化物半導体層３１が第二電極１５とトンネル接合されている場合、第一窒化物半導体層３１と第二電極１５との間にｐ型半導体が存在している。このため、第二電極１５は、このｐ型半導体とオーミック接合ができるために、例えばＮｉとＡｕの積層電極あるいは合金化した金属であることが好ましい。ここで、後述する組成変化層３２はＡｌが減少するＡｌＧａＮを用いるため、例えば基板として＋ｃ面サファイアの場合には組成変化層３２は分極によりｐ型半導体となる。－ｃ面サファイアを用いれば組成変化層３２は分極によりｎ型半導体となる。ＰＮダイオードを作製する観点から、第二積層部３１２は、＋ｃ面サファイアを用いる場合はｎ型半導体であり、－ｃ面サファイアを用いる場合はｐ型半導体である。
(First nitride semiconductor layer)
Examples of the material forming the first stacked portion 311 constituting the first nitride semiconductor layer 31 include Al x1 Ga (1-x1) N (0<x1<1). The Al composition ratio of the first nitride semiconductor layer can be determined by energy dispersive X-ray analysis (EDX) of the cross-sectional structure. A cross section along the a-plane of AlGaN is exposed using a focused ion beam (FIB) device. A transmission electron microscope is used to observe the cross section. The magnification for observation is x1000 times/nm relative to the thickness of the layer to be measured. For example, to observe a layer with a thickness of 100 nm, the magnification is 100,000 times, and to observe a layer with a thickness of 1 μm, it is observed at a magnification of 1,000,000 times. The Al composition ratio can be defined as the ratio of the number of moles of Al to the sum of the number of moles of Al and Ga, and specifically, it can be defined using the values of the number of moles of Al and Ga analyzed and quantified from EDX. can. In addition, the Al x1 Ga (1-x1) N forming the first laminated portion 311 contains group V elements other than N such as P, As, and Sb, and impurities such as C, H, F, O, Mg, and Si. may be included. Since the first laminated portion 311 is formed of Al x1 Ga (1-x1) N, the region of the upper surface 311a of the first laminated portion 311 where the second laminated portion 312 is not formed is formed of AlGaN. The first laminated portion 311 may contain a group III element other than Al or Ga, such as B or In, but defects may be formed or the durability may change at locations containing B or In. It is preferable that group III elements other than Ga are not included. In this embodiment, the first stacked portion 311 is, for example, an n-type semiconductor. When making the first stacked portion 311 an n-type semiconductor, the first stacked portion 311 is made to be an n-type semiconductor by doping Si (for example, 1×10 19 cm −3 ). When making the first stacked portion 311 a p-type semiconductor, the first stacked portion 311 is made to be p-type by doping, for example, Mg (for example, 3×10 19 cm −3 ). The first laminated portion 311 and the second electrode 15 may be in direct contact with each other, or may be connected through different layers such as a tunnel junction. When the first nitride semiconductor layer 31 made of an n-type semiconductor is tunnel-junctioned with the second electrode 15, a p-type semiconductor exists between the first nitride semiconductor layer 31 and the second electrode 15. There is. For this reason, the second electrode 15 is preferably a laminated electrode of Ni and Au or an alloyed metal, for example, in order to form an ohmic contact with the p-type semiconductor. Here, since the composition change layer 32 described later uses AlGaN in which Al is reduced, for example, when the substrate is +c-plane sapphire, the composition change layer 32 becomes a p-type semiconductor due to polarization. If -c-plane sapphire is used, the composition change layer 32 becomes an n-type semiconductor due to polarization. From the viewpoint of manufacturing a PN diode, the second laminated portion 312 is an n-type semiconductor when +c-plane sapphire is used, and a p-type semiconductor when −c-plane sapphire is used.
第一窒化物半導体層３１を構成する第二積層部３１２は、第一積層部３１１の上であって第一積層部３１１の一部に形成されている。第二積層部３１２は、第一積層部３１１の上面３１１ａの全面に形成されていてもよい。第二積層部３１２は、発光部３５へ電子あるいは正孔を供給するために、導電性を有していてもよい。第二積層部３１２の厚さは、特に制限されない。例えば、第二積層部３１２の抵抗を低減させるために１００ｎｍ以上であってもよいし、第二積層部３１２の形成時のクラックの発生を抑制する観点から１０μｍ以下であってもよい。
The second laminated portion 312 constituting the first nitride semiconductor layer 31 is formed above the first laminated portion 311 and in a part of the first laminated portion 311 . The second laminated portion 312 may be formed on the entire upper surface 311a of the first laminated portion 311. The second laminated portion 312 may have electrical conductivity in order to supply electrons or holes to the light emitting portion 35. The thickness of the second laminated portion 312 is not particularly limited. For example, the thickness may be 100 nm or more in order to reduce the resistance of the second laminated portion 312, or it may be 10 μm or less from the viewpoint of suppressing the occurrence of cracks during formation of the second laminated portion 312.
第二積層部３１２を形成する材料は、Ａｌｘ１Ｇａ（１－ｘ１）Ｎ（０≦ｘ１≦１）が挙げられる。第二積層部３１２を形成するＡｌｘ１Ｇａ（１－ｘ１）ＮのＡｌ組成比ｘ１は、第一積層部３１１の上面３１１ａのＡｌｘ１Ｇａ（１－ｘ１）ＮのＡｌ組成比ｘ１と同じであってもよいし、上面３１１ａのＡｌｘ１Ｇａ（１－ｘ１）ＮのＡｌ組成比ｘ１よりも小さくてもよい。これにより、第一積層部３１１と第二積層部３１２との積層界面で
の欠陥の発生を抑制することが可能となる。また、第二積層部３１２を形成する材料には、Ｐ、Ａｓ又はＳｂといったＮ以外のＶ族元素や、Ｉｎ又はＢといったＩＩＩ族元素、Ｃ、Ｈ、Ｆ、Ｏ、Ｓｉ、Ｃｄ、Ｚｎ又はＢｅなどの不純物が含まれていてもよい。
Examples of the material forming the second laminated portion 312 include Al x1 Ga (1-x1) N (0≦x1≦1). The Al composition ratio x1 of Al x1 Ga (1-x1) N forming the second laminated portion 312 is the same as the Al composition ratio x1 of Al x1 Ga (1-x1) N on the upper surface 311a of the first laminated portion 311. Alternatively, the Al composition ratio x1 of Al x1 Ga (1-x1) N on the upper surface 311a may be smaller. This makes it possible to suppress the occurrence of defects at the lamination interface between the first laminated portion 311 and the second laminated portion 312. In addition, the material forming the second laminated portion 312 includes a group V element other than N such as P, As or Sb, a group III element such as In or B, C, H, F, O, Si, Cd, Zn or Impurities such as Be may be included.
本実施形態では、第二積層部３１２は例えばｎ型半導体である。第二積層部３１２がｎ型半導体の場合、例えばＳｉを１×１０１９ｃｍ－３ドープすることでｎ型化させることが可能である。第二積層部３１２がｐ型半導体の場合、例えばＭｇを３×１０１９ｃｍ－３ドープすることでｐ型化させることが可能である。不純物濃度は、層全体で一様であっても、不均一であっても良く、また膜厚方向にのみ不均一でも、基板水平方向にのみ不均一であっても良い。
In this embodiment, the second laminated portion 312 is, for example, an n-type semiconductor. If the second laminated portion 312 is an n-type semiconductor, it can be made into an n-type semiconductor by doping, for example, 1×10 19 cm −3 Si. If the second laminated portion 312 is a p-type semiconductor, it can be made p-type by doping, for example, 3×10 19 cm −3 Mg. The impurity concentration may be uniform throughout the layer or may be non-uniform, or may be non-uniform only in the film thickness direction, or may be non-uniform only in the horizontal direction of the substrate.
ここで、第一窒化物半導体層３１のＡｌ組成比ｘ１及び膜厚について図３を用いて説明する。図３は、窒化物半導体素子１に設けられた第一窒化物半導体層３１のＡｌ組成比ｘ１に対する導波損失の一例を示すグラフである。図３中の横軸は第一窒化物半導体層３１のＡｌ組成比ｘ１（％）を示し、縦軸は導波損失（ｃｍ－１）を示している。
Here, the Al composition ratio x1 and film thickness of the first nitride semiconductor layer 31 will be explained using FIG. 3. FIG. 3 is a graph showing an example of waveguide loss with respect to the Al composition ratio x1 of the first nitride semiconductor layer 31 provided in the nitride semiconductor device 1. The horizontal axis in FIG. 3 represents the Al composition ratio x1 (%) of the first nitride semiconductor layer 31, and the vertical axis represents the waveguide loss (cm −1 ).
表１は、図３及び後述する図４から図８に示すグラフを得るための窒化物半導体素子１の電流および発光シミュレーションの基本モデルを示している。このシミュレーションでは、窒化物半導体素子１はレーザダイオードを想定している。表１の１段目に示す「層の名称」は窒化物半導体素子１を構成する各層を示し、「Ａｌ組成比（％）」は「層の名称」欄に記載された各層を形成するＡｌＧａＮのＡｌ組成比を百分率で示している。表１の１段目に示す「膜厚（ｎｍ）」は「層の名称」欄に記載された各層の膜厚（単位はナノメートル（ｎｍ））を示している。表１の１段目に示す「ドーピング（ｃｍ－３）」は「層の名称」欄に記載された各層に注入された不純物の種類及び濃度を示している。なお、不純物が注入されていない層に対応する「ドーピング（ｃｍ－３）」欄には「－」が記載されている。表１の１段目に示す「電子移動度（ｃｍ２／Ｖｓ）」は「層の名称」欄に記載された各層における電子移動度を示し、「正孔移動度（ｃｍ２／Ｖｓ）」は「層の名称」欄に記載された各層における正孔移動度を示している。表１の「Ａｌ組成比（％）」欄の第二組成変化領域に対応する箇所に記載された「５０→０」は、第二組成変化領域のＡｌ組成比が第一組成変化領域側の端部から第二窒化物半導体層側の端部に向かって５０％から０％に変化すること示している。表１の「Ａｌ組成比（％）」欄の第一組成変化領域に対応する箇所に記載された「８０→５０」は、第一組成変化領域のＡｌ組成比が電子ブロック層側の端部から第二組成変化領域側の端部に向かって８０％から５０％に変化すること示している。シミュレーションには、ＳＴＲ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ 社のＳｉＬＥＮＳｅ ＬＤ Ｅｄｉｔｉｏｎを用いた。
Table 1 shows a basic model for current and light emission simulation of the nitride semiconductor device 1 to obtain graphs shown in FIG. 3 and FIGS. 4 to 8, which will be described later. In this simulation, the nitride semiconductor device 1 is assumed to be a laser diode. "Layer name" shown in the first row of Table 1 indicates each layer constituting the nitride semiconductor device 1, and "Al composition ratio (%)" indicates AlGaN forming each layer listed in the "Layer name" column. The Al composition ratio is shown in percentage. "Film thickness (nm)" shown in the first row of Table 1 indicates the film thickness (unit: nanometers (nm)) of each layer described in the "Layer name" column. "Doping (cm -3 )" shown in the first row of Table 1 indicates the type and concentration of impurities implanted into each layer listed in the "Layer name" column. Note that "-" is written in the "Doping (cm -3 )" column corresponding to the layer into which no impurity is implanted. "Electron mobility (cm 2 /Vs)" shown in the first row of Table 1 indicates the electron mobility in each layer listed in the "Layer name" column, and "hole mobility (cm 2 /Vs)" indicates the hole mobility in each layer listed in the "Layer name" column. “50→0” written in the “Al composition ratio (%)” column of Table 1 corresponding to the second composition change region means that the Al composition ratio of the second composition change region is closer to the first composition change region side. It is shown that it changes from 50% to 0% from the end toward the end on the second nitride semiconductor layer side. "80 → 50" written in the section corresponding to the first composition change area in the "Al composition ratio (%)" column of Table 1 means that the Al composition ratio of the first composition change area is at the end of the electron block layer side. It is shown that the composition changes from 80% to 50% toward the end on the second composition change region side. For the simulation, STR Corporation's SiLENSe LD Edition was used.
図３及び後述する図４から図８に示すグラフを得るために、表１に示す電流シミュレーションの基本モデルに加え、レーザシミュレーションモデルとして次の各パラメータが設定されている。窒化物半導体素子１の共振器幅、すなわちリッジ部半導体層１７の幅は３μｍに設定されている。また、窒化物半導体素子１の共振器長、すなわち共振器面１６ａ及び裏側共振器面１６ｂとの間の長さは５００μｍに設定されている。さらに、共振器面１６ａ及び裏側共振器面１６ｂのそれぞれの反射率は１８％に設定されている。
In order to obtain the graphs shown in FIG. 3 and FIGS. 4 to 8, which will be described later, in addition to the basic model of current simulation shown in Table 1, the following parameters are set as a laser simulation model. The resonator width of the nitride semiconductor device 1, that is, the width of the ridge semiconductor layer 17 is set to 3 μm. Further, the resonator length of the nitride semiconductor element 1, that is, the length between the resonator surface 16a and the back side resonator surface 16b, is set to 500 μm. Further, the reflectance of each of the resonator surface 16a and the back resonator surface 16b is set to 18%.
共振器（すなわち発光部３５）における導波損失をαｉとし、共振器の長さ（すなわち共振器面１６ａ及び裏側共振器面１６ｂの間の距離）をＬとし、光取り出し側の共振器面１６ａの反射率をＲｆとし、光取り出し側ではない裏側共振器面１６ｂの反射率をＲｒとし、ミラー損失をαｍとし、発振閾値利得をｇｔｈとすると、ミラー損失は、以下の式（１）で表すことができ、発振閾値利得は、以下の式（２）で表すことができる。
The waveguide loss in the resonator (i.e., the light emitting section 35) is αi, the length of the resonator (i.e., the distance between the resonator surface 16a and the back resonator surface 16b) is L, and the resonator surface 16a on the light extraction side is When the reflectance of is Rf, the reflectance of the back side resonator surface 16b which is not on the light extraction side is Rr, the mirror loss is αm, and the oscillation threshold gain is gth, the mirror loss is expressed by the following equation (1). The oscillation threshold gain can be expressed by the following equation (2).
式（２）に示すように、窒化物半導体素子１は、導波損失αｉ及びミラー損失αｍが小さくなることにより、発振閾値利得ｇｔｈの低減を図ることができる。窒化物半導体素子１は、利得ｇが導波損失αｉおよびミラー損失αｍを合わせた光学損失を上回ることにより発振に至る。発振に至る利得ｇが発振閾値利得ｇｔｈである。発振電流密度の閾値（以下、「閾値電流密度」と称する場合がある）Ｊｔｈは、発振閾値利得ｇｔｈに加えて、窒
化物半導体素子１に外部電源から注入されたキャリアのうち、光子へとエネルギー変換される効率を表す内部効率、及び窒化物半導体素子１中での基板垂直方向の光強度分布中の井戸層３５２ａとの重なり割合で表される光閉じ込め係数、窒化物半導体活性層３５２の膜厚にも影響される。しかしながら、窒化物半導体素子１の内部効率、及び光閉じ込め係数は、後述する実施例では一定であることが確認されている。同様に、ミラー損失αｍは後述する実施例中では３４．３ｃｍ－１で一定であることが確認されている。また、活性層の膜厚は当該実施例中では全設計で同一の膜厚を用いている。つまり、発振するための閾値電流密度Ｊｔｈは、導波損失αｉが支配因子となっており、後述する実施例ではαｉが低い素子ほど閾値電流密度Ｊｔｈが低く、好ましい素子であるということが出来る。
As shown in equation (2), the nitride semiconductor device 1 can reduce the oscillation threshold gain gth by reducing the waveguide loss αi and the mirror loss αm. The nitride semiconductor device 1 oscillates when the gain g exceeds the optical loss that is the sum of the waveguide loss αi and the mirror loss αm. The gain g that leads to oscillation is the oscillation threshold gain gth. The threshold value of the oscillation current density (hereinafter sometimes referred to as "threshold current density") Jth is the oscillation threshold gain gth, as well as the amount of energy converted into photons among the carriers injected into the nitride semiconductor device 1 from the external power supply. The internal efficiency, which represents the conversion efficiency, the optical confinement coefficient, which is represented by the overlap ratio with the well layer 352a in the light intensity distribution in the substrate vertical direction in the nitride semiconductor element 1, and the film of the nitride semiconductor active layer 352. It is also affected by thickness. However, it has been confirmed that the internal efficiency and optical confinement coefficient of the nitride semiconductor device 1 are constant in the examples described below. Similarly, it has been confirmed that the mirror loss αm is constant at 34.3 cm −1 in the examples described later. Furthermore, the same thickness of the active layer is used in all designs in this example. That is, the threshold current density Jth for oscillation is determined by the waveguide loss αi, and in the examples described later, the element with a lower αi has a lower threshold current density Jth, and can be said to be a preferable element.
図３に示すように、導波損失αｉは、第一窒化物半導体層３１のＡｌ組成比ｘ１が高くなるほど大きくなる。シミュレーションにおいて、第一窒化物半導体層３１のＡｌ組成比が５０％未満の領域ではレーザ発振が確認されず、第一窒化物半導体層３１のＡｌ組成比が８０％以上の領域では電流が流れずレーザ発振は確認できなかった。
As shown in FIG. 3, the waveguide loss αi increases as the Al composition ratio x1 of the first nitride semiconductor layer 31 increases. In the simulation, no laser oscillation was observed in a region where the Al composition ratio of the first nitride semiconductor layer 31 was less than 50%, and no current flowed in a region where the Al composition ratio of the first nitride semiconductor layer 31 was 80% or more. No laser oscillation could be confirmed.
窒化物半導体素子１のシミュレーションにおいて、第一窒化物半導体層３１のＡｌ組成比ｘ１が、窒化物半導体活性層３５２の配置側とは反対側の第一組成変化領域３２１の端部でのＡｌ組成比ｘ３よりも０．０５以上０．３未満だけ高いと、窒化物半導体素子１は発振することが確認された。したがって、第一窒化物半導体層３１は、例えば窒化物半導体活性層３５２の配置側とは反対側の第一組成変化領域３２１の端部よりもＡｌ組成比が高くなるように形成されているとよい。つまり、第一窒化物半導体層３１のＡｌ組成比ｘ１は、第一組成変化領域３２１の両端部のうちの第二組成変化領域３２２側の端部におけるＡｌ組成比ｘ３よりも高くなっているとよい。第一窒化物半導体層３１のＡｌ組成比ｘ１は、より好ましくは０．０５以上０．１以下である。第一窒化物半導体層３１のＡｌ組成比ｘ１がこの範囲にあることにより、特に発振閾値を低くすることができ、さらに必要以上に第一窒化物半導体層３１のＡｌ組成比率を高くする必要がなくなる。これにより、第一窒化物半導体層３１と第一電極１４との間のコンタクト抵抗、および第一窒化物半導体層３１の半導体の抵抗を低減することができるため、窒化物半導体素子１の駆動電圧を低減させることが出来る。窒化物半導体素子１の駆動電圧を低減させることで発熱量を抑えることが出来、より高電流密度を実現することが出来、高出力な発光素子や低閾値のレーザダイオードを実現できる。
In the simulation of the nitride semiconductor device 1, the Al composition ratio x1 of the first nitride semiconductor layer 31 is the Al composition at the end of the first composition change region 321 on the opposite side to the side where the nitride semiconductor active layer 352 is arranged. It was confirmed that the nitride semiconductor device 1 oscillates when the ratio is 0.05 or more and less than 0.3 higher than the ratio x3. Therefore, the first nitride semiconductor layer 31 is formed such that the Al composition ratio is higher than that of the end of the first composition change region 321 on the side opposite to the side where the nitride semiconductor active layer 352 is arranged. good. In other words, the Al composition ratio x1 of the first nitride semiconductor layer 31 is higher than the Al composition ratio x3 at the end on the second composition change region 322 side of both ends of the first composition change region 321. good. The Al composition ratio x1 of the first nitride semiconductor layer 31 is more preferably 0.05 or more and 0.1 or less. By having the Al composition ratio x1 of the first nitride semiconductor layer 31 within this range, the oscillation threshold can be particularly lowered, and there is no need to make the Al composition ratio of the first nitride semiconductor layer 31 higher than necessary. It disappears. Thereby, the contact resistance between the first nitride semiconductor layer 31 and the first electrode 14 and the resistance of the semiconductor of the first nitride semiconductor layer 31 can be reduced, so that the driving voltage of the nitride semiconductor element 1 can be reduced. can be reduced. By reducing the drive voltage of the nitride semiconductor device 1, the amount of heat generated can be suppressed, a higher current density can be achieved, and a high output light emitting device or a low threshold laser diode can be realized.
第一窒化物半導体層３１の形成材料であるＡｌｘ１Ｇａ（１－ｘ１）ＮのＡｌ組成比ｘ１が０．２より大きいことにより、第一窒化物半導体層３１と下部ガイド層３５１との間に組成差をつけることが可能となる。加えて、下部ガイド層３５１と第二窒化物半導体層３３との間に組成差をつけることが容易となる。前述したとおり、下部ガイド層３５１はＡｌ組成を第一窒化物半導体層３１の第二積層部３１２より小さくする必要があるため、組成差を製造工程において制御性良く形成することは光を閉じ込める観点から必要不可欠である。
Since the Al composition ratio x1 of Al x1 Ga (1-x1) N, which is the forming material of the first nitride semiconductor layer 31, is larger than 0.2, the gap between the first nitride semiconductor layer 31 and the lower guide layer 351 is It becomes possible to make compositional differences between the two. In addition, it becomes easy to create a compositional difference between the lower guide layer 351 and the second nitride semiconductor layer 33. As mentioned above, since the Al composition of the lower guide layer 351 needs to be smaller than that of the second laminated portion 312 of the first nitride semiconductor layer 31, forming the composition difference with good controllability in the manufacturing process is important from the viewpoint of confining light. It is essential.
第一窒化物半導体層３１の形成材料であるＡｌｘ１Ｇａ（１－ｘ１）ＮのＡｌ組成比ｘ１は、１より小さくてもよい。一般的にＳｉＣ、サファイア、ＺｎＯなどの異種基板を用いたとしても、あるいはＡｌＮ基板を用いたとしても、これらの基板の上層には、基板上に積層させるＩＩＩ族窒化物半導体と擬似格子整合するＡｌＮを積層させることが紫外受発光素子においては特に一般的である。このため、基板上に積層される当該ＡｌＮと、第一窒化物半導体層３１との間の格子定数差が小さく、高品質の結晶成長が可能となる。
The Al composition ratio x1 of Al x1 Ga (1-x1) N, which is the material for forming the first nitride semiconductor layer 31, may be smaller than 1. Generally, even if a different type of substrate such as SiC, sapphire, or ZnO is used, or even if an AlN substrate is used, the upper layer of these substrates has a layer that is pseudolattice-matched to the group III nitride semiconductor layered on the substrate. Laminating AlN is particularly common in ultraviolet light emitting/receiving devices. Therefore, the difference in lattice constant between the AlN stacked on the substrate and the first nitride semiconductor layer 31 is small, and high-quality crystal growth is possible.
（下部ガイド層）
下部ガイド層３５１は、第一窒化物半導体層３１の第二積層部３１２の上に形成されている。下部ガイド層３５１は、窒化物半導体活性層３５２で発光した光を発光部３５に閉
じ込めるために、第二積層部３１２と屈折率差をつけている。下部ガイド層３５１を形成する材料として、ＡｌＮ、ＧａＮの混晶が挙げられる。下部ガイド層３５１を形成する材料の具体例は、Ａｌｘ４Ｇａ（１－ｘ４）Ｎ（０＜ｘ４＜１）である。下部ガイド層のＡｌ組成比率は断面構造のエネルギー分散型Ｘ線解析（ＥＤＸ）により特定することが出来る。Ａｌ組成比率は、ＡｌとＧａのモル数の和に対するＡｌのモル数の比率と定義でき、具体的にはＥＤＸから分析および定量されたＡｌ、Ｇａのモル数の値を用いて定義することができる。下部ガイド層３５１を形成するＡｌｘ４Ｇａ（１－ｘ４）ＮのＡｌ組成比ｘ４は、第二積層部３１２を形成するＡｌｘ１Ｇａ（１－ｘ１）ＮのＡｌ組成比ｘ１よりも小さくてもよい。これにより、下部ガイド層３５１は、第二積層部３１２よりも屈折率が大きくなり、窒化物半導体活性層３５２で発光した光を発光部３５に閉じ込めることが可能となる。また、下部ガイド層３５１を形成する材料には、Ｐ、Ａｓ又はＳｂといったＮ以外のＶ族元素や、Ｉｎ又はＢといったＩＩＩ族元素、Ｃ、Ｈ、Ｆ、Ｏ、Ｓｉ、Ｃｄ、Ｚｎ又はＢｅなどの不純物が含まれていてもよい。
(Lower guide layer)
The lower guide layer 351 is formed on the second laminated portion 312 of the first nitride semiconductor layer 31 . The lower guide layer 351 has a refractive index different from that of the second laminated portion 312 in order to confine the light emitted by the nitride semiconductor active layer 352 into the light emitting portion 35 . As a material for forming the lower guide layer 351, a mixed crystal of AlN and GaN can be used. A specific example of the material forming the lower guide layer 351 is Al x4 Ga (1-x4) N (0<x4<1). The Al composition ratio of the lower guide layer can be specified by energy dispersive X-ray analysis (EDX) of the cross-sectional structure. The Al composition ratio can be defined as the ratio of the number of moles of Al to the sum of the number of moles of Al and Ga, and specifically, it can be defined using the values of the number of moles of Al and Ga analyzed and quantified from EDX. can. Even if the Al composition ratio x4 of Al x4 Ga (1-x4) N forming the lower guide layer 351 is smaller than the Al composition ratio x1 of Al x1 Ga (1-x1) N forming the second laminated portion 312, good. As a result, the lower guide layer 351 has a higher refractive index than the second laminated portion 312, making it possible to confine the light emitted by the nitride semiconductor active layer 352 in the light emitting portion 35. In addition, the materials forming the lower guide layer 351 include V group elements other than N such as P, As, or Sb, III group elements such as In or B, C, H, F, O, Si, Cd, Zn, or Be. It may contain impurities such as.
下部ガイド層３５１がｎ型半導体の場合、例えばＳｉを１×１０１９ｃｍ－３ドープすることでｎ型化させることが可能である。下部ガイド層３５１がｐ型半導体の場合、例えばＭｇを３×１０１９ｃｍ－３ドープすることでｐ型化させることが可能である。下部ガイド層３５１は膜厚方向の一部分にのみドーパントを有していても良い。つまり、下部ガイド層３５１の膜厚方向の一部分では、ｎ型半導体とアンドープ層や、ｐ型半導体とアンドープ層が組み合わされていても良い。下部ガイド層３５１は、アンドープ層であってもよい。下部ガイド層３５１は、組成を傾斜させた構造を有していてもよい。例えば、下部ガイド層３５１は、Ａｌｘ４Ｇａ（１－ｘ４）ＮのＡｌ組成比ｘ４を０．６から０．５に連続的又は階段状に変化させる層構造を有していてもよい。下部ガイド層３５１の厚さは、特に制限されない。下部ガイド層３５１の厚さは、窒化物半導体活性層３５２からの発光を効率よく発光部３５へ閉じ込めるために１０ｎｍ以上であってもよい、また、下部ガイド層３５１の厚さは、下部ガイド層３５１の抵抗を低減させる観点から２μｍ以下であってもよい。下部ガイド層３５１は、光を発光部３５に閉じ込める目的を保持する範囲内でブロック層となるＡｌＧａＮ層を有していても良い。これは、後述する電子ブロック層３４と同様にキャリアをブロックすることを目的とする。
If the lower guide layer 351 is an n-type semiconductor, it can be made into an n-type semiconductor by doping, for example, 1×10 19 cm −3 of Si. If the lower guide layer 351 is a p-type semiconductor, it can be made p-type by doping, for example, 3×10 19 cm −3 Mg. The lower guide layer 351 may have a dopant only in a portion in the thickness direction. That is, in a portion of the lower guide layer 351 in the film thickness direction, an n-type semiconductor and an undoped layer, or a p-type semiconductor and an undoped layer may be combined. The lower guide layer 351 may be an undoped layer. The lower guide layer 351 may have a structure in which the composition is graded. For example, the lower guide layer 351 may have a layer structure in which the Al composition ratio x4 of Al x4 Ga (1-x4) N is changed continuously or stepwise from 0.6 to 0.5. The thickness of the lower guide layer 351 is not particularly limited. The thickness of the lower guide layer 351 may be 10 nm or more in order to efficiently confine the light emitted from the nitride semiconductor active layer 352 into the light emitting part 35. From the viewpoint of reducing the resistance of 351, the thickness may be 2 μm or less. The lower guide layer 351 may include an AlGaN layer serving as a blocking layer as long as the purpose of confining light in the light emitting section 35 is maintained. The purpose of this is to block carriers similarly to the electron blocking layer 34 described later.
（窒化物半導体活性層）
窒化物半導体活性層３５２は、窒化物半導体素子１の発光が得られる層である。つまり、窒化物半導体活性層３５２は、発光層である。窒化物半導体活性層３５２を形成する材料として、ＡｌＮ、ＧａＮ、およびその混晶が挙げられる。窒化物半導体活性層３５２を形成する材料の具体例は、ＡｌｘＧａ（１－ｘ）Ｎ（０≦ｘ≦１）である。窒化物半導体活性層３５２のＡｌｘＧａ（１－ｘ）ＮのＡｌ組成比ｘは、第一電極１４および第二電極１５から注入したキャリアを効率よく発光部３５に閉じ込めるために、下部ガイド層３５１のＡｌｘ４Ｇａ（１－ｘ４）ＮのＡｌ組成比ｘ４よりも小さくてもよい。例えば、窒化物半導体活性層３５２は、Ａｌ組成比ｘが０．２≦ｘ＜１の関係を満たすＡｌｘＧａ（１－ｘ）Ｎで形成されていてもよい。また、窒化物半導体活性層３５２を形成する材料には、Ｐ、Ａｓ又はＳｂといったＮ以外のＶ族元素や、Ｉｎ又はＢといったＩＩＩ族元素、Ｃ、Ｈ、Ｆ、Ｏ、Ｓｉ、Ｃｄ、Ｚｎ又はＢｅなどの不純物が含まれていてもよい。
(Nitride semiconductor active layer)
The nitride semiconductor active layer 352 is a layer from which the nitride semiconductor element 1 emits light. In other words, the nitride semiconductor active layer 352 is a light emitting layer. Materials for forming the nitride semiconductor active layer 352 include AlN, GaN, and mixed crystal thereof. A specific example of the material forming the nitride semiconductor active layer 352 is Al x Ga (1-x) N (0≦x≦1). The Al composition ratio x of Al x Ga (1-x) N in the nitride semiconductor active layer 352 is set so that the lower guide layer It may be smaller than the Al composition ratio x4 of Al x4 Ga (1-x4) N of 351. For example, the nitride semiconductor active layer 352 may be formed of Al x Ga (1-x) N where the Al composition ratio x satisfies the relationship 0.2≦x<1. In addition, the materials forming the nitride semiconductor active layer 352 include group V elements other than N such as P, As, or Sb, group III elements such as In or B, C, H, F, O, Si, Cd, and Zn. Alternatively, impurities such as Be may be included.
窒化物半導体活性層３５２がｎ型半導体の場合、例えばＳｉを１×１０１９ｃｍ－３ドープすることでｎ型化させることが可能である。窒化物半導体活性層３５２がｐ型半導体の場合、例えばＭｇを３×１０１９ｃｍ－３ドープすることでｐ型化させることが可能である。窒化物半導体活性層３５２は、アンドープ層でもよい。
When the nitride semiconductor active layer 352 is an n-type semiconductor, it can be made into an n-type by doping, for example, 1×10 19 cm −3 of Si. If the nitride semiconductor active layer 352 is a p-type semiconductor, it can be made p-type by doping, for example, 3×10 19 cm −3 Mg. The nitride semiconductor active layer 352 may be an undoped layer.
窒化物半導体活性層３５２は、例えばＡｌｘ５Ｇａ（１－ｘ５）Ｎで形成された井戸層３５２ａ（図２参照）と、井戸層３５２ａに隣接して設けられて例えばＡｌｘ４Ｇａ（１
－ｘ４）Ｎで形成された障壁層３５２ｂ（図２参照）を有し、井戸層３５２ａ（図２参照）及び障壁層３５２ｂが１つずつ交互に積層された多重量子井戸（ＭＱＷ：Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｗｅｌｌ）構造を有していてもよい。井戸層３５２ａのＡｌ組成比ｘ５は、下部ガイド層３５１および上部ガイド層３５３のそれぞれのＡｌ組成比ｘ４よりも小さい。また、井戸層３５２ａのＡｌ組成比ｘ５は、障壁層３５２ｂのＡｌ組成比ｘ４よりも小さい。本実施形態では、障壁層３５２ｂのＡｌ組成比ｘ４は、下部ガイド層３５１および上部ガイド層３５３のそれぞれのＡｌ組成比ｘ４と同一であるが、下部ガイド層３５１および上部ガイド層３５３のそれぞれのＡｌ組成比ｘ４より高くても低くてもよい。井戸層３５２ａおよび障壁層３５２ｂの平均のＡｌ組成比が窒化物半導体活性層３５２のＡｌ組成比ｘとなる。窒化物半導体素子１は、多重量子井戸構造の窒化物半導体活性層３５２を有することにより、窒化物半導体活性層３５２の発光効率や発光強度の向上を図ることができる。井戸層３５２ａおよび障壁層３５２ｂのＡｌ組成比率は断面構造のエネルギー分散型Ｘ線解析（ＥＤＸ）により特定することが出来る。Ａｌ組成比率は、ＡｌとＧａのモル数の和に対するＡｌのモル数の比率と定義でき、具体的にはＥＤＸから分析および定量されたＡｌ、Ｇａのモル数の値を用いて定義することができる。窒化物半導体活性層３５２は、例えば「障壁層／井戸層／障壁層／井戸層／障壁層」という二重量子井戸構造を有していてもよい。これら井戸層のそれぞれの膜厚は例えば４ｎｍであってよく、これらの障壁層のそれぞれの膜厚は例えば８ｎｍであってよく、窒化物半導体活性層３５２の膜厚は３２ｎｍであってもよい。多重量子井戸層の量子井戸数は１層であっても（つまり、多重量子井戸ではなく単量子井戸）、２層、３層、４層、５層であっても良い。１つの井戸層内のキャリア密度を増加させる目的から、単一井戸層であることが好ましい。
The nitride semiconductor active layer 352 includes a well layer 352a (see FIG. 2) formed of, for example, Al x5 Ga (1-x5) N, and a well layer 352a (see FIG. 2) formed of, for example, Al x4 Ga (1
-x4) A multiple quantum well (MQW) having a barrier layer 352b (see FIG. 2) made of N, and in which one well layer 352a (see FIG. 2) and one barrier layer 352b are alternately stacked. ) structure. The Al composition ratio x5 of the well layer 352a is smaller than the Al composition ratio x4 of each of the lower guide layer 351 and the upper guide layer 353. Further, the Al composition ratio x5 of the well layer 352a is smaller than the Al composition ratio x4 of the barrier layer 352b. In this embodiment, the Al composition ratio x4 of the barrier layer 352b is the same as the Al composition ratio x4 of each of the lower guide layer 351 and the upper guide layer 353; The composition ratio may be higher or lower than x4. The average Al composition ratio of the well layer 352a and the barrier layer 352b becomes the Al composition ratio x of the nitride semiconductor active layer 352. By having the nitride semiconductor active layer 352 having a multiple quantum well structure, the nitride semiconductor device 1 can improve the luminous efficiency and luminous intensity of the nitride semiconductor active layer 352. The Al composition ratio of the well layer 352a and the barrier layer 352b can be determined by energy dispersive X-ray analysis (EDX) of the cross-sectional structure. The Al composition ratio can be defined as the ratio of the number of moles of Al to the sum of the number of moles of Al and Ga, and specifically, it can be defined using the values of the number of moles of Al and Ga analyzed and quantified from EDX. can. The nitride semiconductor active layer 352 may have, for example, a double quantum well structure of "barrier layer/well layer/barrier layer/well layer/barrier layer". The thickness of each of these well layers may be, for example, 4 nm, the thickness of each of these barrier layers may be, for example, 8 nm, and the thickness of nitride semiconductor active layer 352 may be 32 nm. The number of quantum wells in the multiple quantum well layer may be one (that is, a single quantum well rather than a multiple quantum well), two, three, four, or five. For the purpose of increasing the carrier density within one well layer, a single well layer is preferable.
窒化物半導体活性層３５２を構成する井戸層３５２ａの形成材料のＡｌｘ５Ｇａ（１－ｘ５）ＮのＡｌ組成比ｘ５が０．２≦ｘ５＜１の関係を満たすようにすると、上記の本発明の効果が高い。井戸層３５２ａのＡｌ組成比ｘ５が０．２より小さい場合、窒化物半導体素子１の発光効率を高くする観点および駆動電圧を低くする観点から、第一窒化物半導体層３１、組成変化層３２及び第二窒化物半導体層３３のＡｌ組成比ｘ２の最大値は０．２以上でなるべく小さい値を取ることが好ましくなる。これは、窒化物半導体素子１の各層Ａｌ組成比が大きくなるとダイオードの駆動に必要な駆動電圧が原理的に大きくなること、並びに第一窒化物半導体層３１と第二電極１５との間のコンタクト抵抗および第二窒化物半導体層３３と第一電極１４との間のコンタクト抵抗が大きくなることにより、駆動電圧が大きくなるためである。窒化物半導体素子１の駆動電圧が大きくなると、発熱量が大きくなることにより高電流密度下での素子破壊が起こりやすくなるため好ましくない。しかしながら、Ａｌ組成が小さい場合、第一組成変化領域３２１と第二組成変化領域３２２との間のＡｌ組成差が小さくなり、Ａｌ組成差が大きいほどつきやすいホールガスを生成する観点から不利になる。窒化物半導体活性層３５２の形成材料のＡｌｘＧａ（１－ｘ）ＮのＡｌ組成比ｘが１の場合、窒化物半導体活性層３５２をＡｌＧａＮで井戸構造が作れないため、キャリアおよび光を閉じ込めることが困難で、発光ダイオード（ＬＥＤ）では発光効率が低く、半導体レーザ（ＬＤ）ではレーザ発振を実現できない。また、窒化物半導体素子１は、ＡｌＮ層３０を備えているので、第一組成変化領域３２１のＡｌ組成比ｘ３が０．２より小さい場合、窒化物半導体活性層３５２での格子緩和を避けるために、窒化物半導体活性層３５２下の成長中に内部応力に起因する３次元成長させる成長条件で成長させることが好ましい。その３次元成長させる成長条件を用いない場合、窒化物半導体活性層３５２の成長中に緩和が起こり、ミスフィット転位等の発光を阻害する欠陥が増加するため発光効率が低下しやすくなる。井戸層３５２ａのＡｌ組成比ｘ５が０．２≦ｘ５＜１の関係を満たすＡｌｘＧａ（１－ｘ）Ｎで窒化物半導体活性層３５２が形成されることにより、窒化物半導体活性層３５２よりも下層で緩和が起こり、窒化物半導体活性層３５２中での格子緩和を抑制することで発光効率が低下することを抑制することができ、かつ井戸層３５２ａの形成材料のＡｌ組成比ｘ５を１より小さくすることで窒化物半導体
活性層３５２にキャリアを輸送しやすくなるので、発光効率の低下が抑制される。
When the Al composition ratio x5 of Al x5 Ga (1-x5) N, which is the material for forming the well layer 352a constituting the nitride semiconductor active layer 352, satisfies the relationship of 0.2≦x5<1, the present invention described above can be achieved. is highly effective. When the Al composition ratio x5 of the well layer 352a is smaller than 0.2, the first nitride semiconductor layer 31, the composition change layer 32 and The maximum value of the Al composition ratio x2 of the second nitride semiconductor layer 33 is preferably 0.2 or more and as small as possible. This is because as the Al composition ratio of each layer of the nitride semiconductor element 1 increases, the drive voltage required to drive the diode increases in principle, and the contact between the first nitride semiconductor layer 31 and the second electrode 15 increases. This is because the drive voltage increases as the resistance and the contact resistance between the second nitride semiconductor layer 33 and the first electrode 14 increase. An increase in the driving voltage of the nitride semiconductor device 1 is not preferable because the amount of heat generated increases, making the device more likely to break down under high current density. However, when the Al composition is small, the difference in Al composition between the first composition change region 321 and the second composition change region 322 becomes small, and the larger the Al composition difference, the more disadvantageous it becomes from the viewpoint of generating hole gas. . When the Al composition ratio x of Al x Ga (1-x) N, which is the material for forming the nitride semiconductor active layer 352, is 1, carriers and light are confined because a well structure cannot be formed in the nitride semiconductor active layer 352 with AlGaN. Light emitting diodes (LEDs) have low luminous efficiency, and semiconductor lasers (LDs) cannot achieve laser oscillation. Further, since the nitride semiconductor device 1 includes the AlN layer 30, when the Al composition ratio x3 of the first composition change region 321 is smaller than 0.2, in order to avoid lattice relaxation in the nitride semiconductor active layer 352, In addition, it is preferable to grow under growth conditions that allow three-dimensional growth due to internal stress during growth under the nitride semiconductor active layer 352. If the growth conditions for three-dimensional growth are not used, relaxation occurs during the growth of the nitride semiconductor active layer 352, and defects such as misfit dislocations that inhibit light emission increase, resulting in a decrease in light emission efficiency. Since the nitride semiconductor active layer 352 is formed of Al x Ga (1-x) N where the Al composition ratio x5 of the well layer 352a satisfies the relationship of 0.2≦x5<1, Relaxation also occurs in the lower layer, and by suppressing lattice relaxation in the nitride semiconductor active layer 352, it is possible to suppress a decrease in luminous efficiency. By making the size smaller, it becomes easier to transport carriers to the nitride semiconductor active layer 352, thereby suppressing a decrease in luminous efficiency.
（上部ガイド層）
上部ガイド層３５３は、窒化物半導体活性層３５２の上に形成されている。上部ガイド層３５３は、窒化物半導体活性層３５２で発光した光を発光部３５に閉じ込めるために、第二窒化物半導体層３３と屈折率差をつけている。上部ガイド層３５３を形成する材料として、ＡｌＮ、ＧａＮ、およびその混晶が挙げられる。上部ガイド層３５３を形成する材料の具体例は、Ａｌｘ４Ｇａ（１－ｘ４）Ｎ（０≦ｘ４≦１）である。上部ガイド層３５３のＡｌ組成比率は断面構造のエネルギー分散型Ｘ線解析（ＥＤＸ）により特定することが出来る。Ａｌ組成比率は、ＡｌとＧａのモル数の和に対するＡｌのモル数の比率と定義でき、具体的にはＥＤＸから分析および定量されたＡｌ、Ｇａのモル数の値を用いて定義することができる。上部ガイド層３５３のＡｌｘ４Ｇａ（１－ｘ４）ＮのＡｌ組成比ｘ４は、井戸層３５２ａのＡｌｘ５Ｇａ（１－ｘ５）ＮのＡｌ組成比ｘ５よりも大きくてもよい。これにより、窒化物半導体活性層３５２へキャリアを閉じ込めることが可能となる。また、上部ガイド層３５３を形成する材料には、Ｐ、Ａｓ又はＳｂといったＮ以外のＶ族元素や、Ｉｎ又はＢといったＩＩＩ族元素、Ｃ、Ｈ、Ｆ、Ｏ、Ｓｉ、Ｃｄ、Ｚｎ又はＢｅなどの不純物が含まれていてもよい。
(Top guide layer)
The upper guide layer 353 is formed on the nitride semiconductor active layer 352. The upper guide layer 353 has a refractive index different from that of the second nitride semiconductor layer 33 in order to confine the light emitted by the nitride semiconductor active layer 352 in the light emitting section 35 . Materials for forming the upper guide layer 353 include AlN, GaN, and mixed crystal thereof. A specific example of the material forming the upper guide layer 353 is Al x4 Ga (1-x4) N (0≦x4≦1). The Al composition ratio of the upper guide layer 353 can be determined by energy dispersive X-ray analysis (EDX) of the cross-sectional structure. The Al composition ratio can be defined as the ratio of the number of moles of Al to the sum of the number of moles of Al and Ga, and specifically, it can be defined using the values of the number of moles of Al and Ga analyzed and quantified from EDX. can. The Al composition ratio x4 of Al x4 Ga (1-x4) N in the upper guide layer 353 may be larger than the Al composition ratio x5 of Al x5 Ga (1-x5) N in the well layer 352a. This makes it possible to confine carriers in the nitride semiconductor active layer 352. In addition, the material forming the upper guide layer 353 includes a group V element other than N such as P, As or Sb, a group III element such as In or B, C, H, F, O, Si, Cd, Zn or Be. It may contain impurities such as.
上部ガイド層３５３がｎ型半導体の場合、例えばＳｉを１×１０１９ｃｍ－３ドープすることでｎ型化させることが可能である。上部ガイド層３５３がｐ型半導体の場合、例えばＭｇを３×１０１９ｃｍ－３ドープすることでｐ型化させることが可能である。上部ガイド層３５３は、アンドープ層でもよい。上部ガイド層３５３は、Ａｌｘ４Ｇａ（１－ｘ４）ＮのＡｌ組成比ｘ４を傾斜させた構造を有していてもよい。例えば、上部ガイド層３５３は、Ａｌｘ４Ｇａ（１－ｘ４）ＮのＡｌ組成比ｘ４を０．５から０．６に連続的又は階段状に変化させる層構造を有していてもよい。上部ガイド層３５３の厚さは、特に制限されない。上部ガイド層３５３の厚さは、窒化物半導体活性層３５２からの発光を効率よく発光部３５へ閉じ込めるために１０ｎｍ以上であってもよい。また、上部ガイド層３５３の厚さは、上部ガイド層３５３の抵抗を低減させる観点から２μｍ以下であってもよい。上部ガイド層３５３及び下部ガイド層３５１のそれぞれのＡｌｘ４Ｇａ（１－ｘ４）Ｎ（０≦ｘ４≦１）のＡｌ組成比ｘ４は、同じ値であってもよいし、異なる値であってもよい。
If the upper guide layer 353 is an n-type semiconductor, it can be made n-type by doping Si at 1×10 19 cm −3 , for example. If the upper guide layer 353 is a p-type semiconductor, it can be made p-type by doping, for example, 3×10 19 cm −3 Mg. The upper guide layer 353 may be an undoped layer. The upper guide layer 353 may have a structure in which the Al composition ratio x4 of Al x4 Ga (1-x4) N is graded. For example, the upper guide layer 353 may have a layer structure in which the Al composition ratio x4 of Al x4 Ga (1-x4) N is changed continuously or stepwise from 0.5 to 0.6. The thickness of the upper guide layer 353 is not particularly limited. The thickness of the upper guide layer 353 may be 10 nm or more in order to efficiently confine the light emitted from the nitride semiconductor active layer 352 into the light emitting section 35. Further, the thickness of the upper guide layer 353 may be 2 μm or less from the viewpoint of reducing the resistance of the upper guide layer 353. The Al composition ratio x4 of Al x4 Ga (1-x4) N (0≦x4≦1) of each of the upper guide layer 353 and the lower guide layer 351 may be the same value or may be a different value. good.
（電子ブロック層）
電子ブロック層３４は、例えばＡｌｘ６Ｇａ（１－ｘ６）Ｎで形成されている。電子ブロック層３４は、第二積層部３１２がｎ型半導体、組成変化層３２がｐ型半導体の場合にはｐ型半導体であることが好ましく、Ｍｇが注入されていることが好ましい。Ｍｇは、例えば１×１０１８ｃｍ－３の不純物濃度で電子ブロック層３４に注入されている。これにより、電子ブロック層３４は、ｐ型化されてｐ型半導体に構成される。電子ブロック層３４はＭｇが添加されていなくても良い。電子ブロック層３４にＭｇが添加されていないことにより、電子ブロック層３４の導電性は低下するが、特にレーザダイオードにおいては吸収による内部ロスの増加を抑制することができるため、閾値電流密度Ｊｔｈを下げることが可能である。窒化物半導体素子１が組成変化層３２におけるホール濃度が低い場合、第一窒化物半導体層３１側から流入する電子の全てが窒化物半導体活性層３５２に注入されず、一部の電子が組成変化層３２側に流れてしまう可能性がある。そうすると、窒化物半導体素子１は、電子の注入効率が低下するので、発光効率を十分に向上させることが困難になる可能性がある。そこで、本実施形態では、発光部３５と組成変化層３２との間に電子ブロック層３４が設けられている。電子ブロック層３４は、第一窒化物半導体層３１側から流入されて窒化物半導体活性層３５２に注入されなかった電子を反射して窒化物半導体活性層３５２に注入することができる。これにより、窒化物半導体素子１は、電子の注入効率が上昇するので、発光効率の向上を図ることができる。
(electronic block layer)
The electron block layer 34 is made of, for example, Al x6 Ga (1-x6) N. When the second laminated portion 312 is an n-type semiconductor and the composition change layer 32 is a p-type semiconductor, the electron block layer 34 is preferably a p-type semiconductor, and is preferably doped with Mg. Mg is implanted into the electron blocking layer 34 at an impurity concentration of, for example, 1×10 18 cm −3 . As a result, the electron block layer 34 is converted into a p-type semiconductor. Mg may not be added to the electron block layer 34. By not adding Mg to the electron block layer 34, the conductivity of the electron block layer 34 decreases, but especially in laser diodes, increase in internal loss due to absorption can be suppressed, so the threshold current density Jth can be reduced. It is possible to lower it. When the hole concentration in the composition-change layer 32 of the nitride semiconductor device 1 is low, all of the electrons flowing from the first nitride semiconductor layer 31 side are not injected into the nitride semiconductor active layer 352, and some electrons undergo a composition change. There is a possibility that it will flow to the layer 32 side. In this case, since the electron injection efficiency of the nitride semiconductor device 1 decreases, it may become difficult to sufficiently improve the luminous efficiency. Therefore, in this embodiment, an electron blocking layer 34 is provided between the light emitting section 35 and the composition change layer 32. The electron blocking layer 34 may reflect electrons that are not injected into the nitride semiconductor active layer 352 from the first nitride semiconductor layer 31 side and inject them into the nitride semiconductor active layer 352 . Thereby, the electron injection efficiency of the nitride semiconductor device 1 increases, so that the luminous efficiency can be improved.
電子ブロック層３４は、電子をブロックする観点からはできるだけバリア高さが高いことが要求される。しかしながら、バリア高さを高くしすぎると、素子抵抗が高くなり、窒化物半導体素子１の駆動電圧の増加、窒化物半導体素子１を破壊しない範囲で到達し得る最大電流密度の低下を引き起こす。そのため、電子ブロック層３４のバリア高さは最適点を有する。電子ブロック層３４のＡｌ組成比ｘ６の好ましい範囲は、窒化物半導体活性層３５２のＡｌ組成比ｘ４よりもＡｌ組成比率が０．３以上高く０．５５未満である。該当箇所の組成差が０．５５の場合、素子抵抗の増加がみられ、０．３未満では素子が絶縁化する現象がみられている。０．３未満で絶縁化する理由としては、下部ガイド層３５１と電子ブロック層３４との間のＡｌ組成差により生じる２次元電子ガスと、第一組成変化領域３２１層中に生じる３次元正孔ガスが、電子ブロック層３４を介して相互拡散し、結果としてキャリア消滅を引き起こして電子ブロック層３４の周囲に空乏層を形成することによるものと推測される。これは、窒化物半導体活性層３５２と電子ブロック層３４の組成差が０．３より小さいと特に下部ガイド層３５１側に生じる電子ガスが組成変化層３２側へ拡散しやすくなることが原因と考えられる。また、クラックの発生を抑制する観点から、電子ブロック層３４のＡｌ組成比ｘ６は、１より小さいことが好ましい。
The electron blocking layer 34 is required to have a barrier height as high as possible from the viewpoint of blocking electrons. However, if the barrier height is made too high, the device resistance increases, causing an increase in the driving voltage of the nitride semiconductor device 1 and a decrease in the maximum current density that can be reached without destroying the nitride semiconductor device 1. Therefore, the barrier height of the electron block layer 34 has an optimum point. A preferable range of the Al composition ratio x6 of the electron block layer 34 is such that the Al composition ratio is 0.3 or more higher than the Al composition ratio x4 of the nitride semiconductor active layer 352 and less than 0.55. When the composition difference at the relevant location is 0.55, an increase in element resistance is observed, and when it is less than 0.3, a phenomenon in which the element becomes insulated is observed. The reason for insulating with less than 0.3 is two-dimensional electron gas generated due to the Al composition difference between the lower guide layer 351 and the electron block layer 34 and three-dimensional holes generated in the first composition change region 321 layer. It is presumed that this is because the gas mutually diffuses through the electron blocking layer 34, resulting in carrier annihilation and forming a depletion layer around the electron blocking layer 34. This is thought to be due to the fact that when the composition difference between the nitride semiconductor active layer 352 and the electron block layer 34 is less than 0.3, electron gas generated particularly on the lower guide layer 351 side tends to diffuse toward the composition-change layer 32 side. It will be done. Further, from the viewpoint of suppressing the occurrence of cracks, the Al composition ratio x6 of the electron block layer 34 is preferably smaller than 1.
本実施形態では、電子ブロック層３４を形成するＡｌｘ６Ｇａ（１－ｘ６）ＮのＡｌ組成比ｘ６は、組成変化層３２を形成するＡｌｘ３Ｇａ（１－ｘ３）ＮのＡｌ組成比ｘ３の最大値と同じ値に設定されている。電子ブロック層３４のＡｌ組成比率は断面構造のエネルギー分散型Ｘ線解析（ＥＤＸ）により特定することが出来る。Ａｌ組成比率は、ＡｌとＧａのモル数の和に対するＡｌのモル数の比率と定義でき、具体的にはＥＤＸから分析および定量されたＡｌ、Ｇａのモル数の値を用いて定義することができる。また、電子ブロック層３４は、窒化物半導体活性層３５２と上部ガイド層３５３との間に配置されることもある。また、電子ブロック層３４は下部ガイド層３５１中に下部ガイド層３５１を分割するように配置される場合もある。また、電子ブロック層３４は、下部ガイド層３５１と窒化物半導体活性層３５２との間に配置されることもある。また、これらの配置場所に複数の電子ブロック層３４が配置されることもある。電子ブロック層３４は、単一Ａｌ組成で形成されていても、Ａｌ組成が高組成と低組成を繰り返す超格子構造であっても良い。電子ブロック層３４の厚さは０ｎｍ、つまり電子ブロック層３４が無くても良い。電子ブロック層３４の膜厚範囲としては、０ｎｍ以上５０ｎｍ以下が好ましい。電子ブロック層３４の膜厚が５０ｎｍ以下で素子抵抗が低く低駆動電圧となる。電子ブロック層３４の膜厚は、より好ましくは０ｎｍ以上３０ｎｍ以下で、さらに好ましくは２ｎｍ以上２０ｎｍ以下である。電子ブロック層３４の膜厚が小さいほど素子抵抗を下げることができるため、窒化物半導体素子１の駆動電圧の増加を抑制できるが、電子ブロック層３４の膜厚が２ｎｍより厚いと電子ブロックの効果を発揮し内部効率を向上できるため発光出力向上の観点からは好ましい。
In the present embodiment, the Al composition ratio x6 of Al x6 Ga (1-x6) N forming the electron block layer 34 is the same as the Al composition ratio x3 of Al x3 Ga (1-x3) N forming the composition change layer 32. It is set to the same value as the maximum value. The Al composition ratio of the electron block layer 34 can be determined by energy dispersive X-ray analysis (EDX) of the cross-sectional structure. The Al composition ratio can be defined as the ratio of the number of moles of Al to the sum of the number of moles of Al and Ga, and specifically, it can be defined using the values of the number of moles of Al and Ga analyzed and quantified from EDX. can. Furthermore, the electron block layer 34 may be disposed between the nitride semiconductor active layer 352 and the upper guide layer 353. Further, the electron block layer 34 may be arranged in the lower guide layer 351 so as to divide the lower guide layer 351. Furthermore, the electron block layer 34 may be disposed between the lower guide layer 351 and the nitride semiconductor active layer 352. Further, a plurality of electronic block layers 34 may be arranged at these locations. The electron block layer 34 may be formed with a single Al composition, or may have a superlattice structure in which the Al composition repeats high and low compositions. The thickness of the electron block layer 34 is 0 nm, that is, the electron block layer 34 may not be provided. The thickness range of the electron block layer 34 is preferably 0 nm or more and 50 nm or less. When the thickness of the electron block layer 34 is 50 nm or less, the element resistance is low and the drive voltage is low. The thickness of the electron block layer 34 is more preferably 0 nm or more and 30 nm or less, and even more preferably 2 nm or more and 20 nm or less. The smaller the thickness of the electron block layer 34 is, the lower the device resistance can be, and thus the increase in drive voltage of the nitride semiconductor device 1 can be suppressed. However, if the thickness of the electron block layer 34 is thicker than 2 nm, the electron blocking effect will be reduced. It is preferable from the viewpoint of improving the light emitting output because it can exhibit the following properties and improve the internal efficiency.
（組成変化層）
組成変化層３２の一部は、リッジ部半導体層１７の一部を構成している。すなわち、組成変化層３２の第一組成変化領域３２１に形成された突出部３２１ａ及び第二組成変化領域３２２は、リッジ部半導体層１７の一部を構成している。本実施形態では、突出部３２１ａは、第一組成変化領域３２１のうち、第二電極１５にできる限り近い距離に配置されている。つまり、リッジ部半導体層１７は、第二電極１５側に偏らせて配置されていている。リッジ部半導体層１７が第二電極１５に近付くことによって、窒化物半導体素子１中を流れる電流経路が短くなるので、窒化物半導体素子１中に形成される電流経路の抵抗値を下げることができる。これにより、窒化物半導体素子１の駆動電圧を低くすることができる。しかしながら、突出部３２１ａおよびリッジ部半導体層１７は、リソグラフィの再現性の観点から１μｍ以上メサ端より離れていることが好ましい。中央に配置されている側に片寄らせて形成されていてもよい。
(composition change layer)
A portion of the composition change layer 32 constitutes a portion of the ridge semiconductor layer 17 . That is, the protrusion 321 a and the second compositionally changed region 322 formed in the first compositionally changed region 321 of the compositionally changed layer 32 constitute a part of the ridge semiconductor layer 17 . In this embodiment, the protruding portion 321a is arranged as close as possible to the second electrode 15 in the first composition change region 321. In other words, the ridge semiconductor layer 17 is arranged to be biased toward the second electrode 15 side. By bringing the ridge semiconductor layer 17 closer to the second electrode 15, the current path flowing through the nitride semiconductor element 1 becomes shorter, so that the resistance value of the current path formed in the nitride semiconductor element 1 can be lowered. . Thereby, the driving voltage of the nitride semiconductor element 1 can be lowered. However, the protrusion 321a and the ridge semiconductor layer 17 are preferably separated from the mesa end by 1 μm or more from the viewpoint of lithography reproducibility. It may also be formed so as to be biased toward the centrally located side.
ここで、組成変化層３２を構成する第一組成変化領域３２１について説明する。第一組成変化領域３２１を構成するＡｌＧａＮは、Ｐ、Ａｓ又はＳｂといったＮ以外のＶ族元素や、Ｉｎ又はＢといったIII族元素、Ｃ、Ｈ、Ｆ、Ｏ、Ｓｉ、Ｃｄ、Ｚｎ又はＢｅなどの不純物が含まれていてもよい。また、第一組成変化領域３２１を構成するＡｌＧａＮは、ｎ型半導体のドーパントとしてＳｉ、ｐ型半導体のドーパントとしてＭｇを含んでいても良い。第一組成変化領域３２１は連続的にＡｌ組成比率が減少する領域であり、＋ｃ面成長の際には分極により正孔が発生する。この場合、第一組成変化領域３２１は、ドーパントとしてＭｇを含んでいても良い。－ｃ面成長の際には分極により電子が発生する。この場合、第一組成変化領域３２１はドーパントとしてＳｉを含んでいても良い。第一組成変化領域３２１はドーパントとしてのＳｉ、Ｍｇを含まないアンドープ層であっても良い。第一組成変化領域３２１をアンドープ層とすることにより、不純物起因の光の吸収を抑制することができ、レーザダイオードにおいて内部損失を低減することが可能である。また、発光ダイオードにおいても光吸収を抑制することにより光取り出し効率が向上し、発光効率を向上させることが可能である。第一組成変化領域３２１のＡｌＧａＮの電子ブロック層３４側のＡｌ組成比率は、電子ブロック層３４のＡｌ組成比率と同じであっても、高くても、低くても良い。第一組成変化領域３２１のＡｌＧａＮの電子ブロック層３４側のＡｌ組成比率と、電子ブロック層３４のＡｌ組成比率とが同じである場合、相間の障壁を抑制する観点から最もダイオードの立ち上がり電圧の低い素子を作製することが出来るため、例えば低電圧で駆動する低消費電力の素子に適している。第一組成変化領域３２１のＡｌＧａＮの電子ブロック層３４側のＡｌ組成比率が電子ブロック層３４のＡｌ組成比率よりも高い場合には、第一組成変化領域３２１のＡｌ組成比率の層内変化率を高くすることが出来るので、分極ドーピングによるキャリア密度を高くすることが出来る。この場合、素子抵抗を低くすることが出来るため、例えば大電流において大電圧で駆動する高出力発光素子や閾値電流密度Ｊｔｈの高いレーザダイオードに適している。第一組成変化領域３２１のＡｌＧａＮの電子ブロック層３４側のＡｌ組成比率が電子ブロック層３４のＡｌ組成比率よりも低い場合には、電子ブロック層３４と第一組成変化領域３２１との間のＡｌ組成比率差により生じる２次元ホールガスを利用することで、電流値の低い低キャリア密度時においても高い内部効率を実現できるため、低電流でも高い発光特性を必要とする発光ダイオードに適している。組成変化層３２の組成変化は断面構造のエネルギー分散型Ｘ線解析（ＥＤＸ）により特定することが出来る。具体的に組成変化層３２と考える層の膜厚に対して大きくとも１／１０以下の距離の分解能を有する条件において対称とする層内において１０点以上の測定点を有する測定を実施する。Ａｌ組成比率が膜厚に対して線形である場合、本構造は連続的であると見做す。この際、線形性の定義としては、測定結果として得られるＡｌ組成比率を膜厚に対してプロットしたグラフにおいて、線形回帰を実施した際に、少なくとも３点以上の測定点のＡｌ組成比率に差があり、かつ決定定数が０．９５以上である。なお、決定定数をＲ２とすると、決定定数は以下の式（３）で定義できる。
Here, the first compositional change region 321 that constitutes the compositional change layer 32 will be explained. AlGaN constituting the first compositional change region 321 includes a group V element other than N such as P, As or Sb, a group III element such as In or B, C, H, F, O, Si, Cd, Zn or Be, etc. may contain impurities. Further, AlGaN constituting the first compositional change region 321 may contain Si as a dopant for an n-type semiconductor and Mg as a dopant for a p-type semiconductor. The first composition change region 321 is a region where the Al composition ratio continuously decreases, and holes are generated due to polarization during +c-plane growth. In this case, the first compositionally changed region 321 may contain Mg as a dopant. - During c-plane growth, electrons are generated due to polarization. In this case, the first compositionally changed region 321 may contain Si as a dopant. The first compositional change region 321 may be an undoped layer that does not contain Si or Mg as a dopant. By forming the first compositionally changed region 321 as an undoped layer, absorption of light due to impurities can be suppressed, and internal loss in the laser diode can be reduced. Furthermore, by suppressing light absorption in a light emitting diode, the light extraction efficiency can be improved, and the light emitting efficiency can be improved. The Al composition ratio of AlGaN on the electron block layer 34 side of the first composition change region 321 may be the same as, higher, or lower than the Al composition ratio of the electron block layer 34. When the Al composition ratio of AlGaN in the first composition change region 321 on the side of the electron block layer 34 is the same as the Al composition ratio of the electron block layer 34, the diode rise voltage is the lowest from the viewpoint of suppressing the barrier between phases. Since the device can be manufactured, it is suitable, for example, for low power consumption devices driven at low voltage. When the Al composition ratio of the AlGaN electron block layer 34 side of the first composition change region 321 is higher than the Al composition ratio of the electron block layer 34, the intralayer change rate of the Al composition ratio of the first composition change region 321 is Since it is possible to increase the carrier density by polarization doping, it is possible to increase the carrier density. In this case, since the element resistance can be lowered, it is suitable for, for example, a high output light emitting element driven with a large voltage at a large current, or a laser diode with a high threshold current density Jth. When the Al composition ratio of AlGaN in the first composition change region 321 on the side of the electron block layer 34 is lower than the Al composition ratio of the electron block layer 34, the Al composition ratio between the electron block layer 34 and the first composition change region 321 is By using the two-dimensional hole gas generated by the difference in composition ratio, high internal efficiency can be achieved even at low current values and low carrier densities, making it suitable for light-emitting diodes that require high light-emitting characteristics even at low currents. The composition change of the composition change layer 32 can be specified by energy dispersive X-ray analysis (EDX) of the cross-sectional structure. Specifically, measurements are performed using 10 or more measurement points in a symmetrical layer under conditions that have a distance resolution of at most 1/10 or less of the film thickness of the layer considered to be the composition-change layer 32. If the Al composition ratio is linear with respect to the film thickness, this structure is considered to be continuous. In this case, the definition of linearity is that in a graph in which the Al composition ratio obtained as a measurement result is plotted against the film thickness, when linear regression is performed, there is a difference in the Al composition ratio at at least three measurement points. and the determination constant is 0.95 or more. Note that, assuming that the determination constant is R2 , the determination constant can be defined by the following equation (3).
式（３）において、ｙｉは測定点ｉにおけるＡｌ組成比率を表し、ｅｙは全測定点に対するＡｌ組成比率の平均値を表し、ｆ（ｘｉ）は回帰直線の位置ｘｉにおける予測値を表す。測定点のうち、最も活性層に近い測定点を第一測定点と考え、活性層から離れるに従って順次第二測定点、第三測定点、（以下続く）と定義する。
In equation (3), y i represents the Al composition ratio at measurement point i, e y represents the average value of the Al composition ratio for all measurement points, and f(x i ) is the predicted value at position x i of the regression line. represents. Among the measurement points, the measurement point closest to the active layer is considered to be the first measurement point, and the distance from the active layer is defined as the second measurement point, the third measurement point, and so on (continued below).
選択した膜厚内において決定定数が０．７以上かつ０．９５未満である場合には第一組成変化領域の定義とは適合しない。その場合は、測定を行うために選択した膜厚内において第一組成変化領域が傾斜率（すなわち変化率）を変えて多段階に積層している可能性があるため、選択膜厚を短くして測定を実施し直す。決定定数が０．９５以上となる最大膜厚を第一組成変化領域の膜厚と定義する。同様に、選択した膜厚内において決定定数が０．７以上かつ０．９５未満である場合には第一組成変化領域の定義とは適合しない。その場合は、膜厚範囲が小さすぎて第一組成変化領域のＡｌ組成の傾斜率（すなわち変化率）よりも測定誤差や通常の薄膜成長時のＡｌ組成ばらつきを測定している可能性があるため、選択膜厚を長くして測定を実施し直す。測定をし直した場合に、より厚い膜厚において決定定数が０．９５以上となる膜厚が存在する場合には、これを第一組成変化領域の膜厚と定義する。この膜厚が０ｎｍより大きく４００ｎｍより小さい場合、第一組成変化領域であると見做す。
If the determination constant is 0.7 or more and less than 0.95 within the selected film thickness, it does not meet the definition of the first compositional change region. In that case, the first compositional change region may be stacked in multiple stages with varying slope rates (i.e. change rates) within the film thickness selected for measurement, so the selected film thickness should be shortened. and then re-perform the measurement. The maximum film thickness for which the determination constant is 0.95 or more is defined as the film thickness of the first composition change region. Similarly, if the determination constant is 0.7 or more and less than 0.95 within the selected film thickness, it does not meet the definition of the first composition change region. In that case, the film thickness range may be too small and the measurement error or Al composition variation during normal thin film growth may be measured rather than the gradient rate (i.e., change rate) of the Al composition in the first composition change region. Therefore, increase the selected film thickness and re-perform the measurement. When the measurement is performed again, if there is a thicker film thickness with a determination constant of 0.95 or more, this is defined as the film thickness of the first composition change region. If this film thickness is greater than 0 nm and less than 400 nm, it is considered to be in the first compositional change region.
この定義の場合には、実際にはＡｌ組成の組成差が変化する微小領域とＡｌ組成の組成差が一定である微小領域とを組み合わせた階段状に小さくする階段構造や、Ａｌ組成が連続的に変化しかつ傾斜率（すなわち変化率）も連続的に変化する構造も一部、本発明に含まれる。本発明の効果を考慮した場合、これらの構造は、本発明に含まれるべきであるため、本発明における第一組成変化領域と定義する。以下に述べる組成変化層も同様に定義する。
In the case of this definition, in reality, there is a step structure in which the Al composition is made smaller in a stepwise manner by combining a micro region where the composition difference in Al composition changes and a micro region where the composition difference in Al composition is constant, or a step structure in which the Al composition is continuous. Some structures in which the gradient (i.e., the rate of change) changes continuously are also included in the present invention. Considering the effects of the present invention, these structures should be included in the present invention and are therefore defined as the first compositional change region in the present invention. The composition change layer described below is similarly defined.
次に、以下に述べる第二組成変化領域との区別について述べる。例えばＡｌ組成比率が０．９から０．５まで連続的に減少する厚さ２２０ｎｍの第１の層と、Ａｌ組成比率が０．５から０．３まで連続的に減少する厚さ３０ｎｍの第２の層を組み合わせた構造は当然本発明の第一組成変化領域および第二組成変化領域として定義される。ＥＤＸで測定する測定点を例えば第１の層から９点、第２の層から１点抽出した場合、測定点の選択によっては回帰曲線の決定定数が０．９５以上となる場合がある。このような場合は、選択した第一組成変化領域の膜厚領域が誤っている。より薄い膜厚において上記定義に従い第一組成変化領域と第二組成変化領域の傾斜率（すなわち変化率）を区別できる場合には、本発明に含まれる第一組成変化領域と第二組成変化領域とを組み合わせた構造であると定義する。第一組成変化領域のＡｌ組成比率の膜厚に対する変化率は、上記により決定した回帰直線の傾きと定義する。
Next, the distinction from the second composition change region described below will be described. For example, a first layer with a thickness of 220 nm in which the Al composition ratio continuously decreases from 0.9 to 0.5, and a first layer with a thickness of 30 nm in which the Al composition ratio continuously decreases from 0.5 to 0.3. A structure in which the two layers are combined is naturally defined as the first compositional change region and the second compositional change region of the present invention. If, for example, nine measurement points are extracted from the first layer and one point from the second layer to be measured by EDX, the determination constant of the regression curve may be 0.95 or more depending on the selection of the measurement points. In such a case, the selected film thickness region of the first composition change region is incorrect. If the slope rate (i.e. rate of change) of the first composition change region and the second composition change region can be distinguished according to the above definition at a thinner film thickness, the first composition change region and the second composition change region are included in the present invention. It is defined as a structure that combines the following. The rate of change of the Al composition ratio in the first composition change region with respect to the film thickness is defined as the slope of the regression line determined above.
第一組成変化領域３２１の膜厚について図１及び図２を参照しつつ図４を用いて説明する。図４は、窒化物半導体素子１に設けられた組成変化層３２の第一組成変化領域３２１の膜厚に対する導波損失のシミュレーション結果の一例を示すグラフである。図４中の横軸は第一組成変化領域３２１の膜厚（ｎｍ）を示し、縦軸は導波損失（ｃｍ－１）を示している。また、このシミュレーションの結果では、内部効率、光閉じ込め係数はほぼ変化が無く、窒化物半導体活性層３５２の膜厚は同一の設計で実施したため、導波損失αｉが閾値電流密度Ｊｔｈの支配因子となっている。
The film thickness of the first compositional change region 321 will be described using FIG. 4 while referring to FIGS. 1 and 2. FIG. 4 is a graph showing an example of a simulation result of waveguide loss with respect to the film thickness of the first composition change region 321 of the composition change layer 32 provided in the nitride semiconductor device 1. In FIG. The horizontal axis in FIG. 4 indicates the film thickness (nm) of the first compositional change region 321, and the vertical axis indicates the waveguide loss (cm −1 ). In addition, the results of this simulation show that the internal efficiency and optical confinement coefficient are almost unchanged, and the thickness of the nitride semiconductor active layer 352 was designed to be the same, so the waveguide loss αi is the governing factor of the threshold current density Jth. It has become.
式（２）に示すように、窒化物半導体素子の発振閾値利得ｇｔｈは、導波損失αｉが小さいほど低くなる。このため、窒化物半導体素子１の発振の観点では、第一組成変化領域３２１の膜厚は、０ｎｍから４００ｎｍであってもよい。図４に示すように、このシミュレーション結果から、第一組成変化領域３２１は１５０ｎｍ以上で導波損失の低減が見られ、４００ｎｍ以上ではほぼ同等の値となっている。つまり、レーザダイオード特性としては１５０ｎｍ以上が好ましい。また、シミュレーション上は計算が可能であるが、実際には、第一組成変化領域３２１の膜厚が４００ｎｍ以上の厚さであると第一組成変化領域３２１の抵抗が高くなり、駆動電圧の増加による発熱量の増加が生じ、窒化物半導体素子１の破壊が起こりやすくなる。つまり、第一組成変化領域３２１は４００ｎｍより薄い必要がある。また、後述するが、第一組成変化領域３２１の厚さが０ｎｍより厚く１５０ｎ
ｍより薄い領域であっても、１ｋＡ／ｃｍ２以上の高電流密度を実現可能である。光閉じ込めの必要のない例えば発光ダイオード（ＬＥＤ）では、第一組成変化領域３２１が０ｎｍより厚く１５０ｎｍより薄い膜厚であっても高電流密度を実現する良好な素子を作製できるため効果がある。レーザダイオードとしては、第一組成変化領域３２１の膜厚は、さらに１５０ｎｍ以上４００ｎｍ未満が好ましい。第一組成変化領域３２１の膜厚は、より導波損失αｉを低くする観点から、２００ｎｍ以上４００ｎｍ未満がより好ましい。さらに、第一組成変化領域３２１の膜厚は、導波損失αｉを低くする観点から、３００ｎｍ以上４００ｎｍ未満がより好ましい。
As shown in equation (2), the oscillation threshold gain gth of the nitride semiconductor element becomes lower as the waveguide loss αi becomes smaller. Therefore, from the viewpoint of oscillation of the nitride semiconductor device 1, the film thickness of the first compositional change region 321 may be from 0 nm to 400 nm. As shown in FIG. 4, the simulation results show that in the first compositional change region 321, the waveguide loss is reduced at 150 nm or more, and the value is almost the same at 400 nm or more. In other words, the laser diode characteristics are preferably 150 nm or more. Further, although calculation is possible in simulation, in reality, if the film thickness of the first compositional change region 321 is 400 nm or more, the resistance of the first compositional change region 321 becomes high, and the driving voltage increases. As a result, the amount of heat generated increases, and the nitride semiconductor device 1 is more likely to be destroyed. In other words, the first compositional change region 321 needs to be thinner than 400 nm. Further, as will be described later, the thickness of the first composition change region 321 is thicker than 0 nm and is 150 nm.
Even in a region thinner than m, a high current density of 1 kA/cm 2 or more can be achieved. For example, in a light emitting diode (LED) that does not require optical confinement, even if the first compositional change region 321 is thicker than 0 nm and thinner than 150 nm, it is effective because a good element that realizes a high current density can be manufactured. As for the laser diode, the film thickness of the first compositional change region 321 is preferably 150 nm or more and less than 400 nm. The film thickness of the first compositional change region 321 is more preferably 200 nm or more and less than 400 nm from the viewpoint of further lowering the waveguide loss αi. Furthermore, the film thickness of the first compositional change region 321 is more preferably 300 nm or more and less than 400 nm from the viewpoint of lowering the waveguide loss αi.
次に、窒化物半導体素子１の最大電流密度、最大電流時電圧及び電気良品収率の観点に基づく第一組成変化領域３２１の膜厚について説明する。窒化物半導体素子１の当該観点に基づく第一組成変化領域３２１の膜厚を検討するために、第一組成変化領域３２１に対する最大電流密度、最大電流時電圧及び電気良品収率を実際に素子を作製し測定した。なお、この測定の説明の便宜上、測定に用いた窒化物半導体素子及び窒化物半導体素子の構成要素には、本実施形態による窒化物半導体素子１及び窒化物半導体素子１の構成要素の符号を用いることにする。
Next, the film thickness of the first compositional change region 321 will be described based on the maximum current density, the voltage at maximum current, and the yield of good electrical products of the nitride semiconductor device 1. In order to study the film thickness of the first compositionally varied region 321 based on this viewpoint of the nitride semiconductor device 1, the maximum current density, voltage at maximum current, and electrical good yield for the first compositionally varied region 321 were measured by actually using the device. It was manufactured and measured. Note that for convenience of explanation of this measurement, the nitride semiconductor device and the components of the nitride semiconductor device used in the measurement are denoted by the symbols of the nitride semiconductor device 1 and the components of the nitride semiconductor device 1 according to the present embodiment. I'll decide.
窒化物半導体素子１の最大電流密度、最大電流時電圧及び電気良品収率の測定にあたり、窒化物半導体素子１と同じ構成を有し、かつ第一組成変化領域３２１の膜厚を変更した５種類のサンプルをそれぞれ５４個作製した。具体的には、第一組成変化領域３２１の膜厚が４０ｎｍのサンプルＡ１、当該膜厚が７５ｎｍのサンプルＡ２、当該膜厚が２４５ｎｍのサンプルＡ３、当該膜厚が３７４ｎｍのサンプルＡ４及び当該膜厚が４０４ｎｍのサンプルＡ５の５種類である。サンプルＡ１～Ａ５の窒化物半導体素子１の各層の組成などのパラメータは、上述の表１に示す電流シミュレーションの基本モデルとほぼ同じであるが、第一組成変化領域の膜厚の他に、以下のパラメータが異なっている。
When measuring the maximum current density, voltage at maximum current, and electrical quality yield of nitride semiconductor device 1, five types were used, which had the same configuration as nitride semiconductor device 1, but changed the film thickness of the first composition change region 321. 54 samples were prepared for each. Specifically, sample A1 in which the film thickness of the first composition change region 321 is 40 nm, sample A2 in which the film thickness is 75 nm, sample A3 in which the film thickness is 245 nm, sample A4 in which the film thickness is 374 nm, and sample A4 in which the film thickness is 374 nm. There are five types of sample A5 with a wavelength of 404 nm. The parameters such as the composition of each layer of the nitride semiconductor device 1 of samples A1 to A5 are almost the same as the basic model for current simulation shown in Table 1 above, but in addition to the film thickness of the first composition change region, the following parameters are different.
（１）第二組成傾斜層の膜厚：７５ｎｍ
（２）窒化物半導体活性層の発光層のＡｌ組成比：３５％
（３）第一窒化物半導体層の膜厚：３０００μｍ
（４）ＡｌＮ層の膜厚：１６００ｎｍ
(1) Film thickness of second compositionally graded layer: 75 nm
(2) Al composition ratio of light emitting layer of nitride semiconductor active layer: 35%
(3) Film thickness of first nitride semiconductor layer: 3000 μm
(4) Film thickness of AlN layer: 1600 nm
窒化物半導体素子１における電流密度Ｊは、第一電極１４から第二電極１５に向かって窒化物半導体素子１に流れる電流Ｉと、第一電極１４が第二窒化物半導体層３３に接触する面積Ｓとを用いて以下の式（４）のように定義される。なお、式（４）は、電流密度Ｊ、電流Ｉ及び面積Ｓの各符号を用いて表されている。
Ｊ＝Ｉ÷Ｓ ・・・（４）
The current density J in the nitride semiconductor device 1 is determined by the current I flowing through the nitride semiconductor device 1 from the first electrode 14 toward the second electrode 15 and the area where the first electrode 14 contacts the second nitride semiconductor layer 33. It is defined as in the following equation (4) using S. Note that equation (4) is expressed using the respective symbols of current density J, current I, and area S.
J=I÷S...(4)
窒化物半導体素子１の最大電流密度Ｊｍａｘは、第一電極１４及び第二電極１５の間に印加する印加電圧Ｖａの電圧値を所定間隔で段階的に増加することによって窒化物半導体素子１に流す電流Ｉの電流量を増加していき、窒化物半導体素子１が破壊される直前の電流値に基づいて算出される。最大電流密度Ｊｍａｘの算出に当たって、窒化物半導体素子１の電圧電流特性が一般的なダイオード曲線から外れた場合に窒化物半導体素子１が破壊されたと判定する。具体的には、最大電流密度Ｊｍａｘを得た測定点の次の測定点の測定を実施した際に、電圧が低下し、電流値が極端に高くなる。また、当該ダイオード曲線から外れる直前（１つ前）の測定点の電流Ｉに基づく電流密度が最大電流密度Ｊｍａｘと定義される。さらに、窒化物半導体素子１の電流電圧特性が一般的なダイオード曲線から外れる直前（１つ前）の印加電圧Ｖａが最大電流時電圧Ｖｍａｘと定義される。窒化物半導体素子１の電流電圧特性は、パルス幅が５０ｎｓｅｃでありパルス周期が５００μｓであるパルス信号の印加電圧Ｖａによるパルス測定によって評価された。
The maximum current density Jmax of the nitride semiconductor device 1 is determined by increasing the voltage value of the applied voltage Va applied between the first electrode 14 and the second electrode 15 in stages at predetermined intervals. It is calculated based on the current value immediately before the nitride semiconductor device 1 is destroyed by increasing the amount of the current I. When calculating the maximum current density Jmax, it is determined that the nitride semiconductor device 1 is destroyed if the voltage-current characteristics of the nitride semiconductor device 1 deviate from the general diode curve. Specifically, when the measurement is performed at the next measurement point after the measurement point where the maximum current density Jmax was obtained, the voltage decreases and the current value becomes extremely high. Further, the current density based on the current I at the measurement point immediately before (one previous) deviating from the diode curve is defined as the maximum current density Jmax. Furthermore, the applied voltage Va immediately before the current-voltage characteristics of the nitride semiconductor device 1 deviates from the general diode curve is defined as the maximum current voltage Vmax. The current-voltage characteristics of the nitride semiconductor device 1 were evaluated by pulse measurement using an applied voltage Va of a pulse signal having a pulse width of 50 nsec and a pulse period of 500 μs.
電気良品収率は、サンプルＡ１～Ａ６のそれぞれについて、５４個の窒化物半導体素子１のうち、以下の良品条件を満たす窒化物半導体素子１の割合と定義される。
＜良品条件＞
電流Ｉの上限を２０ｍＡに設定した状態で第一電極１４及び第二電極１５の間に０Ｖから２０Ｖまで電圧掃引するＣＷ（Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ Ｗａｖｅ）測定を行い、３Ｖでの電流値が１ｍＡ以上であり、かつ２０ｍＡの電圧値が７Ｖ以下であること：
The electrical good product yield is defined as the proportion of nitride semiconductor devices 1 that satisfy the following good product conditions among the 54 nitride semiconductor devices 1 for each of samples A1 to A6.
<Good product conditions>
CW (Continuous Wave) measurement is performed in which the voltage is swept from 0V to 20V between the first electrode 14 and the second electrode 15 with the upper limit of the current I set to 20mA, and the current value at 3V is 1mA or more, And the voltage value of 20mA is 7V or less:
表２は、第一組成変化領域３２１の膜厚に対する最大電流密度、最大電流時電圧及び電気良品収率の測定結果を示している。表２の１段目に示す「サンプル」は測定に用いられた窒化物半導体素子１のサンプルの種類を示している。表２の１段目に示す「第一組成変化領域の厚さ［ｎｍ］」は、測定に用いられた窒化物半導体素子１に設けられた第一組成変化領域３２１の膜厚（大かっこ内は膜厚の単位）を示している。表２の１段目に示す「最大電流密度［ｋＡ／ｃｍ２］」は、測定に用いられた５４個の窒化物半導体素子１のそれぞれの最大電流密度の平均値（大かっこ内は単位）を示している。表２の１段目に示す「最大電流時電圧［Ｖ］」は、測定に用いられた５４個の窒化物半導体素子１のそれぞれに印加された最大電流時電圧の平均値（大かっこ内は単位）を示している。表２の１段目に示す「電気良品収率［％］」は、測定に用いられたサンプルの種類ごとの電気良品収率（大かっこ内は単位）を示している。
Table 2 shows the measurement results of the maximum current density, the voltage at maximum current, and the yield of good electrical products with respect to the film thickness of the first compositional change region 321. "Sample" shown in the first row of Table 2 indicates the type of sample of the nitride semiconductor device 1 used in the measurement. “Thickness of first compositionally changed region [nm]” shown in the first row of Table 2 is the film thickness (in square brackets) of first compositionally changed region 321 provided in nitride semiconductor device 1 used for measurement. indicates the unit of film thickness). "Maximum current density [kA/cm 2 ]" shown in the first row of Table 2 is the average value of the maximum current density of each of the 54 nitride semiconductor devices 1 used in the measurement (units are in parentheses). It shows. "Voltage at maximum current [V]" shown in the first row of Table 2 is the average value of the voltage at maximum current applied to each of the 54 nitride semiconductor devices 1 used in the measurement (the values in square brackets are unit). "Electrical good product yield [%]" shown in the first row of Table 2 indicates the electrical good product yield (units in square brackets) for each type of sample used for measurement.
表２に示すように、サンプルＡ１の窒化物半導体素子１は、サンプルＡ２～Ａ５の窒化物半導体素子１と比較して、第一組成変化領域３２１の膜厚が最も薄い。このため、サンプルＡ１の窒化物半導体素子１は、第一組成変化領域３２１における電子をブロックする効果が少ないので、リーク不良が発生し易い。これは、電子のブロックが電子ブロック層３４だけではなく、第一組成変化領域３２１層も寄与していることを示している。これにより、サンプルＡ１の窒化物半導体素子１は、高電流注入下でもリーク起因で破壊され高電流が流せず、最大電流密度Ｊｍａｘが１．１５ｋＡ／ｃｍ２とサンプルＡ２～Ａ４の窒化物半導体素子１と比較して低くなる。しかし、最大電流密度Ｊｍａｘは１ｋＡ／ｃｍ２より高いため、サンプルＡ１の窒化物半導体素子１もまた本発明の効果がある。また、サンプルＡ１の窒化物半導体素子１は、電気良品収率が６（％）となり、サンプルＡ１～Ａ５の窒化物半導体素子１のうち電気良品収率が最も低い。つまり、サンプルＡ１の窒化物半導体素子１は、サンプルＡ１～Ａ５の窒化物半導体素子１の中で最もリーク不良が発生しやすい。
As shown in Table 2, the nitride semiconductor device 1 of sample A1 has the thinnest film thickness of the first composition change region 321 compared to the nitride semiconductor devices 1 of samples A2 to A5. For this reason, the nitride semiconductor device 1 of sample A1 has little effect of blocking electrons in the first compositional change region 321, so leakage defects are likely to occur. This indicates that not only the electron blocking layer 34 but also the first compositionally changed region 321 layer contributes to the blocking of electrons. As a result, the nitride semiconductor device 1 of sample A1 is destroyed due to leakage even under high current injection, and high current cannot flow, and the maximum current density Jmax is 1.15 kA/cm 2 and the nitride semiconductor devices of samples A2 to A4 It is lower than 1. However, since the maximum current density Jmax is higher than 1 kA/cm 2 , the nitride semiconductor device 1 of sample A1 also has the effects of the present invention. Further, the nitride semiconductor device 1 of sample A1 has an electrical good yield of 6 (%), and has the lowest electrical good yield of the nitride semiconductor devices 1 of samples A1 to A5. In other words, the nitride semiconductor device 1 of sample A1 is most likely to cause leakage defects among the nitride semiconductor devices 1 of samples A1 to A5.
サンプルＡ５の窒化物半導体素子１は、サンプルＡ１～Ａ４の窒化物半導体素子１と比較して、第一組成変化領域３２１の膜厚が最も厚い。このため、サンプルＡ５の窒化物半
導体素子１は、サンプルＡ１～Ａ４の窒化物半導体素子１よりも高抵抗となるため、通電中の印加電圧Ｖａが高くなり熱破壊し易くなる。このため、サンプルＡ５の窒化物半導体素子１は、最大電流密度Ｊｍａｘが０．３９ｋＡ／ｃｍ２となって１ｋＡ／ｃｍ２以上の高電流密度を実現し難い。
In the nitride semiconductor device 1 of sample A5, the film thickness of the first composition change region 321 is the thickest compared to the nitride semiconductor devices 1 of samples A1 to A4. For this reason, the nitride semiconductor device 1 of sample A5 has a higher resistance than the nitride semiconductor devices 1 of samples A1 to A4, so that the applied voltage Va during energization becomes higher and it is more likely to be thermally destroyed. Therefore, in the nitride semiconductor device 1 of sample A5, the maximum current density Jmax is 0.39 kA/cm 2 and it is difficult to realize a high current density of 1 kA/cm 2 or more.
サンプルＡ３の窒化物半導体素子１は、サンプルＡ１～Ａ５の窒化物半導体素子１の第一組成変化領域３２１の膜厚の範囲の中でほぼ中間の膜厚の第一組成変化領域３２１を有している。このため、サンプルＡ３の窒化物半導体素子１は、サンプルＡ１の窒化物半導体素子１と比較すると、第一組成変化領域３２１における電子をブロックする効果が高くなり、リーク不良が発生し難い。また、サンプルＡ３の窒化物半導体素子１は、サンプルＡ５の窒化物半導体素子１と比較すると、窒化物半導体素子１の抵抗が低いので、通電中の印加電圧Ｖａが低くなり熱破壊がし難くなる。このように、サンプルＡ３の窒化物半導体素子１は、第一組成変化領域３２１における電子をブロックする効果と、窒化物半導体素子１の抵抗値とのバランスが良好となる。その結果、サンプルＡ３の窒化物半導体素子１は、最大電流密度Ｊｍａｘが４７ｋＡ／ｃｍ２となって高電流が流し易く、かつ電気良品収率が９３％となってサンプルＡ１，Ａ２，Ａ４，Ａ５の窒化物半導体素子１と比較して高くなる。
The nitride semiconductor device 1 of sample A3 has a first compositional change region 321 having a thickness that is approximately in the middle of the thickness range of the first composition change region 321 of the nitride semiconductor devices 1 of samples A1 to A5. ing. Therefore, compared to the nitride semiconductor device 1 of sample A1, the nitride semiconductor device 1 of sample A3 is more effective in blocking electrons in the first composition change region 321, and leak defects are less likely to occur. In addition, in the nitride semiconductor device 1 of sample A3, the resistance of the nitride semiconductor device 1 is lower than that of the nitride semiconductor device 1 of sample A5, so the applied voltage Va during energization is lower, making it difficult to cause thermal breakdown. . In this way, the nitride semiconductor device 1 of sample A3 has a good balance between the effect of blocking electrons in the first compositional change region 321 and the resistance value of the nitride semiconductor device 1. As a result, in the nitride semiconductor device 1 of sample A3, the maximum current density Jmax was 47 kA/cm 2 , making it easy to pass a high current, and the electrical yield was 93%, indicating that samples A1, A2, A4, and A5 It is higher than that of the nitride semiconductor device 1.
最大電流密度Ｊｍａｘが１ｋＡ／ｃｍ２の電流密度に耐える窒化物半導体素子１、すなわち最大電流密度Ｊｍａｘが１ｋＡ／ｃｍ２の窒化物半導体素子１は、素子面積を小さくすることができる。また、レーザ発振の閾値から換算すると、レーザ発振には１ｋＡ／ｃｍ２以上の電流密度が必要である。このため、窒化物半導体素子１は、１ｋＡ／ｃｍ２以上の電流密度、例えば電流密度が５ｋＡ／ｃｍ２又は１０ｋＡ／ｃｍ２に耐えうることがより好ましい。
The nitride semiconductor device 1 that can withstand a current density with a maximum current density Jmax of 1 kA/cm 2 , that is, the nitride semiconductor device 1 with a maximum current density Jmax of 1 kA/cm 2 can have a small device area. Further, when converted from the threshold value of laser oscillation, a current density of 1 kA/cm 2 or more is required for laser oscillation. For this reason, it is more preferable that the nitride semiconductor device 1 can withstand a current density of 1 kA/cm 2 or more, for example, a current density of 5 kA/cm 2 or 10 kA/cm 2 .
このように、窒化物半導体素子１に設けられる第一組成変化領域３２１には、発振、最大電流密度、最大電流時電圧及び電気良品収率の観点から最適な膜厚が存在する。第一組成変化領域３２１の膜厚が０ｎｍより、より厚くなることにより、リーク不良が発生する窒化物半導体素子１が減少する。このため、第一組成変化領域３２１の膜厚は、０ｎｍよりも厚いことが必要となる。また、第一組成変化領域３２１の膜厚が４００ｎｍ以上であると、通電破壊不良が発生する窒化物半導体素子１が増加する。このため、第一組成変化領域３２１の膜厚は、４００ｎｍよりも薄いことが必要となる。したがって、本実施形態による窒化物半導体素子１では、第一組成変化領域３２１は、例えば０ｎｍより大きく４００ｎｍよりも小さい厚さを有しているとよい。
In this way, the first compositional change region 321 provided in the nitride semiconductor device 1 has an optimal film thickness from the viewpoints of oscillation, maximum current density, voltage at maximum current, and electrical yield. By making the film thickness of the first compositional change region 321 thicker than 0 nm, the number of nitride semiconductor devices 1 in which leakage defects occur is reduced. Therefore, the film thickness of the first compositional change region 321 needs to be thicker than 0 nm. Moreover, if the film thickness of the first compositional change region 321 is 400 nm or more, the number of nitride semiconductor devices 1 in which failure due to conduction breakdown occurs increases. Therefore, the film thickness of the first compositional change region 321 needs to be thinner than 400 nm. Therefore, in the nitride semiconductor device 1 according to this embodiment, the first compositionally changed region 321 preferably has a thickness of, for example, greater than 0 nm and less than 400 nm.
また、窒化物半導体素子１の動作シミュレーションによると、第一組成変化領域３２１の膜厚が１５０ｎｍ以上４００ｎｍ未満であると、レーザ発振が確認できる。このため、窒化物半導体素子１は、膜厚が１５０ｎｍ以上４００ｎｍ未満の第一組成変化領域３２１を有していてもよい。また、窒化物半導体素子１の動作シミュレーションによると、第一組成変化領域３２１の膜厚が２００ｎｍ以上４００ｎｍ未満であると、導波損失αｉが低くなるため発振閾値利得ｇｔｈが低くなることが確認できる。このため、窒化物半導体素子１は、膜厚が２００ｎｍ以上４００ｎｍ未満の第一組成変化領域３２１を有していてもよい。さらに、窒化物半導体素子１の動作シミュレーションによると、第一組成変化領域３２１の膜厚が３００ｎｍ以上４００ｎｍ未満であると、導波損失αｉが低くなるため発振閾値利得Jｔｈ、かつαｉが一定になるため発振閾値利得Jｔｈが一定となることが確認できる。このため、窒化物半導体素子１は、膜厚が３００ｎｍ以上４００ｎｍ未満の第一組成変化領域３２１を有していてもよい。発振閾値利得Jｔｈが一定となると、第一組成変化領域３２１の膜厚に製造時のバラつきが生じても、窒化物半導体素子１に発振不良が生じにくくなる。これにより、窒化物半導体素子１は、製造歩留まりの向上を図ることができる。なお、第一組成変化領域３２１の膜厚が１５０ｎｍ未満であると、シミュレーシ
ョン上では窒化物半導体素子１は発光するものの発振することはできない。
Further, according to an operation simulation of the nitride semiconductor device 1, laser oscillation can be confirmed when the film thickness of the first composition change region 321 is 150 nm or more and less than 400 nm. Therefore, the nitride semiconductor device 1 may have the first compositional change region 321 having a film thickness of 150 nm or more and less than 400 nm. Furthermore, according to the operation simulation of the nitride semiconductor device 1, it can be confirmed that when the film thickness of the first compositional change region 321 is 200 nm or more and less than 400 nm, the oscillation threshold gain gth becomes low because the waveguide loss αi becomes low. . Therefore, the nitride semiconductor device 1 may have the first compositional change region 321 having a film thickness of 200 nm or more and less than 400 nm. Furthermore, according to the operation simulation of the nitride semiconductor device 1, when the film thickness of the first compositional change region 321 is 300 nm or more and less than 400 nm, the waveguide loss αi becomes low, so that the oscillation threshold gain Jth and αi become constant. Therefore, it can be confirmed that the oscillation threshold gain Jth is constant. Therefore, the nitride semiconductor device 1 may have the first compositional change region 321 having a film thickness of 300 nm or more and less than 400 nm. When the oscillation threshold gain Jth is constant, oscillation defects are less likely to occur in the nitride semiconductor device 1 even if variations in the film thickness of the first compositional change region 321 occur during manufacturing. Thereby, the manufacturing yield of the nitride semiconductor device 1 can be improved. Note that if the film thickness of the first compositional change region 321 is less than 150 nm, the nitride semiconductor device 1 emits light but cannot oscillate in the simulation.
次に、第一組成変化領域３２１のＡｌ組成比ｘ３について図１及び図２を参照しつつ図５を用いて説明する。図５は、窒化物半導体素子１に設けられた組成変化層３２の第一組成変化領域３２１の所定端部のＡｌ組成比に対する導波損失のシミュレーション結果の一例を示すグラフである。第一組成変化領域３２１の所定端部は、窒化物半導体活性層３５２の配置側とは反対側の第一組成変化領域３２１の端部である。換言すると、第一組成変化領域３２１の所定端部は、第二組成変化領域３２２に接触する側の端部である。図５中の横軸は第一組成変化領域３２１の所定端部のＡｌ組成比（％）を示し、縦軸は導波損失（ｃｍ－１）を示している。
Next, the Al composition ratio x3 of the first composition change region 321 will be explained using FIG. 5 while referring to FIGS. 1 and 2. FIG. 5 is a graph showing an example of a simulation result of waveguide loss with respect to the Al composition ratio of a predetermined end portion of the first composition change region 321 of the composition change layer 32 provided in the nitride semiconductor device 1. The predetermined end of the first compositionally varied region 321 is the end of the first compositionally varied region 321 on the side opposite to the side on which the nitride semiconductor active layer 352 is arranged. In other words, the predetermined end portion of the first composition change region 321 is the end portion on the side that contacts the second composition change region 322. The horizontal axis in FIG. 5 shows the Al composition ratio (%) at a predetermined end of the first composition change region 321, and the vertical axis shows the waveguide loss (cm −1 ).
図５に示すように、導波損失αｉは、第一組成変化領域３２１の所定端部のＡｌ組成比ｘ３が大きいほど小さくなる。また、このシミュレーションの結果では、内部効率、光閉じ込め係数はほぼ変化無く、ミラー損失αｍも３４．３ｃｍ－１で一定であり、窒化物半導体活性層３５２の膜厚は同一の設計で実施したため、導波損失αｉが発振閾値利得ｇｔｈの支配因子となっている。
As shown in FIG. 5, the waveguide loss αi becomes smaller as the Al composition ratio x3 at the predetermined end of the first composition change region 321 becomes larger. Furthermore, in the results of this simulation, the internal efficiency and optical confinement coefficient were almost unchanged, the mirror loss αm was also constant at 34.3 cm -1 , and the thickness of the nitride semiconductor active layer 352 was designed to be the same. The waveguide loss αi is a controlling factor of the oscillation threshold gain gth.
窒化物半導体素子の電流の発振閾値利得ｇｔｈは、導波損失αｉが小さいほど低くなる。このため、本計算では第一組成変化領域３２１のＡｌ組成比ｘ３は、例えば５０％以上であることが必須である。つまり、第一組成変化領域３２１の所定端部のＡｌ組成比ｘ３の下限値は、例えば５０％（０．５）となる。これは、下部ガイド層３５１および上部ガイド層３５３のＡｌ組成比ｘ４と一致している。つまり、第一組成変化領域３２１の所定端部のＡｌ組成比ｘ３の下限値が下部ガイド層３５１および上部ガイド層３５３のＡｌ組成比ｘ４より大きくないと、光を効果的に下部ガイド層３５１および上部ガイド層３５３に閉じ込めることができず、導波損失αｉが大きくなる。第一組成変化領域３２１の所定端部のＡｌ組成比ｘ３の上限値は、窒化物半導体素子１の導電性を考慮して決定される。本実施形態では、第一組成変化領域３２１のＡｌ組成比ｘ３の上限値は、例えば８０％に設定されている。
The current oscillation threshold gain gth of the nitride semiconductor element becomes lower as the waveguide loss αi becomes smaller. Therefore, in this calculation, it is essential that the Al composition ratio x3 of the first composition change region 321 is, for example, 50% or more. That is, the lower limit value of the Al composition ratio x3 at the predetermined end of the first composition change region 321 is, for example, 50% (0.5). This matches the Al composition ratio x4 of the lower guide layer 351 and the upper guide layer 353. In other words, unless the lower limit of the Al composition ratio x3 at the predetermined end of the first composition change region 321 is larger than the Al composition ratio x4 of the lower guide layer 351 and the upper guide layer 353, the light can be effectively transferred to the lower guide layer 351 and the upper guide layer 353. It cannot be confined in the upper guide layer 353, and the waveguide loss αi increases. The upper limit of the Al composition ratio x3 at the predetermined end of the first composition change region 321 is determined in consideration of the conductivity of the nitride semiconductor element 1. In this embodiment, the upper limit of the Al composition ratio x3 of the first composition change region 321 is set to, for example, 80%.
また、上述のサンプルＡ３の薄膜構造に対して電子ブロック層のＡｌ組成比率を１とし、第一組成変化領域のＡｌ組成比率を１から０．５に減少する点のみ変更した薄膜構造を＋ｃ面サファイア基板上に成長させたところ、２インチ基板の周囲端から半分に至る領域までクラックが見受けられた。これは、第一組成変化領域のガイド層側のＡｌ組成比率が高いことにより、引っ張り応力によりクラックが生成したものと考えられる。上記を踏まえると、本発明においては第一組成変化領域のガイド層側の端面のＡｌ組成は０．２以上１以下であると良く、好ましくは０．５以上１未満であるとよく、より好ましくは０．５以上０．８以下であとよい。なお、第一組成変化層のガイド層側の端面のＡｌ組成比率は断面構造のエネルギー分散型Ｘ線解析（ＥＤＸ）により特定することが出来る。Ａｌ組成比率は、ＡｌとＧａのモル数の和に対するＡｌのモル数の比率と定義でき、具体的にはＥＤＸから分析および定量されたＡｌ、Ｇａのモル数の値を用いて定義することができる。この場合、第一組成変化領域を定義した膜厚における回帰直線と、その定義した膜厚範囲の領域において最もガイド層側の位置において回帰直線が示すＡｌ組成比率を第一組成変化領域のガイド層側の端面のＡｌ組成比率と定義する。
In addition, a thin film structure in which the Al composition ratio of the electron block layer is set to 1 and the Al composition ratio of the first composition change region is decreased from 1 to 0.5 with respect to the thin film structure of sample A3 described above is prepared in the +c plane. When grown on a sapphire substrate, cracks were observed from the peripheral edge to half of the 2-inch substrate. This is considered to be because cracks were generated due to tensile stress due to the high Al composition ratio on the guide layer side of the first composition change region. Based on the above, in the present invention, the Al composition of the end face on the guide layer side of the first composition change region is preferably 0.2 or more and 1 or less, preferably 0.5 or more and less than 1, and more preferably is preferably 0.5 or more and 0.8 or less. Note that the Al composition ratio of the end face on the guide layer side of the first composition change layer can be specified by energy dispersive X-ray analysis (EDX) of the cross-sectional structure. The Al composition ratio can be defined as the ratio of the number of moles of Al to the sum of the number of moles of Al and Ga, and specifically, it can be defined using the values of the number of moles of Al and Ga analyzed and quantified from EDX. can. In this case, the regression line at the film thickness that defined the first composition change region and the Al composition ratio indicated by the regression line at the position closest to the guide layer in the defined film thickness range are calculated as follows: It is defined as the Al composition ratio of the side end face.
窒化物半導体活性層３５２（図１参照）の配置側とは反対側の第一組成変化領域３２１の端部は、Ａｌ組成比ｘ３が上部ガイド層３５３のＡｌ組成比ｘ４以上であってもよい。窒化物半導体活性層３５２（図１参照）の配置側とは反対側の第一組成変化領域３２１の端部は、第一組成変化領域３２１の膜厚方向における両端部のうちの上部ガイド層３５３が配置されていない側の端部である。また、窒化物半導体活性層３５２の配置側とは反対側の第一組成変化領域３２１の端部は、換言すると、第一組成変化領域３２１の膜厚方向
における両端部のうちの第二組成変化領域３２２との境界側の端部である。窒化物半導体活性層３５２の配置側とは反対側の第一組成変化領域３２１の端部は、Ａｌ組成比ｘ３が上部ガイド層３５３のＡｌ組成比ｘ４よりも例えば１０％以上高くなるように形成されていてもよい。このように、第一組成変化領域３２１の当該端部のＡｌ組成比ｘ３が上部ガイド層３５３のＡｌ組成比ｘ４よりも高く設定されることにより、導波損失αｉを低減させることができるため窒化物半導体素子１は、発振閾値利得ｇｔｈをより低減することができる。第一組成変化層の第二組成変化層側の端面のＡｌ組成比率は断面構造のエネルギー分散型Ｘ線解析（ＥＤＸ）により特定することが出来る。Ａｌ組成比率は、ＡｌとＧａのモル数の和に対するＡｌのモル数の比率と定義でき、具体的にはＥＤＸから分析および定量されたＡｌ、Ｇａのモル数の値を用いて定義することができる。この場合、第一組成変化領域を定義した膜厚における回帰直線と、その定義した膜厚範囲の領域において最も第二組成変化領域側の位置において回帰直線が示すＡｌ組成比率を第一組成変化領域の第二組成変化領域側の端面のＡｌ組成比率と定義する。
At the end of the first composition change region 321 on the side opposite to the side on which the nitride semiconductor active layer 352 (see FIG. 1) is arranged, the Al composition ratio x3 may be greater than or equal to the Al composition ratio x4 of the upper guide layer 353. . The end of the first compositionally varied region 321 opposite to the side on which the nitride semiconductor active layer 352 (see FIG. 1) is disposed is connected to the upper guide layer 353 of both ends of the first compositionally varied region 321 in the film thickness direction. This is the end on the side where is not placed. In other words, the end of the first compositionally changed region 321 on the side opposite to the side on which the nitride semiconductor active layer 352 is arranged is the second compositionally changed region of both ends of the first compositionally changed region 321 in the film thickness direction. This is the end on the boundary side with the region 322. The end of the first composition change region 321 on the side opposite to the side on which the nitride semiconductor active layer 352 is arranged is formed such that the Al composition ratio x3 is higher than the Al composition ratio x4 of the upper guide layer 353 by, for example, 10% or more. may have been done. In this way, by setting the Al composition ratio x3 at the end of the first composition change region 321 higher than the Al composition ratio x4 of the upper guide layer 353, the waveguide loss αi can be reduced. The physical semiconductor device 1 can further reduce the oscillation threshold gain gth. The Al composition ratio of the end face of the first compositionally variable layer on the second compositionally variable layer side can be specified by energy dispersive X-ray analysis (EDX) of the cross-sectional structure. The Al composition ratio can be defined as the ratio of the number of moles of Al to the sum of the number of moles of Al and Ga, and specifically, it can be defined using the values of the number of moles of Al and Ga analyzed and quantified from EDX. can. In this case, the regression line at the film thickness that defined the first composition change region and the Al composition ratio indicated by the regression line at the position closest to the second composition change region in the defined film thickness range are calculated as the Al composition ratio in the first composition change region. is defined as the Al composition ratio of the end face on the second composition change region side.
次に、組成変化層３２を構成する第二組成変化領域３２２について説明する。まず、第二組成変化領域３２２の膜厚について図１及び図２を参照しつつ図６を用いて説明する。図６は、窒化物半導体素子１に設けられた組成変化層３２の第二組成変化領域３２２の膜厚に対する導波損失のシミュレーション結果の一例を示すグラフである。図６中の横軸は第二組成変化領域３２２の膜厚（ｎｍ）を示し、縦軸は導波損失（ｃｍ－１）を示している。
Next, the second compositional change region 322 that constitutes the compositional change layer 32 will be explained. First, the film thickness of the second compositional change region 322 will be described using FIG. 6 while referring to FIGS. 1 and 2. FIG. 6 is a graph showing an example of a simulation result of waveguide loss with respect to the film thickness of the second compositionally changed region 322 of the compositionally changed layer 32 provided in the nitride semiconductor device 1. In FIG. The horizontal axis in FIG. 6 indicates the film thickness (nm) of the second compositional change region 322, and the vertical axis indicates the waveguide loss (cm −1 ).
図６に示すように、導波損失αｉは、第二組成変化領域３２２の膜厚が薄いほど小さくなる。また、このシミュレーションの結果では、内部効率、光閉じ込め係数はほぼ変化無く、ミラー損失αｍも３４．３ｃｍ－１で一定であり、窒化物半導体活性層３５２の膜厚は同一の設計で実施したため、導波損失αｉが発振閾値利得ｇｔｈの支配因子となっている。
As shown in FIG. 6, the waveguide loss αi becomes smaller as the film thickness of the second composition change region 322 becomes thinner. Furthermore, in the results of this simulation, the internal efficiency and optical confinement coefficient remained almost unchanged, the mirror loss αm remained constant at 34.3 cm -1 , and the film thickness of the nitride semiconductor active layer 352 was designed to be the same. The waveguide loss αi is a controlling factor of the oscillation threshold gain gth.
窒化物半導体素子の発振閾値利得ｇｔｈは、導波損失αｉが小さいほど低くなる。このため、窒化物半導体素子１の発振の観点では、第二組成変化領域３２２の膜厚は、１３０ｎｍ以下であるとよい。
The oscillation threshold gain gth of the nitride semiconductor element becomes lower as the waveguide loss αi becomes smaller. Therefore, from the viewpoint of oscillation of the nitride semiconductor device 1, the film thickness of the second compositionally changed region 322 is preferably 130 nm or less.
窒化物半導体素子１は、第一電極１４から第一組成変化領域３２１へキャリアを注入するために第二組成変化領域３２２を必須構成要素としている。第二組成変化領域３２２を構成するＡｌＧａＮは、Ｐ、Ａｓ又はＳｂといったＮ以外のＶ族元素や、Ｉｎ又はＢといったＩＩＩ族元素、Ｃ、Ｈ、Ｆ、Ｏ、Ｓｉ、Ｃｄ、Ｚｎ又はＢｅなどの不純物が含まれていてもよい。また、第二組成変化領域３２２を構成するＡｌＧａＮは、ｎ型半導体のドーパントとしてＳｉ、ｐ型半導体のドーパントとしてＭｇを含んでいても良い。第二組成変化領域３２１は連続的にＡｌ組成比率が減少する領域であり、＋ｃ面成長の際には分極により正孔が発生する。この場合、第二組成変化領域３２２は、ドーパントとしてＭｇを含んでいても良い。－ｃ面成長の際には分極により電子が発生する。この場合、第二組成変化領域３２２は、ドーパントとしてＳｉを含んでいても良い。第二組成変化領域はドーパントとしてのＳｉ、Ｍｇを含まないアンドープ層であっても良い。第二組成変化領域３２２をアンドープ層とすることにより、不純物起因の光の吸収を抑制することができ、レーザダイオードにおいて内部損失を低減することが可能である。また、発光ダイオードにおいても光吸収を抑制することにより光取り出し効率が向上し、発光効率を向上させることが可能である。第二組成変化領域３２２は、第一組成変化領域３２１と直接接していてもよい。また、第一組成変化領域３２１と第二組成変化領域３２２との間に例えば組成が一定のＡｌＮとＧａＮの混晶であるＡｌＧａＮ層を含んでいても良い。第二組成変化領域３２２の第一組成変化領域３２１側のＡｌ組成比率は、第一組成変化領域３２１の第二組成変化領域３２２側のＡｌ組成比率と同じであっても、高くても、低くても良い。第二組成
変化領域３２２の第一組成変化領域３２１側のＡｌ組成比率は好ましくは、第一組成変化領域３２１の第二組成変化領域３２２側のＡｌ組成比率と同じまたは低いことである。これは、第一組成変化領域３２１と第二組成変化領域３２２の間の障壁をなくすことで、ダイオードの立ち上がり電圧が低い素子を作製することが出来るため、低消費電力の素子に適している。第二組成変化領域３２２の組成変化は、第一組成変化領域３２１の組成変化と同様に断面構造のエネルギー分散型Ｘ線解析（ＥＤＸ）により特定することが出来る。具体的には第二組成変化領域３２２と考える層の膜厚に対して大きくとも１／１０以下の距離の分解能を有する条件において対称とする層内において１０点以上の測定点を有する測定を実施する。Ａｌ組成比率が膜厚に対して線形である場合、本構造はＡｌ組成比率の変化が連続的であると見做す。この際、線形性の定義としては、第一組成変化領域３２１と同様に定義する。
The nitride semiconductor device 1 includes the second compositional change region 322 as an essential component in order to inject carriers from the first electrode 14 to the first compositional change region 321 . AlGaN constituting the second compositional change region 322 includes a group V element other than N such as P, As or Sb, a group III element such as In or B, C, H, F, O, Si, Cd, Zn or Be. may contain impurities. Further, AlGaN constituting the second compositional change region 322 may contain Si as a dopant for an n-type semiconductor and Mg as a dopant for a p-type semiconductor. The second composition change region 321 is a region where the Al composition ratio decreases continuously, and holes are generated due to polarization during +c-plane growth. In this case, the second compositionally changed region 322 may contain Mg as a dopant. - During c-plane growth, electrons are generated due to polarization. In this case, the second compositionally changed region 322 may contain Si as a dopant. The second compositionally changed region may be an undoped layer that does not contain Si or Mg as a dopant. By forming the second compositionally changed region 322 as an undoped layer, absorption of light due to impurities can be suppressed, and internal loss in the laser diode can be reduced. Furthermore, by suppressing light absorption in a light emitting diode, the light extraction efficiency can be improved, and the light emitting efficiency can be improved. The second composition change region 322 may be in direct contact with the first composition change region 321. Furthermore, an AlGaN layer, which is a mixed crystal of AlN and GaN having a constant composition, may be included between the first compositional change region 321 and the second compositional change region 322, for example. The Al composition ratio on the first composition change region 321 side of the second composition change region 322 may be the same, higher, or lower than the Al composition ratio on the second composition change region 322 side of the first composition change region 321. It's okay. The Al composition ratio of the second composition change region 322 on the first composition change region 321 side is preferably the same as or lower than the Al composition ratio of the first composition change region 321 on the second composition change region 322 side. This is suitable for an element with low power consumption because it is possible to manufacture an element with a low diode startup voltage by eliminating the barrier between the first compositional change region 321 and the second compositional change region 322. Similar to the composition change in the first composition change region 321, the composition change in the second composition change region 322 can be specified by energy dispersive X-ray analysis (EDX) of the cross-sectional structure. Specifically, measurements are performed using 10 or more measurement points within the symmetrical layer under conditions that have a distance resolution of at most 1/10 or less of the film thickness of the layer considered to be the second compositional change region 322. do. When the Al composition ratio is linear with respect to the film thickness, it is assumed that the change in the Al composition ratio is continuous in this structure. At this time, linearity is defined in the same manner as the first composition change region 321.
次に、第二組成変化領域３２２と他の層との区別において述べる。例えばＡｌ組成比率が０．５から０まで連続的に減少する厚さ７５ｎｍの第３の層と、Ａｌ組成比率が０で一定の厚さ５０ｎｍの第４の層とを組み合わせた構造を有する層は、当然本発明の第二組成変化領域３２２として定義される。ＥＤＸで測定する測定点を例えば第３の層から９点、第４の層から１点抽出した場合、測定点の選択によっては回帰曲線の決定定数が０．９５以上となる場合がある。このような場合は、選択した第二組成変化領域３２２の膜厚領域が誤っている。より薄い膜厚において上記定義に従い第二組成変化領域３２２に該当する層が存在する場合には、当該層は本発明に含まれる第二組成変化領域３２２と定義する。第二組成変化領域３２２のＡｌ組成比率の膜厚に対する変化率は、上記により決定した回帰直線の傾きと定義する。
Next, the distinction between the second compositional change region 322 and other layers will be described. For example, a layer having a structure that combines a third layer with a thickness of 75 nm in which the Al composition ratio continuously decreases from 0.5 to 0, and a fourth layer with a constant thickness of 50 nm and whose Al composition ratio is constant at 0. is naturally defined as the second compositional change region 322 of the present invention. If, for example, nine measurement points are extracted from the third layer and one point from the fourth layer to be measured by EDX, the determination constant of the regression curve may be 0.95 or more depending on the selection of the measurement points. In such a case, the selected film thickness region of the second composition change region 322 is incorrect. If a layer corresponding to the second compositional change region 322 according to the above definition exists in a thinner film thickness, the layer is defined as the second compositional change region 322 included in the present invention. The rate of change in the Al composition ratio of the second composition change region 322 with respect to the film thickness is defined as the slope of the regression line determined above.
第二組成変化領域３２２の膜厚に対するＡｌ組成比率の変化率（傾斜率）は第一組成変化領域３２１の変化率よりも大きいことが必要である。これは、第二組成変化領域３２２の役割が第一組成変化領域３２１へ効率的に電流を流すことであり、かつ後述する光の漏れに起因する内部ロスの増加を抑制することだからである。第二組成変化領域３２２に該当する層が複数存在する場合には、この複数の層うちの１つでも第二組成変化領域３２２の定義を満たす場合は、本発明の構造であると見做す。
第一組成変化領域３２１のＡｌ組成比率と第二組成変化領域３２２のＡｌ組成比率とが連続的に変化する場合、第一組成変化領域３２１および第二組成変化領域３２２が接触する界面のＡｌ組成比率の定義としては、上記で定義した第一組成変化領域３２１の回帰直線と、第二組成変化領域３２２の回帰直線との交点におけるＡｌ組成比率と定義する。
The rate of change (gradient rate) of the Al composition ratio with respect to the film thickness of the second composition change region 322 needs to be larger than the change rate of the first composition change region 321 . This is because the role of the second compositional change region 322 is to efficiently flow current to the first compositional change region 321, and to suppress an increase in internal loss due to light leakage, which will be described later. In the case where there are a plurality of layers corresponding to the second compositionally varied region 322, if even one of the plurality of layers satisfies the definition of the second compositionally varied region 322, the structure is considered to be the structure of the present invention. .
When the Al composition ratio of the first composition change region 321 and the Al composition ratio of the second composition change region 322 change continuously, the Al composition of the interface where the first composition change region 321 and the second composition change region 322 contact each other. The ratio is defined as the Al composition ratio at the intersection of the regression line of the first composition change region 321 and the regression line of the second composition change region 322 defined above.
第二組成変化領域３２２は下部ガイド層３５１および上部ガイド層３５３のＡｌ組成比ｘ４よりも低いＡｌ組成比の層を含む可能性がある。この層は、発光部３５で発光した光が第二組成変化領域３２２、第二窒化物半導体層３３および第一電極１４へ漏れるリスクを有する。また、第二組成変化領域３２２は、窒化物半導体活性層３５２の井戸層３５２ａのＡｌ組成比よりも低いＡｌ組成比の層を含む可能性がある。この層は、発光部３５で発光した光を吸収する可能性がある。第二組成変化領域３２２は、下部ガイド層３５１および上部ガイド層３５３のＡｌ組成比ｘ４よりも低いＡｌ組成比の層に起因する光漏れを低減するために、なるべく薄いことが求められる。このため、本発明を実現するためには、第二組成変化領域３２２は、第一組成変化領域３２１よりも組成変化率を大きくすることでの薄膜化が必須となる。また、図６に示す特性を得るためのシミュレーションの結果、第二組成変化領域３２２の膜厚が２００ｎｍよりも薄い場合に窒化物半導体素子１における発振が確認された。したがって、窒化物半導体素子１では、第二組成変化領域３２２は、０ｎｍより厚く２００ｎｍより薄い厚さを有していてもよい。窒化物半導体素子１の抵抗を低減させて駆動電圧を低くし、発熱量を小さくして窒化物半導体素子１の破壊を抑制するためには、第二組成変化領域３２２の膜厚はより薄いことが好ましい。
The second compositional change region 322 may include a layer having an Al composition ratio lower than the Al composition ratio x4 of the lower guide layer 351 and the upper guide layer 353. This layer has a risk that the light emitted by the light emitting section 35 leaks to the second composition change region 322, the second nitride semiconductor layer 33, and the first electrode 14. Furthermore, the second compositional change region 322 may include a layer having an Al composition ratio lower than that of the well layer 352a of the nitride semiconductor active layer 352. This layer may absorb the light emitted by the light emitting section 35. The second composition change region 322 is required to be as thin as possible in order to reduce light leakage caused by a layer having an Al composition ratio lower than the Al composition ratio x4 of the lower guide layer 351 and the upper guide layer 353. Therefore, in order to realize the present invention, the second compositionally changed region 322 must be made thinner by making the composition change rate larger than that of the first compositionally changed region 321. Moreover, as a result of simulation to obtain the characteristics shown in FIG. 6, oscillation in the nitride semiconductor device 1 was confirmed when the film thickness of the second composition change region 322 was thinner than 200 nm. Therefore, in the nitride semiconductor device 1, the second compositionally changed region 322 may have a thickness greater than 0 nm and less than 200 nm. In order to reduce the resistance of the nitride semiconductor device 1, lower the driving voltage, and reduce the amount of heat generated to suppress destruction of the nitride semiconductor device 1, the film thickness of the second composition change region 322 should be thinner. is preferred.
また、窒化物半導体素子１は、発振閾値利得ｇｔｈを低くするために、０ｎｍより厚く１５０ｎｍより薄い膜厚に形成された第二組成変化領域３２２を有していてもよい。また、窒化物半導体素子１は、発振閾値利得ｇｔｈを極めて低くするために、０ｎｍより厚く１００ｎｍより薄い膜厚に形成された第二組成変化領域３２２を有していてもよい。さらに、窒化物半導体素子１は、第二組成変化領域３２２における組成変化（すなわち組成傾斜）の再現性を向上させるために、１０ｎｍより厚く１００ｎｍ以下の膜厚に形成された第二組成変化領域３２２を有していてもよい。
Further, the nitride semiconductor device 1 may have the second compositionally changed region 322 formed to have a thickness greater than 0 nm and less than 150 nm in order to lower the oscillation threshold gain gth. Further, the nitride semiconductor device 1 may have the second compositional change region 322 formed to have a thickness greater than 0 nm and less than 100 nm in order to make the oscillation threshold gain gth extremely low. Further, in the nitride semiconductor device 1, in order to improve the reproducibility of the composition change (i.e. composition gradient) in the second composition change region 322, the second composition change region 322 is formed to have a film thickness of more than 10 nm and 100 nm or less. It may have.
次に、第二組成変化領域３２２のＡｌ組成比ｘ３について図１及び図２を参照しつつ図７を用いて説明する。図７は、窒化物半導体素子１に設けられた組成変化層３２の第二組成変化領域３２２の所定端部におけるＡｌ組成比ｘ３に対する導波損失のシミュレーション結果の一例を示すグラフである。第二組成変化領域３２２の所定端部は、窒化物半導体活性層３５２の配置側とは反対側の第二組成変化領域３２２の端部である。換言すると、第二組成変化領域３２２の所定端部は、第一組成変化領域３２１との境界側とは反対側の端部である。さらに換言すると、第二組成変化領域３２２の所定端部は、第二窒化物半導体層３３に接触する側の端部である。図７中の横軸は第二組成変化領域３２２のまた、このシミュレーションの結果では、内部効率、光閉じ込め係数はほぼ変化無く、ミラー損失αｍも３４．３ｃｍ－１で一定であり、窒化物半導体活性層３５２の膜厚は同一の設計で実施したため、導波損失αｉが発振閾値利得ｇｔｈの支配因子となっている。
Next, the Al composition ratio x3 of the second composition change region 322 will be explained using FIG. 7 while referring to FIGS. 1 and 2. FIG. 7 is a graph showing an example of a simulation result of waveguide loss with respect to the Al composition ratio x3 at a predetermined end of the second composition change region 322 of the composition change layer 32 provided in the nitride semiconductor device 1. The predetermined end portion of the second compositionally changed region 322 is an end portion of the second compositionally changed region 322 on the side opposite to the side on which the nitride semiconductor active layer 352 is arranged. In other words, the predetermined end of the second composition change region 322 is the end opposite to the boundary side with the first composition change region 321. In other words, the predetermined end of the second compositionally changed region 322 is the end that contacts the second nitride semiconductor layer 33 . The horizontal axis in FIG. 7 indicates the second compositional change region 322. According to the results of this simulation, the internal efficiency and optical confinement coefficient are almost unchanged, the mirror loss αm is also constant at 34.3 cm −1 , and the nitride semiconductor Since the thickness of the active layer 352 was designed to be the same, the waveguide loss αi is the dominant factor for the oscillation threshold gain gth.
図７に示すように、導波損失αｉは、第二組成変化領域３２２の所定端部でのＡｌ組成比ｘ３が０％から３０％の範囲では、Ａｌ組成比ｘ３が大きいほど小さくなる。また、導波損失αｉは、第二組成変化領域３２２の所定端部でのＡｌ組成比ｘ３が３０％以上の範囲ではほぼ一定値となる。一方、ミラー損失αｍは、第二組成変化領域３２２の所定端部でのＡｌ組成比ｘ３に依存せずに３４．３ｃｍ－１でほぼ一定となる。導波損失αｉは、第二組成変化領域３２２の所定端部でのＡｌ組成比ｘ３に依存せずに、ミラー損失αｍよりも小さくなる。
As shown in FIG. 7, when the Al composition ratio x3 at the predetermined end of the second composition change region 322 is in the range from 0% to 30%, the waveguide loss αi decreases as the Al composition ratio x3 increases. Moreover, the waveguide loss αi becomes a substantially constant value in a range where the Al composition ratio x3 at the predetermined end of the second composition change region 322 is 30% or more. On the other hand, the mirror loss αm is approximately constant at 34.3 cm −1 regardless of the Al composition ratio x3 at the predetermined end of the second composition change region 322. The waveguide loss αi becomes smaller than the mirror loss αm without depending on the Al composition ratio x3 at the predetermined end of the second composition change region 322.
窒化物半導体素子の発振閾値利得ｇｔｈは、導波損失αｉが小さいほど低くなる。このため、第二組成変化領域３２２の所定端部でのＡｌ組成比ｘ３は、発振の観点では０よりも大きければよい。しかしながら、第二組成変化領域３２２の所定端部でのＡｌ組成比ｘ３が０．５以上（すなわち５０％以上）になると、組成変化層３２と第二窒化物半導体層３３との間の抵抗値が高くなり発光部３５への電流注入が不可能となる。このため、窒化物半導体活性層３５２の配置側とは反対側の第二組成変化領域３２２の端部（すなわち所定端部）は、Ａｌ組成比ｘ３が０以上０．５未満であるとよい。また、組成変化層３２にキャリアをより注入し電流を流し易くするために、第二組成変化領域３２２の所定端部でのＡｌ組成比ｘ３は、０より大きく０．３以下（すなわち３０％以下）であってもよい。さらに、第二組成変化領域３２２の所定端部でのＡｌ組成比ｘ３は、０．１以上０．３以下（１０％以上３０％以下）であってもよい。第二組成変化領域３２２の所定端部でのＡｌ組成比ｘ３が当該範囲であると、図７に示すように、窒化物半導体素子１の導波損失αｉが低くなるので、発振閾値利得ｇｔｈを低減できる（式（２）参照）。ここで、第二組成変化領域３２２の所定端部でのＡｌ組成比率の定義としては、上記方法にて定義した膜厚範囲で最も第一組成変化領域から遠い点のＡｌ組成比率と定義する。
The oscillation threshold gain gth of the nitride semiconductor element becomes lower as the waveguide loss αi becomes smaller. Therefore, the Al composition ratio x3 at the predetermined end of the second composition change region 322 only needs to be larger than 0 from the viewpoint of oscillation. However, when the Al composition ratio x3 at the predetermined end of the second compositionally changed region 322 becomes 0.5 or more (that is, 50% or more), the resistance value between the compositionally changed layer 32 and the second nitride semiconductor layer 33 increases. becomes high, making it impossible to inject current into the light emitting section 35. For this reason, it is preferable that the Al composition ratio x3 of the end (ie, the predetermined end) of the second compositionally changed region 322 on the side opposite to the side on which the nitride semiconductor active layer 352 is disposed has an Al composition ratio x3 of 0 or more and less than 0.5. Further, in order to inject carriers into the composition change layer 32 and make it easier to flow current, the Al composition ratio x3 at the predetermined end of the second composition change region 322 is set to be greater than 0 and less than or equal to 0.3 (that is, less than or equal to 30%). ). Furthermore, the Al composition ratio x3 at the predetermined end of the second composition change region 322 may be 0.1 or more and 0.3 or less (10% or more and 30% or less). When the Al composition ratio x3 at the predetermined end of the second composition change region 322 is within this range, as shown in FIG. 7, the waveguide loss αi of the nitride semiconductor device 1 becomes low. can be reduced (see equation (2)). Here, the Al composition ratio at the predetermined end of the second composition change region 322 is defined as the Al composition ratio at the point farthest from the first composition change region in the film thickness range defined by the above method.
次に、窒化物半導体素子１の最大電流密度、最大電流時電圧及び電気良品収率の観点に基づく第二組成変化領域３２２の所定端部でのＡｌ組成比について説明する。窒化物半導体素子１の当該観点に基づく第二組成変化領域３２２の所定端部でのＡｌ組成比ｘ３を検討するために、第一組成変化領域３２１と同様に、第二組成変化領域３２２に対する最大電流密度、最大電流時電圧及び電気良品収率を測定した。なお、この測定の説明の便宜上、測定に用いた窒化物半導体素子及び窒化物半導体素子の構成要素には、比較例としての
窒化物半導体素子を除き、本実施形態による窒化物半導体素子１及び窒化物半導体素子１の構成要素の符号を用いることにする。
Next, the Al composition ratio at a predetermined end of the second composition change region 322 will be explained based on the maximum current density, voltage at maximum current, and electrical quality yield of the nitride semiconductor device 1. In order to study the Al composition ratio x3 at the predetermined end of the second compositionally changed region 322 based on this viewpoint of the nitride semiconductor device 1, the maximum The current density, voltage at maximum current, and yield of good electrical products were measured. For convenience of explanation of this measurement, the nitride semiconductor device and the components of the nitride semiconductor device used in the measurement include the nitride semiconductor device 1 and the nitride semiconductor device according to the present embodiment, excluding the nitride semiconductor device as a comparative example. The symbols of the components of the physical semiconductor device 1 will be used.
窒化物半導体素子１の最大電流密度、最大電流時電圧及び電気良品収率の測定にあたり、窒化物半導体素子１と同じ構成を有し、かつ第二組成変化領域３２２のＡｌ組成比ｘ３を変更した２種類のサンプルがそれぞれ５４個作製された。具体的には、第二組成変化領域３２２の膜厚が７５ｎｍかつＡｌ組成比ｘ３が５０％から０％に変化するサンプルＢ１、当該膜厚が３５ｎｍかつＡｌ組成比ｘ３が５０％から３０％に変化するサンプルＢ２の２種類である。さらに、比較例として、第二組成変化領域３２２を有していないことを除いて窒化物半導体素子１と同じ構成を有するサンプルＢ３の窒化物半導体素子が５４個作製された。サンプルＢ１及びＢ２の窒化物半導体素子１並びにサンプルＢ３の窒化物半導体素子の各層の組成などのパラメータは、上述の表１に示す電流シミュレーションの基本モデルとほぼ同じであるが、第二組成変化領域の膜厚の他に、以下のパラメータが異なっている。
When measuring the maximum current density, voltage at maximum current, and electrical quality yield of nitride semiconductor device 1, a device having the same configuration as nitride semiconductor device 1 and changing the Al composition ratio x3 of second composition change region 322 was used. Two types of samples were produced, 54 each. Specifically, sample B1 in which the second compositional change region 322 has a thickness of 75 nm and the Al composition ratio x3 changes from 50% to 0%; There are two types of sample B2 that change. Further, as a comparative example, 54 nitride semiconductor devices of sample B3 having the same configuration as nitride semiconductor device 1 except for not having the second compositional change region 322 were manufactured. The parameters such as the composition of each layer of the nitride semiconductor devices 1 of samples B1 and B2 and the nitride semiconductor device of sample B3 are almost the same as the basic model of current simulation shown in Table 1 above, but the second composition change region In addition to the film thickness, the following parameters differ.
（１）第一組成変化領域の膜厚：７５ｎｍ
（２）窒化物半導体活性層の発光層のＡｌ組成比：３５％
（３）第一窒化物半導体層の膜厚：３０００μｍ
（４）ＡｌＮ層の膜厚：１６００ｎｍ
(1) Film thickness of first composition change region: 75 nm
(2) Al composition ratio of light emitting layer of nitride semiconductor active layer: 35%
(3) Film thickness of first nitride semiconductor layer: 3000 μm
(4) Film thickness of AlN layer: 1600 nm
最大電流密度Ｊｍａｘ、最大電流時電圧Ｖｍａｘ及び電気良品収率の算出方法は、上述の第一組成変化領域の膜厚依存の測定と同様であるため、説明は省略する。
The methods for calculating the maximum current density Jmax, the voltage at maximum current Vmax, and the yield of good electrical products are the same as those for measuring the film thickness dependence of the first composition change region described above, so the explanation will be omitted.
表３は、第二組成変化領域３２２の膜厚に対する最大電流密度、最大電流時電圧及び電気良品収率の測定結果を示している。表３の１段目に示す「サンプル」は測定に用いられた窒化物半導体素子のサンプルの種類を示している。表３の１段目に示す「第二組成変化領域のＡｌ組成比［％］」は、測定に用いられた窒化物半導体素子に設けられた第二組成変化領域のＡｌ組成比を示している。「第二組成変化領域のＡｌ組成比［％］」の欄に記載された「５０→０」は、第二組成変化領域のＡｌ組成比が第一組成変化領域側の端部から第二窒化物半導体層側の端部に向かって５０％から０％に変化すること示している。したがって、サンプルＢ１の窒化物半導体素子１では、第二組成変化領域３２２の所定端部でのＡｌ組成比ｘ３は０％となる。「第二組成変化領域のＡｌ組成比［％］」の欄に記載された「５０→３０」は、第二組成変化領域のＡｌ組成比が第一組成変化領域側の端部から第二窒化物半導体層側の端部に向かって５０％から３０％に変化すること示している。したがって、サンプルＢ２の窒化物半導体素子１では、第二組成変化領域３２２の所定端部でのＡｌ組成比ｘ３は３０％となる。サンプルＢ３の窒化物半導体素子は、第二組成変化領域を有していないため、サンプルＢ３に対応する「第二組成変化領域のＡｌ組成比［％］」の欄には「なし」と記載されている。
Table 3 shows the measurement results of the maximum current density, the voltage at maximum current, and the yield of good electrical products with respect to the film thickness of the second compositional change region 322. "Sample" shown in the first row of Table 3 indicates the type of nitride semiconductor element sample used in the measurement. “Al composition ratio [%] of second composition change region” shown in the first row of Table 3 indicates the Al composition ratio of the second composition change region provided in the nitride semiconductor device used in the measurement. . “50 → 0” written in the column “Al composition ratio [%] of second composition change region” means that the Al composition ratio of the second composition change region is changed from the end on the first composition change region side to the second nitriding region. It is shown that it changes from 50% to 0% toward the end on the semiconductor layer side. Therefore, in the nitride semiconductor device 1 of sample B1, the Al composition ratio x3 at the predetermined end of the second composition change region 322 is 0%. “50 → 30” written in the column “Al composition ratio [%] of second composition change region” means that the Al composition ratio of the second composition change region is changed from the end on the first composition change region side to the second nitriding. It is shown that it changes from 50% to 30% toward the end on the semiconductor layer side. Therefore, in the nitride semiconductor device 1 of sample B2, the Al composition ratio x3 at the predetermined end of the second composition change region 322 is 30%. Since the nitride semiconductor device of sample B3 does not have a second compositionally varied region, "None" is written in the column of "Al composition ratio [%] of second compositionally varied region" corresponding to sample B3. ing.
表３の１段目に示す「第二組成変化領域の厚さ［ｎｍ］」は、測定に用いられた窒化物半導体素子に設けられた第二組成変化領域の膜厚（大かっこ内は膜厚の単位）を示している。サンプルＢ３の窒化物半導体素子は、第二組成変化領域を有していないため、サンプルＢ３に対応する「第二組成変化領域の厚さ［ｎｍ］」の欄には、第二組成変化領域の厚さの概念がないことを示す「－」が記載されている。
“Thickness of the second compositionally varied region [nm]” shown in the first row of Table 3 is the film thickness of the second compositionally varied region provided in the nitride semiconductor device used in the measurement (the value in square brackets indicates the thickness of the second compositionally varied region [nm]). unit of thickness). Since the nitride semiconductor device of sample B3 does not have a second compositionally changed region, the "Thickness of second compositionally changed region [nm]" column corresponding to sample B3 contains the value of the second compositionally changed region. A ``-'' is written to indicate that there is no concept of thickness.
表３の１段目に示す「Ａｌ組成比の変化率［％／ｎｍ］」は、測定に用いられた窒化物半導体素子に設けられた第二組成変化領域におけるＡｌ組成比の変化率（大かっこ内は当該変化率の単位）を示している。Ａｌ組成比の変化率は、第二組成変化領域のＡｌ組成比の変化量を第二組成変化領域の膜厚で除算して求められる。より具体的には、Ａｌ組成比の変化率は、ＡｌＧａＮ中でのＡｌ及びＧａのモル数の合計に対するＡｌのモル数である
Ａｌの組成比率が組成変化層３２の厚さ方向に変化する割合である。サンプルＢ１の窒化物半導体素子１は、第二組成変化領域のＡｌ組成比の変化量が５０％（＝５０－０）であり、第二組成変化領域の膜厚が７５ｎｍであるため、Ａｌ組成比の変化率が０．６７％／ｎｍ（＝５０／７５）となる。サンプルＢ２の窒化物半導体素子１は、第二組成変化領域のＡｌ組成比の変化量が２０％（＝５０－３０）であり、第二組成変化領域の膜厚が３５ｎｍであるため、Ａｌ組成比の変化率が０．５７％／ｎｍ（＝２０／３５）となる。サンプルＢ３の窒化物半導体素子は、第二組成変化領域を有していないため、サンプルＢ３に対応する「Ａｌ組成比の変化率［％／ｎｍ］」の欄には、第二組成変化領域の組成変化率の概念がないことを示す「－」が記載されている。また、サンプルＢ３の窒化物半導体素子は、電気良品収率が０％であり、最大電流密度および最大電流時電圧を測定できるサンプルがなかった。このため、サンプルＢ３に対応する「最大電流密度［ｋＡ／ｃｍ２］」および「最大電流時電圧［Ｖ］」のそれぞれの欄には、最大電流密度および最大電流時電圧を測定できるサンプルがないことを示す「－」が記載されている。
The “change rate of Al composition ratio [%/nm]” shown in the first row of Table 3 is the change rate (larger) of the Al composition ratio in the second composition change region provided in the nitride semiconductor device used in the measurement. The unit of the rate of change is shown in parentheses. The rate of change in the Al composition ratio is determined by dividing the amount of change in the Al composition ratio in the second composition change region by the film thickness of the second composition change region. More specifically, the rate of change in the Al composition ratio is the rate at which the Al composition ratio, which is the number of moles of Al relative to the total number of moles of Al and Ga in AlGaN, changes in the thickness direction of the composition change layer 32. It is. In the nitride semiconductor device 1 of sample B1, the amount of change in the Al composition ratio in the second composition change region is 50% (=50-0), and the film thickness of the second composition change region is 75 nm. The rate of change in ratio is 0.67%/nm (=50/75). In the nitride semiconductor device 1 of sample B2, the amount of change in the Al composition ratio in the second composition change region is 20% (=50-30), and the film thickness of the second composition change region is 35 nm. The rate of change in ratio is 0.57%/nm (=20/35). Since the nitride semiconductor device of sample B3 does not have the second compositional change region, the column of "Change rate of Al composition ratio [%/nm]" corresponding to sample B3 contains the second compositional change region. A ``-'' is written to indicate that there is no concept of compositional change rate. Furthermore, the nitride semiconductor device of sample B3 had an electrical yield of 0%, and there was no sample for which the maximum current density and voltage at maximum current could be measured. Therefore, in the "Maximum current density [kA/cm 2 ]" and "Voltage at maximum current [V]" columns corresponding to sample B3, there is no sample for which the maximum current density and voltage at maximum current can be measured. A ``-'' is written to indicate this.
表３の１段目に示す「最大電流密度［ｋＡ／ｃｍ２］」は、測定に用いられた５４個の窒化物半導体素子のそれぞれの最大電流密度の平均値（大かっこ内は単位）を示している。表３の１段目に示す「最大電流時電圧［Ｖ］」は、測定に用いられた５４個の窒化物半導体素子のそれぞれに印加された最大電流時電圧の平均値（大かっこ内は単位）を示している。表３の１段目に示す「電気良品収率［％］」は、測定に用いられたサンプルの種類ごとの電気良品収率（大かっこ内は単位）を示している。
“Maximum current density [kA/cm 2 ]” shown in the first row of Table 3 is the average value of the maximum current density of each of the 54 nitride semiconductor devices used in the measurement (units are in parentheses). It shows. "Voltage at maximum current [V]" shown in the first row of Table 3 is the average value of the voltage at maximum current applied to each of the 54 nitride semiconductor devices used in the measurement (the unit is in square brackets). ) is shown. "Electrical good product yield [%]" shown in the first row of Table 3 indicates the electrical good product yield (units in square brackets) for each type of sample used for measurement.
第二組成変化領域３２２の所定端部でのＡｌ組成比ｘ３を小さくすると、当該端部における半導体のエネルギーバンドギャップが小さくなる（図２参照）。井戸層３５２ａよりもバンドギャップエネルギーが小さくなると、窒化物半導体素子１に入射する光が第二組成変化領域３２２において吸収されてしまう。このため、第二組成変化領域３２２は、光の吸収を抑制するために、第二組成変化領域３２２の所定端部でのＡｌ組成比ｘ３が可能な限り大きく形成される。しかしながら、第二組成変化領域３２２の所定端部でのＡｌ組成比ｘ３が大きくなると、表３に示すように、最大電流密度及び電気良品収率が低下する傾向にある（サンプルＢ１及びサンプルＢ２の測定結果参照）。
When the Al composition ratio x3 at a predetermined end of the second composition change region 322 is reduced, the energy bandgap of the semiconductor at the end becomes smaller (see FIG. 2). When the band gap energy is smaller than that of the well layer 352a, light incident on the nitride semiconductor device 1 will be absorbed in the second composition change region 322. Therefore, the second compositionally varied region 322 is formed so that the Al composition ratio x3 at a predetermined end of the second compositionally varied region 322 is as large as possible in order to suppress light absorption. However, as the Al composition ratio x3 at the predetermined end of the second composition change region 322 increases, as shown in Table 3, the maximum current density and the yield of good electrical products tend to decrease (for samples B1 and B2). (See measurement results).
そこで、最大電流密度及び電気良品収率及び上述の発振の観点を考慮し、本実施形態による窒化物半導体素子１では、窒化物半導体活性層３５２の配置側とは反対側の第二組成変化領域３２２の端部（すなわち所定端部）は、例えばＡｌ組成比ｘ３が０以上０．５未満となるように形成される。
Therefore, in consideration of the maximum current density, the electrical yield, and the above-mentioned oscillation, in the nitride semiconductor device 1 according to the present embodiment, the second composition change region is The end portion (namely, the predetermined end portion) of 322 is formed such that, for example, the Al composition ratio x3 is 0 or more and less than 0.5.
このように、組成変化層３２は、窒化物半導体活性層３５２から離れる方向に向かってＡｌ組成比ｘ３が減少するＡｌｘ３Ｇａ（１－ｘ３）Ｎで形成される。本実施形態では、組成変化層３２は、第一組成変化領域３２１及び第二組成変化領域３２２のいずれにおいてもＡｌ組成比ｘ３が連続的に減少するようになっている（図２参照）。組成変化層３２の組成を決定するＡｌ組成比ｘ３は、組成変化層３２の厚さ方向において窒化物半導体活
性層３５２側の領域の方が第二窒化物半導体層３３側の領域よりもＡｌ組成比ｘ３の変化率が小さいことを前提に、０以上１以下（０≦ｘ３≦１）の範囲で変化してよい。したがって、組成変化層３２は、Ａｌ組成比ｘ３が０より大きく１より小さい範囲内で変化してＡｌｘ３Ｇａ（１－ｘ３）Ｎのみで形成される構造、Ａｌ組成比ｘ３が０より大きく１以下の範囲で変化してＡｌＮ及びＡｌｘ３Ｇａ（１－ｘ３）Ｎで形成される構造、Ａｌ組成比ｘ３が０以上１より小さい範囲で変化してＡｌｘ３Ｇａ（１－ｘ３）Ｎ及びＧａＮで形成される構造、及びＡｌ組成比ｘ３が０以上１以下の範囲で変化してＡｌＮ、Ａｌｘ３Ｇａ（１－ｘ３）Ｎ及びＧａＮで形成される構造のいずれかの構造を有する。
In this way, the composition-change layer 32 is formed of Al x3 Ga (1-x3) N in which the Al composition ratio x3 decreases in the direction away from the nitride semiconductor active layer 352. In this embodiment, the composition change layer 32 is such that the Al composition ratio x3 continuously decreases in both the first composition change region 321 and the second composition change region 322 (see FIG. 2). The Al composition ratio x3, which determines the composition of the compositionally variable layer 32, has a higher Al composition in the region on the nitride semiconductor active layer 352 side than in the region on the second nitride semiconductor layer 33 side in the thickness direction of the compositionally variable layer 32. On the premise that the rate of change of the ratio x3 is small, it may vary within the range of 0 or more and 1 or less (0≦x3≦1). Therefore, the composition change layer 32 has a structure in which the Al composition ratio x3 changes within a range of greater than 0 and less than 1, and is formed only of Al x3 Ga (1-x3) N; A structure formed of AlN and Al x3 Ga (1-x3) N with the Al composition ratio x3 changing within the following range, Al x3 Ga (1-x3) N and GaN with the Al composition ratio x3 changing within the range of 0 or more and less than 1. and a structure formed of AlN, Al x3 Ga (1-x3) N, and GaN with the Al composition ratio x3 varying in the range of 0 to 1.
組成変化層３２におけるＡｌ組成比の変化率は、０．１％／ｎｍより大きくなっている。Ａｌ組成比の変化率をこの範囲に規定することで、エネルギーの傾斜を緩やかにすると同時に分極ドーピングにより発生するホールを組成変化層３２内に分散させることができる。これにより、効率よく窒化物半導体活性層３５２へホールを輸送することができ、発光効率の高い窒化物半導体素子１を作製できる。組成変化層３２の第一組成変化領域３２１を構成するＡｌｘ３Ｇａ（１－ｘ３）ＮのＡｌ組成比ｘ３の最小値をｙ１、最大値をｙ２とする。また、組成変化層３２の第二組成変化領域３２２を構成するＡｌｘ３Ｇａ（１－ｘ３）ＮのＡｌ組成比ｘ３の最小値をｚ１、最大値をｚ２とする。そうすると、組成変化層３２は、窒化物半導体活性層３５２側の端部がＡｌｙ２Ｇａ（１－ｙ２）Ｎで形成され、第一組成変化領域３２１と第二組成変化領域３２２とが隣り合って形成されている場合には、第一組成変化領域３２１及び第二組成変化領域３２２の境界部での第一組成変化領域３２１における端部がＡｌｙ１Ｇａ（１－ｙ１）Ｎで形成される。なお、当該境界部での第一組成変化領域３２１及び第二組成変化領域３２２のＡｌ組成比は、上述の方法により特定できる。また、組成変化層３２は、第一組成変化領域３２１及び第二組成変化領域３２２の境界部での第二組成変化領域３２２における端部がＡｌｚ２Ｇａ（１－ｚ２）Ｎで形成され、窒化物半導体活性層３５２側と反対側（すなわち第二窒化物半導体層３３側）の端部がＡｌｚ１Ｇａ（１－ｚ１）Ｎで形成される。第一組成変化領域３２１のＡｌ組成比ｘ３の最小値ｙ１と、第二組成変化領域３２２のＡｌ組成比ｘ３の最大値ｚ２とは、一致していても良いし、異なっていても良い。エネルギー障壁をなるべく作らない観点から、第一組成変化領域３２１のＡｌ組成比ｘ３の最小値ｙ１と、第二組成変化領域３２２のＡｌ組成比ｘ３の最大値ｚ２とは、一致している、あるいは当該最小値ｙ１より当該最大値ｚ２の方が小さい方が良い。
The rate of change in the Al composition ratio in the composition change layer 32 is greater than 0.1%/nm. By regulating the rate of change of the Al composition ratio within this range, it is possible to make the energy gradient gentle and at the same time to disperse holes generated by polarization doping into the composition change layer 32. Thereby, holes can be efficiently transported to the nitride semiconductor active layer 352, and a nitride semiconductor device 1 with high luminous efficiency can be manufactured. Let y1 be the minimum value of the Al composition ratio x3 of Al x3 Ga (1-x3) N constituting the first compositionally changed region 321 of the compositionally changed layer 32, and let y2 be the maximum value. Furthermore, the minimum value of the Al composition ratio x3 of Al x3 Ga (1-x3) N constituting the second compositionally variable region 322 of the compositionally variable layer 32 is defined as z1, and the maximum value is defined as z2. Then, the composition change layer 32 has an end on the nitride semiconductor active layer 352 side formed of Al y2 Ga (1-y2) N, and the first composition change region 321 and the second composition change region 322 are adjacent to each other. If formed, the end portion of the first compositional change region 321 at the boundary between the first compositional change region 321 and the second compositional change region 322 is formed of Al y1 Ga (1-y1) N. Note that the Al composition ratios of the first composition change region 321 and the second composition change region 322 at the boundary can be specified by the method described above. Further, in the composition change layer 32, the end portion of the second composition change region 322 at the boundary between the first composition change region 321 and the second composition change region 322 is formed of Al z2 Ga (1-z2) N, and is nitrided. The end portion on the side opposite to the semiconductor active layer 352 side (ie, the second nitride semiconductor layer 33 side) is formed of Al z1 Ga (1-z1) N. The minimum value y1 of the Al composition ratio x3 of the first composition change region 321 and the maximum value z2 of the Al composition ratio x3 of the second composition change region 322 may be the same or different. From the viewpoint of not creating an energy barrier as much as possible, the minimum value y1 of the Al composition ratio x3 of the first composition change region 321 and the maximum value z2 of the Al composition ratio x3 of the second composition change region 322 are the same, or It is better that the maximum value z2 is smaller than the minimum value y1.
組成変化層３２は、窒化物半導体活性層３５２側の端部と、第一組成変化領域３２１及び第二組成変化領域３２２の境界部での第一組成変化領域３２１における端部との間、すなわち第一組成変化領域３２１において、窒化物半導体活性層３５２側から当該境界部の側に向かってＡｌｘ３Ｇａ（１－ｘ３）ＮのＡｌ組成比ｘ３が連続的に小さくなるように形成される。また、組成変化層３２は、第一組成変化領域３２１及び第二組成変化領域３２２の境界部での第二組成変化領域３２２における端部と、窒化物半導体活性層３５２側と反対側の端部との間、すなわち第二組成変化領域３２２において、当該境界部の側から窒化物半導体活性層３５２側と反対側に向かってＡｌｘ３Ｇａ（１－ｘ３）ＮのＡｌ組成比ｘ３が連続的に小さくなるように形成される。第一組成変化領域３２１におけるＡｌ組成比ｘ３の変化率は、第二組成変化領域３２２におけるＡｌ組成比ｘ３の変化率よりも小さい。ここで、変化率とは膜厚に対してのＡｌ組成比率の傾斜割合をいう。つまり、変化率の単位の一例は、例えば「Ａｌ％／ｎｍ」となる。
The composition change layer 32 is formed between an end on the nitride semiconductor active layer 352 side and an end in the first composition change region 321 at the boundary between the first composition change region 321 and the second composition change region 322, i.e. The first compositional change region 321 is formed so that the Al composition ratio x3 of Al x3 Ga (1-x3) N continuously decreases from the nitride semiconductor active layer 352 side to the boundary side. Further, the composition change layer 32 has an end portion in the second composition change region 322 at the boundary between the first composition change region 321 and the second composition change region 322, and an end portion on the opposite side to the nitride semiconductor active layer 352 side. , that is, in the second composition change region 322, the Al composition ratio x3 of Al x3 Ga (1-x3) N continuously changes from the boundary side to the side opposite to the nitride semiconductor active layer 352 side. formed to become smaller. The rate of change in the Al composition ratio x3 in the first composition change region 321 is smaller than the rate of change in the Al composition ratio x3 in the second composition change region 322. Here, the rate of change refers to the slope rate of the Al composition ratio with respect to the film thickness. That is, an example of the unit of the rate of change is, for example, "Al%/nm".
本実施形態では、第一組成変化領域３２１と第二組成変化領域３２２とが隣り合って互いに接触して形成されているが、窒化物半導体素子１は、第一組成変化領域３２１と第二組成変化領域３２２との間に中間層を有していても良い。当該中間層は、例えば組成が変化していないＡｌｗＧａ１－ｗＮ（０＜ｗ＜１）、組成が変化していないＡｌｗＧａ１－ｗＮと組成が変化していないＡｌｖＧａ１－ｖＮ（０＜ｖ＜ｗ＜１）が積層された構造（
多段の場合超格子構造に該当）などを有していてもよい。当該中間層が積層構造を有する場合、エネルギー障壁を作らない観点からｚ２≦ｖ＜ｗ≦ｙ１の関係を満たすことが好ましいがこの限りではない。当該中間層が積層構造を有する場合、Ａｌ組成比ｗ及びＡｌ組成比ｖの一例として、ｗが０．６であり、ｖが０．４であってもよい。また、当該中間層は、ｐ型半導体であっても、ｎ型半導体であっても、アンドープであっても良い。
In this embodiment, the first compositionally varied region 321 and the second compositionally varied region 322 are formed adjacent to each other and in contact with each other. An intermediate layer may be provided between the change region 322 and the change region 322 . The intermediate layer includes, for example, Al w Ga 1-w N (0<w<1) whose composition has not changed, Al w Ga 1-w N whose composition has not changed, and Al v Ga 1-w N whose composition has not changed. 1-v N (0<v<w<1) structure (
In the case of multiple stages, it may have a superlattice structure). When the intermediate layer has a laminated structure, it is preferable to satisfy the relationship z2≦v<w≦y1 from the viewpoint of not creating an energy barrier, but this is not the case. When the intermediate layer has a laminated structure, as an example of the Al composition ratio w and the Al composition ratio v, w may be 0.6 and v may be 0.4. Moreover, the intermediate layer may be a p-type semiconductor, an n-type semiconductor, or may be undoped.
このように、第一組成変化領域３２１および第二組成変化領域３２２の間に中間層が設けられている場合は、図５を用いて説明した第一組成変化領域３２１の所定端部は、当該中間層に接触する側の端部となる。組成変化層３２がこのような中間層を有することにより、第二組成変化領域３２２を上部ガイド層３５３からより一層遠ざけることができる。これにより、発光部３５で発光した光が第二組成変化領域３２２に漏れにくくなるので、導波損失を低減することができる。第一組成変化領域３２１および第二組成変化領域３２２の間に設けられる中間層は、井戸層３５２ａよりもＡｌ組成比が高いとよい。さらに、第一組成変化領域３２１および第二組成変化領域３２２の間に設けられる中間層は、上部ガイド層３５３よりもＡｌ組成比が高いとよい。第一組成変化領域３２１と当該中間層との接触面および当該中間層と第二組成変化領域３２２との接触面は、Ａｌ組成比が同一でも異なっていてもよいが、キャリア注入を行うためには、第一組成変化領域３２１、当該中間層および第二組成変化領域３２２の順に徐々にＡｌ組成比が高くなっているとよい。
In this way, when the intermediate layer is provided between the first compositionally varied region 321 and the second compositionally varied region 322, the predetermined end of the first compositionally varied region 321 explained using FIG. This is the end that contacts the intermediate layer. Since the composition change layer 32 includes such an intermediate layer, the second composition change region 322 can be moved further away from the upper guide layer 353. This makes it difficult for the light emitted by the light emitting section 35 to leak into the second composition change region 322, so that waveguide loss can be reduced. The intermediate layer provided between the first compositionally varied region 321 and the second compositionally varied region 322 preferably has a higher Al composition ratio than the well layer 352a. Further, the intermediate layer provided between the first compositionally changed region 321 and the second compositionally changed region 322 preferably has a higher Al composition ratio than the upper guide layer 353. The contact surface between the first composition change region 321 and the intermediate layer and the contact surface between the intermediate layer and the second composition change region 322 may have the same or different Al composition ratios, but in order to perform carrier injection, the Al composition ratio may be the same or different. It is preferable that the Al composition ratio gradually increases in the order of the first composition change region 321, the intermediate layer, and the second composition change region 322.
本実施形態では、組成変化層３２を構成するＡｌｘ３Ｇａ（１－ｘ３）ＮのＡｌ組成比ｘ３の最小値ｚ１は、上述のとおり０以上０．５未満であってもよい。また、組成変化層３２を構成するＡｌｘ３Ｇａ（１－ｘ３）ＮのＡｌ組成比ｘ３の最小値ｚ１は、窒化物半導体活性層３５２の井戸層３５２ａ（図２参照）のＡｌ組成比以上であってもよい。これにより、井戸層３５２ａからの発光を組成変化層３２が吸収することを抑制し、レーザダイオードにおいては内部ロスを低減し、発光ダイオードにおいては光取り出し効率を向上することができる。組成変化層３２を構成するＡｌｘ３Ｇａ（１－ｘ３）ＮのＡｌ組成比ｘ３の最小値ｚ１は、第二組成変化領域３２２のＡｌ組成比ｘ３の最小値ｚ１である。このため、第二組成変化領域３２２のＡｌ組成比ｘ３の最小値ｚ１は、窒化物半導体活性層３５２の井戸層３５２ａのＡｌ組成比以上であってもよい。つまり、第二組成変化領域３２２は、全領域におけるＡｌ組成比が窒化物半導体活性層３５２の井戸層３５２ａのＡｌ組成比以上であってもよい。
In this embodiment, the minimum value z1 of the Al composition ratio x3 of Al x3 Ga (1-x3) N constituting the composition change layer 32 may be 0 or more and less than 0.5 as described above. Further, the minimum value z1 of the Al composition ratio x3 of Al x3 Ga (1-x3) N constituting the composition change layer 32 is greater than or equal to the Al composition ratio of the well layer 352a (see FIG. 2) of the nitride semiconductor active layer 352. There may be. This suppresses absorption of light emitted from the well layer 352a by the composition change layer 32, reduces internal loss in the laser diode, and improves light extraction efficiency in the light emitting diode. The minimum value z1 of the Al composition ratio x3 of Al x3 Ga (1-x3) N constituting the composition change layer 32 is the minimum value z1 of the Al composition ratio x3 of the second composition change region 322. Therefore, the minimum value z1 of the Al composition ratio x3 of the second composition change region 322 may be greater than or equal to the Al composition ratio of the well layer 352a of the nitride semiconductor active layer 352. That is, the Al composition ratio in the entire region of the second composition change region 322 may be equal to or higher than the Al composition ratio of the well layer 352a of the nitride semiconductor active layer 352.
組成変化層３２を構成するＡｌｘ３Ｇａ（１－ｘ３）ＮのＡｌ組成比ｘ３の第一組成変化領域３２１における最小値ｙ１は、最小値ｚ１よりも大きいという前提で、０．５以上であってもよい。組成変化層３２を構成するＡｌｘ３Ｇａ（１－ｘ３）ＮのＡｌ組成比ｘ３の第一組成変化領域３２１における最小値ｙ１は、上部ガイド層３５３を構成するＡｌｘ４Ｇａ（１－ｘ４）ＮのＡｌ組成比ｘ４以上であってもよい。最小値ｙ１がＡｌｘ４Ｇａ（１－ｘ４）ＮのＡｌ組成比ｘ４以上の値を取ることにより、レーザダイオードにおいては第一組成変化領域を光閉じ込め層として働かせることが可能となり、光が第二組成変化領域側へ漏れることを抑制することができる。さらに、組成変化層３２を構成するＡｌｘ３Ｇａ（１－ｘ３）ＮのＡｌ組成比ｘ３の第一組成変化領域３２１における最小値ｙ１は、第一窒化物半導体層３１のＡｌ組成比ｘ１よりも小さくてもよい。
The minimum value y1 of the Al composition ratio x3 of Al x3 Ga (1-x3) N constituting the composition change layer 32 in the first composition change region 321 is 0.5 or more on the premise that it is larger than the minimum value z1. It's okay. The minimum value y1 in the first composition change region 321 of the Al composition ratio x3 of Al x3 Ga (1-x3) N constituting the composition change layer 32 is equal to the minimum value y1 of the Al composition ratio x3 of Al x3 Ga (1-x4) N constituting the upper guide layer 353. The Al composition ratio may be x4 or more. By setting the minimum value y1 to a value greater than or equal to the Al composition ratio x4 of Al It is possible to suppress leakage to the composition change region side. Furthermore, the minimum value y1 of the Al composition ratio x3 of Al x3 Ga (1-x3) N constituting the composition change layer 32 in the first composition change region 321 is smaller than the Al composition ratio x1 of the first nitride semiconductor layer 31. It can be small.
発光素子においては、発光層へ効率よくキャリアを輸送し、キャリアを発光層に閉じ込めることが高発光効率を得る設計となる。組成変化層３２はＡｌ組成比ｘ３が変化するため、最小値ｙ１を第一窒化物半導体層３１のＡｌ組成比ｘ１よりも小さくすることにより、発光層の上下の層で形成されるエネルギー井戸の高さを上下均一又は第一窒化物半導体層３１側より組成変化層３２側を高くすることが出来る。第一窒化物半導体層３１がＮ型半導体で形成され、組成変化層がｐ型半導体で形成されている場合には、特に電子のｐ型半導体側へのオーバーフローを抑制するために、組成変化層３２側のバンドギャップエネ
ルギーは第一窒化物半導体層３１のバンドギャップエネルギーよりも大きいことが好ましい。また、レーザダイオードにおいては、窒化物半導体活性層３５２に光を閉じ込め、かつ利得を生む井戸層３５２ａとの光強度分布の重なりを増やすためには、屈折率差による光の閉じ込めを第一窒化物半導体層３１と組成変化層３２とで作る必要がある。この際、上下層で屈折率のバランスを取るために最小値ｙ１が第一窒化物半導体層３１のＡｌ組成比ｘ１よりも小さい方が好ましい。これにより、組成変化層３２は組成変化しているにも関わらず、第一窒化物半導体層３１と相対的にバランスを保つバンドギャップエネルギー及び屈折率を実現することが出来る。
In a light-emitting element, a design that achieves high luminous efficiency is to efficiently transport carriers to the luminescent layer and confine the carriers in the luminescent layer. Since the Al composition ratio x3 of the composition change layer 32 changes, by making the minimum value y1 smaller than the Al composition ratio x1 of the first nitride semiconductor layer 31, the energy well formed by the layers above and below the light emitting layer can be reduced. The height can be uniform vertically or can be higher on the composition-change layer 32 side than on the first nitride semiconductor layer 31 side. When the first nitride semiconductor layer 31 is formed of an N-type semiconductor and the compositionally changed layer is formed of a p-type semiconductor, the compositionally changed layer is It is preferable that the band gap energy of the first nitride semiconductor layer 31 is larger than that of the first nitride semiconductor layer 31 . In addition, in the laser diode, in order to confine light in the nitride semiconductor active layer 352 and increase the overlap of the light intensity distribution with the well layer 352a that produces gain, the light confinement due to the difference in refractive index is It needs to be made of a semiconductor layer 31 and a composition change layer 32. At this time, the minimum value y1 is preferably smaller than the Al composition ratio x1 of the first nitride semiconductor layer 31 in order to balance the refractive index between the upper and lower layers. As a result, the composition-change layer 32 can achieve band gap energy and refractive index that are relatively balanced with the first nitride semiconductor layer 31 despite the composition change.
組成変化層３２を構成するＡｌｘ３Ｇａ（１－ｘ３）ＮのＡｌ組成比ｘ３における最大値ｙ２は、最小値ｚ１の値よりも大きいことを前提に、０．５よりも大きく１以下の範囲の値となるように制御して組成変化層３２を形成することにより、分極ドーピングによる組成変化層３２内の正孔密度が向上する。さらに、組成変化層３２を構成するＡｌｘ３Ｇａ（１－ｘ３）ＮのＡｌ組成比ｘ３における最大値ｙ２が０．５よりも大きく１以下の範囲の値となるように制御して組成変化層３２を形成することにより、組成変化層３２の屈折率を利用して窒化物半導体活性層３５２で発光した光を下部ガイド層３５１及び上部ガイド層３５３の間に閉じ込める効果が向上する。このように、組成変化層３２を構成するＡｌｘ３Ｇａ（１－ｘ３）ＮのＡｌ組成比ｘ３の最小値ｚ１及び最大値ｙ２を最適化することにより、分極ドーピングによる組成変化層３２内の正孔密度の向上と下部ガイド層３５１及び上部ガイド層３５３の光閉じ込め効果の向上の両立を図ることができる。これにより、窒化物半導体素子１は、高出力化およびレーザダイオードの発振閾値の低減を図ることができる。
The maximum value y2 of the Al composition ratio x3 of Al x3 Ga (1-x3) N constituting the composition change layer 32 is in the range of greater than 0.5 and less than or equal to 1, on the premise that it is greater than the minimum value z1. By controlling the composition change layer 32 to have the value of , the hole density in the composition change layer 32 due to polarization doping is improved. Furthermore, the composition change layer 32 is controlled so that the maximum value y2 at the Al composition ratio x3 of Al 32 improves the effect of confining light emitted from the nitride semiconductor active layer 352 between the lower guide layer 351 and the upper guide layer 353 using the refractive index of the composition change layer 32. In this way, by optimizing the minimum value z1 and maximum value y2 of the Al composition ratio x3 of Al It is possible to achieve both an improvement in the hole density and an improvement in the light confinement effect of the lower guide layer 351 and the upper guide layer 353. Thereby, the nitride semiconductor device 1 can achieve higher output and lower the oscillation threshold of the laser diode.
窒化物半導体素子１は、組成変化層３２を有することにより、組成変化層３２及び第二窒化物半導体層３３における急峻な組成変化を抑制し、格子緩和を伴う結晶性の悪化、あるいは３次元成長を伴うことによる薄膜の平坦性の悪化を抑制する効果がある。
By having the composition change layer 32, the nitride semiconductor device 1 suppresses steep composition changes in the composition change layer 32 and the second nitride semiconductor layer 33, and prevents deterioration of crystallinity accompanied by lattice relaxation or three-dimensional growth. This has the effect of suppressing the deterioration of the flatness of the thin film caused by this.
（リッジ部半導体層）
リッジ部半導体層１７は、組成変化層３２の一部を含んで形成されている。リッジ部半導体層１７は、第一組成変化領域３２１に形成された突出部３２１ａと、第二組成変化領域３２２と、第二窒化物半導体層３３とを有している。リッジ部半導体層１７が第一組成変化領域３２１の一部に形成されることにより、第一電極１４から注入されるキャリアがリッジ部半導体層１７中で基板１１の水平方向に拡散することが抑制される。これにより、窒化物半導体活性層３５２での発光が、リッジ部半導体層１７の下方に位置する領域（すなわち第一組成変化領域３２１の突出部３２１ａの下方に位置する領域）に制御される。その結果、窒化物半導体素子１は、高電流密度を実現し、レーザ発振の閾値を低減させることが可能になる。リッジ部半導体層１７は、発光部３５へ電子あるいは正孔を供給するために、導電性を有していてもよい。第一組成変化領域３２１の突出部３２１ａ及び第二組成変化領域３２２を除いたリッジ部半導体層１７の部分、すなわち第二窒化物半導体層３３を形成する材料として、ＡｌＮ、ＧａＮ、およびその混晶が挙げられる。第二窒化物半導体層３３を形成する材料の具体例は、ＡｌＧａＮである。第二窒化物半導体層３３のＡｌＧａＮのＡｌ組成比は、窒化物半導体活性層３５２側と反対側の第二組成変化領域３２２の端部におけるＡｌｘ３Ｇａ（１－ｘ３）ＮのＡｌ組成比ｘ３（すなわち最小値ｚ１）と同じであってもよいし、大きくてもよい。これにより、第二窒化物半導体層３３は、第一電極１４から注入されたキャリアを効率よく発光部３５へ運搬することができる。また、第二窒化物半導体層３３を形成する材料には、Ｐ、Ａｓ又はＳｂといったＮ以外のＶ族元素や、Ｉｎ又はＢといったＩＩＩ族元素、Ｃ、Ｈ、Ｆ、Ｏ、Ｓｉ、Ｃｄ、Ｚｎ又はＢｅなどの不純物が含まれていてもよい。また、リッジを形成することでリッジの側面に例えばＳｉＯ２や空気等の材料を配置することが出来、水平方向の光の閉じ込めを実現することができる。
(ridge semiconductor layer)
The ridge semiconductor layer 17 is formed including a part of the composition change layer 32. The ridge semiconductor layer 17 includes a protrusion 321 a formed in a first compositionally changed region 321 , a second compositionally changed region 322 , and a second nitride semiconductor layer 33 . By forming the ridge semiconductor layer 17 in a part of the first composition change region 321, carriers injected from the first electrode 14 are suppressed from diffusing in the ridge semiconductor layer 17 in the horizontal direction of the substrate 11. be done. As a result, light emission in the nitride semiconductor active layer 352 is controlled to a region located below the ridge semiconductor layer 17 (that is, a region located below the protrusion 321a of the first composition change region 321). As a result, the nitride semiconductor device 1 can achieve high current density and reduce the threshold of laser oscillation. The ridge semiconductor layer 17 may have conductivity in order to supply electrons or holes to the light emitting section 35. The portion of the ridge semiconductor layer 17 excluding the protrusion 321a of the first compositionally varied region 321 and the second compositionally varied region 322, that is, the second nitride semiconductor layer 33 is made of AlN, GaN, and a mixed crystal thereof. can be mentioned. A specific example of the material forming the second nitride semiconductor layer 33 is AlGaN. The Al composition ratio of AlGaN in the second nitride semiconductor layer 33 is the Al composition ratio x3 of Al (that is, the minimum value z1) or may be larger. Thereby, the second nitride semiconductor layer 33 can efficiently transport carriers injected from the first electrode 14 to the light emitting section 35. Further, the materials forming the second nitride semiconductor layer 33 include V group elements other than N such as P, As or Sb, III group elements such as In or B, C, H, F, O, Si, Cd, Impurities such as Zn or Be may be included. Further, by forming a ridge, a material such as SiO 2 or air can be placed on the side surface of the ridge, and light can be confined in the horizontal direction.
リッジ部半導体層１７の役割は、上記の通り電流の集中と基板水平方向の光の閉じ込めであるため、必ずしも第一組成変化領域３２１の一部のみに形成される必要は無い。リッジ部半導体層１７は、発光層を含んでいても、第一組成変化領域３２１を含んでいてもよい。さらに、リッジ部半導体層１７が存在しなくても良い。なお、リッジ部半導体層１７が存在しない場合には、メサ部と同じ面積で組成変化層３２が積層されており、電流注入量を抑制するために第一電極１４（詳細は後述）の幅と長さを適切な大きさに設計すれば良い。
As described above, the role of the ridge semiconductor layer 17 is to concentrate current and confine light in the horizontal direction of the substrate, so it does not necessarily need to be formed only in a part of the first compositionally changed region 321. The ridge semiconductor layer 17 may include a light emitting layer or the first compositionally changed region 321. Furthermore, the ridge semiconductor layer 17 may not exist. Note that when the ridge semiconductor layer 17 does not exist, the composition change layer 32 is laminated in the same area as the mesa part, and the width of the first electrode 14 (details will be described later) is The length should be designed to an appropriate size.
第二窒化物半導体層３３がｎ型半導体の場合、例えばＳｉを１×１０１９ｃｍ－３ドープすることでｎ型化させることが可能である。第二窒化物半導体層３３がｐ型半導体の場合、例えばＭｇを３×１０１９ｃｍ－３ドープすることでｐ型化させることが可能である。ドーパントの濃度は基板１１の垂直方向に一定であっても、不均一であっても良い。基板１１の面内方向に一定であっても、不均一であっても良い。第二窒化物半導体層３３は、ＡｌＧａＮのＡｌ組成比を傾斜させた構造を有していてもよい。例えば、第二窒化物半導体層３３は、ＡｌＧａＮのＡｌ組成比を組成変化層３２におけるＡｌ組成比ｘ３の最小値ｚ１から０．３に連続的又は階段状に変化させる層構造を有していてもよい。第二窒化物半導体層３３が層構造を有する場合、第二窒化物半導体層３３はドーパントを有していなくてもアンドープ層であっても良い。第二窒化物半導体層３３は、最上層にドーピング濃度が高い層を更に有している積層構造であっても良い。第二窒化物半導体層３３は、二層以上の積層構造であっても良い。その場合、キャリアを窒化物半導体活性層３５２へ効率よく運搬する目的で、Ａｌ組成比率は上層に向かうほど小さくなることが好ましい。
When the second nitride semiconductor layer 33 is an n-type semiconductor, it can be made into an n-type by doping, for example, 1×10 19 cm −3 of Si. When the second nitride semiconductor layer 33 is a p-type semiconductor, it can be made p-type by doping, for example, 3×10 19 cm −3 Mg. The concentration of the dopant may be constant in the vertical direction of the substrate 11 or may be non-uniform. It may be constant or non-uniform in the in-plane direction of the substrate 11. The second nitride semiconductor layer 33 may have a structure in which the Al composition ratio of AlGaN is graded. For example, the second nitride semiconductor layer 33 has a layer structure in which the Al composition ratio of AlGaN is changed continuously or stepwise from the minimum value z1 of the Al composition ratio x3 in the composition change layer 32 to 0.3. Good too. When the second nitride semiconductor layer 33 has a layered structure, the second nitride semiconductor layer 33 may be an undoped layer without a dopant. The second nitride semiconductor layer 33 may have a laminated structure further including a layer with a high doping concentration as the uppermost layer. The second nitride semiconductor layer 33 may have a laminated structure of two or more layers. In that case, in order to efficiently transport carriers to the nitride semiconductor active layer 352, it is preferable that the Al composition ratio decreases toward the upper layer.
（第二窒化物半導体層）
第二窒化物半導体層３３の膜厚について図１及び図２を参照しつつ図８を用いて説明する。図８は、窒化物半導体素子１に設けられた第二窒化物半導体層３３の膜厚に対する導波損失のシミュレーション結果の一例を示すグラフである。図８中の横軸は第二窒化物半導体層３３の膜厚（ｎｍ）を示し、縦軸は導波損失（ｃｍ－１）を示している。また、このシミュレーションの結果では、内部効率、光閉じ込め係数はほぼ変化無く、ミラー損失αｍも３４．３ｃｍ－１で一定で計算しており、窒化物半導体活性層３５２の膜厚は同一の設計で実施したため、導波損失αｉが発振閾値利得ｇｔｈの支配因子となっている。
(Second nitride semiconductor layer)
The thickness of the second nitride semiconductor layer 33 will be explained using FIG. 8 while referring to FIGS. 1 and 2. FIG. 8 is a graph showing an example of a simulation result of waveguide loss with respect to the film thickness of the second nitride semiconductor layer 33 provided in the nitride semiconductor element 1. The horizontal axis in FIG. 8 indicates the film thickness (nm) of the second nitride semiconductor layer 33, and the vertical axis indicates the waveguide loss (cm −1 ). In addition, in the results of this simulation, the internal efficiency and optical confinement coefficient are almost unchanged, the mirror loss αm is also calculated as constant at 34.3 cm -1 , and the thickness of the nitride semiconductor active layer 352 is designed to be the same. Therefore, the waveguide loss αi is the dominant factor of the oscillation threshold gain gth.
図８に示すように、導波損失αｉは、第二窒化物半導体層３３の膜厚が厚いほど大きくなる。窒化物半導体素子の発振閾値利得ｇｔｈは、導波損失αｉが小さいほど低くなる。また、窒化物半導体素子１の動作シミュレーションにおいて、窒化物半導体素子１は、第二窒化物半導体層３３の膜厚が１００ｎｍ未満であると発振することが確認された。さらに、窒化物半導体素子１は、組成変化層３２と第一電極１４（図１参照）とを低抵抗で接続するために、第二窒化物半導体層３３を備えているとよい。このため、窒化物半導体素子１は、０ｎｍよりも厚く１００ｎｍ未満の膜厚で第二組成変化領域３２２に隣接して組成変化層３２に積層された第二窒化物半導体層３３を備えているとよい。また、第二窒化物半導体層３３の膜厚は、０ｎｍより大きく２０ｎｍより小さくてもよい。これにより、窒化物半導体素子１は、発振閾値利得ｇｔｈの低減を図ることができる。また、第二窒化物半導体層３３の膜厚をこの範囲にとどめることで、第二窒化物半導体層３３の成長中の格子緩和による３次元成長を抑制することが出来、第二窒化物半導体層３３の表面を平坦化することが可能となる。つまり、第二窒化物半導体層３３と第一電極１４との接触を設計通りに行うことができ、再現性の高い駆動電圧の低い窒化物半導体素子１を実現できる。
As shown in FIG. 8, the waveguide loss αi increases as the second nitride semiconductor layer 33 becomes thicker. The oscillation threshold gain gth of the nitride semiconductor element becomes lower as the waveguide loss αi becomes smaller. Further, in the operation simulation of the nitride semiconductor device 1, it was confirmed that the nitride semiconductor device 1 oscillates when the thickness of the second nitride semiconductor layer 33 is less than 100 nm. Furthermore, the nitride semiconductor device 1 preferably includes a second nitride semiconductor layer 33 in order to connect the composition change layer 32 and the first electrode 14 (see FIG. 1) with low resistance. For this reason, the nitride semiconductor device 1 includes the second nitride semiconductor layer 33 stacked on the composition change layer 32 adjacent to the second composition change region 322 with a film thickness of more than 0 nm and less than 100 nm. good. Further, the film thickness of the second nitride semiconductor layer 33 may be greater than 0 nm and smaller than 20 nm. Thereby, the nitride semiconductor device 1 can reduce the oscillation threshold gain gth. Furthermore, by keeping the thickness of the second nitride semiconductor layer 33 within this range, three-dimensional growth due to lattice relaxation during growth of the second nitride semiconductor layer 33 can be suppressed, and the second nitride semiconductor layer It becomes possible to flatten the surface of 33. That is, the contact between the second nitride semiconductor layer 33 and the first electrode 14 can be made as designed, and the nitride semiconductor element 1 with high reproducibility and low driving voltage can be realized.
第二窒化物半導体層３３の形成材料のＡｌｘ２Ｇａ（１－ｘ２）ＮのＡｌ組成比ｘ２は、第二窒化物半導体層３３に接する側の第二組成変化領域３２２の端部でのＡｌｘ３Ｇａ
（１－ｘ３）ＮのＡｌ組成比ｘ３（すなわちｘ３＝ｚ１）との関係において、ｚ１＞ｘ２＋０．２の関係を満たしていてもよい。すなわち、Ａｌｘ２Ｇａ（１－ｘ２）ＮのＡｌ組成比ｘ２は、第二組成変化領域３２２の当該端部でのＡｌｘ３Ｇａ（１－ｘ３）ＮのＡｌ組成比ｘ３（ｚ３＝ｚ１）に０．２を加算した値より大きくてもよい。これにより、第二窒化物半導体層３３の形成材料のＡｌｘ２Ｇａ（１－ｘ２）ＮのＡｌ組成比ｘ２と、第二組成変化領域３２２の形成材料のＡｌｘ３Ｇａ（１－ｘ３）ＮのＡｌ組成比ｘ３との組成差によるホールガスを効率的に生成させることができる。また、窒化物半導体素子１が紫外受発光素子の場合、第二窒化物半導体層３３は、低Ａｌ組成比で構成されることが多く、目的光を吸収しやすいという阻害効果が生じる。この阻害効果を抑制するために、窒化物半導体活性層３５２のＡｌ組成比ｘより第二組成変化領域３２２のＡｌ組成比ｘ３を高くする方法や、第一電極１４とのコンタクト抵抗を下げるために窒化物半導体活性層３５２のＡｌ組成比ｘより第二窒化物半導体層３３のＡｌ組成比ｘ２を低くする方法が挙げられる。この場合、各層の組成を制御する際の製造バラつきも考慮すると、窒化物半導体活性層３５２のＡｌ組成比ｘに対して、第二組成変化領域３２２のＡｌ組成比ｘ３の最小値ｚ１は０．１大きく、第二窒化物半導体層３３のＡｌ組成比ｘ２は０．１小さくする必要がある。この構成を実現するために、第二組成変化領域３２２と第二窒化物半導体層３３との間のＡｌ組成差は、０．２より大きいとよい。
The Al composition ratio x2 of Al x2 Ga (1-x2) N of the forming material of the second nitride semiconductor layer 33 is such that the Al composition ratio x2 of the Al x2 Ga (1-x2) N forming material is equal to x3 Ga
(1-x3) In relation to the Al composition ratio x3 of N (ie, x3=z1), the relationship z1>x2+0.2 may be satisfied. That is, the Al composition ratio x2 of Al x2 Ga (1-x2) N is equal to the Al composition ratio x3 (z3=z1) of Al x3 Ga (1-x3) N at the end of the second composition change region 322. The value may be larger than the sum of 0.2. As a result, the Al composition ratio x2 of Al x2 Ga (1-x2) N of the forming material of the second nitride semiconductor layer 33 and the Al composition ratio x2 of Al x3 Ga (1-x3) N of the forming material of the second composition change region 322 are changed. Hole gas can be efficiently generated due to the composition difference with the Al composition ratio x3. Further, when the nitride semiconductor device 1 is an ultraviolet light receiving/emitting device, the second nitride semiconductor layer 33 is often configured with a low Al composition ratio, which has an inhibiting effect of easily absorbing the target light. In order to suppress this inhibiting effect, there is a method of increasing the Al composition ratio x3 of the second composition change region 322 than the Al composition ratio x of the nitride semiconductor active layer 352, and a method of lowering the contact resistance with the first electrode 14. One example is a method in which the Al composition ratio x2 of the second nitride semiconductor layer 33 is lower than the Al composition ratio x of the nitride semiconductor active layer 352. In this case, considering manufacturing variations when controlling the composition of each layer, the minimum value z1 of the Al composition ratio x3 of the second composition change region 322 is 0. 1, and the Al composition ratio x2 of the second nitride semiconductor layer 33 needs to be 0.1 smaller. In order to realize this configuration, the Al composition difference between the second composition change region 322 and the second nitride semiconductor layer 33 is preferably larger than 0.2.
第二窒化物半導体層３３は、複数の層を積層した構成を有していてもよい。この場合、第二窒化物半導体層３３のＡｌ組成比ｘ２は、最表層、すなわち第一電極１４に接する表面での組成比を示す。
The second nitride semiconductor layer 33 may have a structure in which a plurality of layers are laminated. In this case, the Al composition ratio x2 of the second nitride semiconductor layer 33 indicates the composition ratio at the outermost layer, that is, at the surface in contact with the first electrode 14.
第二窒化物半導体層３３の形成材料のＡｌｘ２Ｇａ（１－ｘ２）ＮのＡｌ組成比ｘ２は、ｘ２＝０の関係を満たしていてもよい。すなわち当該Ａｌ組成比ｘ２は０であってもよい。第二窒化物半導体層３３の最上層に、Ａｌｘ２Ｇａ（１－ｘ２）ＮのＡｌ組成比ｘ２が０であるｐ型の（ｐ－）ＧａＮを用いることで、第二窒化物半導体層３３の上に配置される第一電極１４とのコンタクト抵抗を下げることができる。また、第二窒化物半導体層３３の最上層に、Ａｌｘ２Ｇａ（１－ｘ２）ＮのＡｌ組成比ｘ２が０であるｐ型の（ｐ－）ＧａＮを用いると、第二組成変化領域３２２の形成材料のＡｌｘ３Ｇａ（１－ｘ３）ＮのＡｌ組成比ｘ３の範囲を広く設計できるので、窒化物半導体素子１が対応可能な紫外光の波長範囲が広くなる。本実施形態による窒化物半導体素子１では、第二窒化物半導体層３３は、ｐ－ＧａＮで構成されている。
The Al composition ratio x2 of Al x2 Ga (1-x2) N, which is the material for forming the second nitride semiconductor layer 33, may satisfy the relationship x2=0. That is, the Al composition ratio x2 may be zero. By using p-type (p-) GaN in which the Al composition ratio x2 of Al x2 Ga (1-x2) N is 0 as the uppermost layer of the second nitride semiconductor layer 33, the second nitride semiconductor layer 33 The contact resistance with the first electrode 14 disposed above can be reduced. Furthermore, if p - type (p-) GaN in which the Al composition ratio x2 of Al Since the range of the Al composition ratio x3 of the forming material Al x3 Ga (1-x3) N can be designed to be wide, the wavelength range of ultraviolet light that can be handled by the nitride semiconductor device 1 is widened. In the nitride semiconductor device 1 according to this embodiment, the second nitride semiconductor layer 33 is made of p-GaN.
このように、窒化物半導体素子１は、組成変化層３２の第二組成変化領域３２２と第二窒化物半導体層３３との積層界面にホールガスを発生させることができる。これにより、第二組成変化領域３２２と第二窒化物半導体層３３との間の価電子帯エネルギー準位差に相当するエネルギー差よりも、第一電極１４への電圧印加による実効的に小さいエネルギーによって、第二窒化物半導体層３３から第二組成変化領域３２２に電流（正孔）を流すことができる。
In this way, the nitride semiconductor device 1 can generate hole gas at the lamination interface between the second compositionally changed region 322 of the compositionally changed layer 32 and the second nitride semiconductor layer 33. As a result, the energy applied to the first electrode 14 is effectively smaller than the energy difference corresponding to the valence band energy level difference between the second composition change region 322 and the second nitride semiconductor layer 33. Accordingly, current (holes) can flow from the second nitride semiconductor layer 33 to the second compositionally changed region 322.
（第一電極）
第一電極１４は、リッジ部半導体層１７上に形成されている。第一電極１４がｎ型電極の場合、第一電極１４を形成する材料としては、第一電極１４がリッジ部半導体層１７に電子を注入する目的で用いられるのであれば、一般的な窒化物半導体発光素子のｎ型電極に対応する材料を使用することが可能である。例えば、第一電極１４がｎ型電極の場合の形成材料として、Ｔｉ、Ａｌ、Ｎｉ、Ａｕ、Ｃｒ、Ｖ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｍｏ、Ｗおよびその合金、又はＩＴＯ等が適用される。
(first electrode)
The first electrode 14 is formed on the ridge semiconductor layer 17. When the first electrode 14 is an n-type electrode, the material for forming the first electrode 14 may be a general nitride if the first electrode 14 is used for the purpose of injecting electrons into the ridge semiconductor layer 17. It is possible to use a material compatible with the n-type electrode of a semiconductor light emitting device. For example, when the first electrode 14 is an n-type electrode, Ti, Al, Ni, Au, Cr, V, Zr, Hf, Nb, Ta, Mo, W and alloys thereof, ITO, etc. are used as the forming material. Ru.
第一電極１４がｐ型電極の場合、第一電極１４を形成する材料としては、第一電極１４が窒化物半導体発光素子に正孔（ホール）を注入する目的で用いられるのであれば、一般
的な窒化物半導体発光素子のｐ型電極層と同じ材料を使用することが可能である。例えば、第一電極１４がｐ型電極の場合の形成材料として、Ｎｉ、Ａｕ、Ｐｔ、Ａｇ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｃｕおよびその合金、又はＩＴＯ等が適用される。第一電極１４がｐ型電極の場合は、第一電極１４とリッジ部半導体層１７とのコンタクト抵抗が小さいＮｉ、Ａｕ若しくはこれらの合金、又はＩＴＯであってもよい。本実施形態では、第一電極１４は、ｐ型電極となるように形成されている。
When the first electrode 14 is a p-type electrode, the material for forming the first electrode 14 may be a general material if the first electrode 14 is used for the purpose of injecting holes into a nitride semiconductor light emitting device. It is possible to use the same material as the p-type electrode layer of a typical nitride semiconductor light emitting device. For example, when the first electrode 14 is a p-type electrode, Ni, Au, Pt, Ag, Rh, Pd, Cu and alloys thereof, ITO, etc. are used as the forming material. When the first electrode 14 is a p-type electrode, it may be made of Ni, Au, an alloy thereof, or ITO, which has a low contact resistance between the first electrode 14 and the ridge semiconductor layer 17. In this embodiment, the first electrode 14 is formed to be a p-type electrode.
第一電極１４は、第一電極１４の全域に電流を均等に拡散させる目的で、上部にパッド電極を有していてもよい。パッド電極を形成する材料としては、例えばＡｕ、Ａｌ、Ｃｕ、Ａｇ又はＷなどが挙げられる。当該パッド電極は、導電性の観点から、これらの材料のうち導電性が高いＡｕで形成されていてもよい。具体的には、第一電極１４の構造として、例えばＮｉ及びＡｕの合金で形成された第二コンタクト電極をリッジ部半導体層１７上に形成し、Ａｕで形成された第二パッド電極を第二コンタクト電極上に形成した構造が挙げられる。第一電極１４は、例えば２４０ｎｍの厚さに形成されている。
The first electrode 14 may have a pad electrode on the top for the purpose of uniformly spreading current over the entire area of the first electrode 14. Examples of the material for forming the pad electrode include Au, Al, Cu, Ag, and W. From the viewpoint of conductivity, the pad electrode may be made of Au, which has higher conductivity among these materials. Specifically, as the structure of the first electrode 14, a second contact electrode made of, for example, an alloy of Ni and Au is formed on the ridge semiconductor layer 17, and a second pad electrode made of Au is formed on the second contact electrode made of an alloy of Ni and Au. An example is a structure formed on a contact electrode. The first electrode 14 is formed to have a thickness of 240 nm, for example.
第一電極１４は、レーザダイオードの場合には短辺の長さが１０μｍ未満であり長辺の長さが１０００μｍ以下の長方形状を有し、第二窒化物半導体層３３に積層されているとよい。発光ダイオードの場合には、様々な形状が想定されるが、例えば５０μｍ×２００μｍの長方形の形状等が想定される。第一電極１４とリッジ部半導体層１７とが接触する互いの接触面は、ほぼ同じ形状を有している。このため、リッジ部半導体層１７は、短辺の長さが１０μｍ未満であり長辺の長さが１００μｍ以下の長方形状を有している。第一電極１４とリッジ部半導体層１７とが接触する互いの接触面が同じ形状を有することにより、第一電極１４から注入されるキャリアがリッジ部半導体層１７中で基板１１の水平方向に拡散することが抑制され、窒化物半導体活性層３５２での発光を制御することができる。
In the case of a laser diode, the first electrode 14 has a rectangular shape with a short side length of less than 10 μm and a long side length of 1000 μm or less, and is laminated on the second nitride semiconductor layer 33. good. In the case of a light emitting diode, various shapes are assumed, and for example, a rectangular shape of 50 μm×200 μm is assumed. The contact surfaces of the first electrode 14 and the ridge semiconductor layer 17 have substantially the same shape. Therefore, the ridge semiconductor layer 17 has a rectangular shape with a short side length of less than 10 μm and a long side length of 100 μm or less. Since the contact surfaces of the first electrode 14 and the ridge semiconductor layer 17 have the same shape, carriers injected from the first electrode 14 are diffused in the ridge semiconductor layer 17 in the horizontal direction of the substrate 11. Therefore, light emission in the nitride semiconductor active layer 352 can be controlled.
（第二電極）
第二電極１５は、第一窒化物半導体層３１の第二積層部３１２上に形成されている。第二電極１５がｎ型電極の場合、第二電極１５を形成する材料としては、第二電極１５が第一窒化物半導体層３１に電子を注入する目的で用いられるのであれば、一般的な窒化物半導体発光素子のｎ型電極に対応する材料を使用することが可能である。例えば、第二電極１５がｎ型電極の場合の形成材料として、Ｔｉ、Ａｌ、Ｎｉ、Ａｕ、Ｃｒ、Ｖ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｍｏ、Ｗおよびその合金、またはＩＴＯ等が適用される。
(Second electrode)
The second electrode 15 is formed on the second laminated portion 312 of the first nitride semiconductor layer 31 . When the second electrode 15 is an n-type electrode, the material for forming the second electrode 15 may be a general material if the second electrode 15 is used for the purpose of injecting electrons into the first nitride semiconductor layer 31. It is possible to use a material compatible with the n-type electrode of a nitride semiconductor light emitting device. For example, when the second electrode 15 is an n-type electrode, Ti, Al, Ni, Au, Cr, V, Zr, Hf, Nb, Ta, Mo, W and alloys thereof, ITO, etc. are used. Ru.
第二電極１５がｐ型電極の場合、第二電極１５を形成する材料としては、第二電極１５が窒化物半導体発光素子に正孔（ホール）を注入する目的で用いられるのであれば、一般的な窒化物半導体発光素子のｐ型電極層と同じ材料を使用することが可能である。例えば、第二電極１５がｐ型電極の場合の形成材料として、Ｎｉ、Ａｕ、Ｐｔ、Ａｇ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｃｕおよびその合金、またはＩＴＯ等が適用される。第二電極１５がｐ型電極の場合は、第二電極１５と第一窒化物半導体層３１の第二積層部３１２とのコンタクト抵抗が小さいＮｉ、Ａｕ若しくはこれらの合金、又はＩＴＯであってもよい。本実施形態では、第二電極１５は、ｎ型電極となるように形成されている。
When the second electrode 15 is a p-type electrode, the material for forming the second electrode 15 may be a general material if the second electrode 15 is used for the purpose of injecting holes into a nitride semiconductor light emitting device. It is possible to use the same material as the p-type electrode layer of a typical nitride semiconductor light emitting device. For example, when the second electrode 15 is a p-type electrode, Ni, Au, Pt, Ag, Rh, Pd, Cu and alloys thereof, ITO, etc. are used as the forming material. When the second electrode 15 is a p-type electrode, it may be made of Ni, Au, an alloy thereof, or ITO, which has a low contact resistance between the second electrode 15 and the second laminated portion 312 of the first nitride semiconductor layer 31. good. In this embodiment, the second electrode 15 is formed to be an n-type electrode.
第二電極１５は、第二電極１５の全域に電流を均等に拡散させる目的で、上部にパッド電極を有していてもよい。パッド電極を形成する材料としては、例えばＡｕ、Ａｌ、Ｃｕ、Ａｇ又はＷなどが挙げられる。当該パッド電極は、導電性の観点から、これらの材料のうち導電性が高いＡｕで形成されていてもよい。具体的には、第二電極１５の構造として、例えばＴｉ、Ａｌ、Ｎｉ及びＡｕの中から選択された素材の合金で形成された第一コンタクト電極を第一窒化物半導体層３１の第二積層部３１２上に形成し、Ａｕで形成された第一パッド電極を第一コンタクト電極上に形成した構造が挙げられる。第二電極１５は、
例えば６０ｎｍの厚さに形成されている。本実施形態では、第二電極１５は、第一電極１４と異なる厚さに形成されているが、第一電極１４と同じ厚さに形成されていてももちろんよい。
The second electrode 15 may have a pad electrode on the top for the purpose of uniformly dispersing the current over the entire area of the second electrode 15. Examples of the material for forming the pad electrode include Au, Al, Cu, Ag, and W. From the viewpoint of conductivity, the pad electrode may be made of Au, which has higher conductivity among these materials. Specifically, as the structure of the second electrode 15, a first contact electrode formed of an alloy of materials selected from, for example, Ti, Al, Ni, and Au is used as a second laminated layer of the first nitride semiconductor layer 31. An example is a structure in which the first pad electrode is formed on the portion 312 and the first pad electrode made of Au is formed on the first contact electrode. The second electrode 15 is
For example, it is formed to have a thickness of 60 nm. In this embodiment, the second electrode 15 is formed to have a thickness different from that of the first electrode 14, but it may of course be formed to have the same thickness as the first electrode 14.
（共振器面）
窒化物半導体素子１がレーザダイオードに適用される場合、共振器面の形成が必要である。共振器面１６ａは、第一窒化物半導体層３１の第二積層部３１２、発光部３５、電子ブロック層３４、組成変化層３２及び第二窒化物半導体層３３のそれぞれの側面によって形成される同一平面で構成されている。また、裏側共振器面１６ｂは、共振器面１６ａに対向する側面であって第一窒化物半導体層３１の第二積層部３１２、発光部３５、電子ブロック層３４、組成変化層３２及び第二窒化物半導体層３３のそれぞれの側面によって形成される同一平面で構成されている。共振器面１６ａ及び裏側共振器面１６ｂは、発光部３５の発光を反射させることを目的として設けられている。共振器面１６ａ及び裏側共振器面１６ｂで反射した光を発光部３５に閉じ込めるために、共振器面１６ａ及び裏側共振器面１６ｂは、対を成して備えられている。共振器面１６ａは、例えば窒化物半導体素子１の光の出射側となる。共振器面１６ａ及び裏側共振器面１６ｂにおいて、発光部３５からの発光を反射させるために、共振器面１６ａ及び裏側共振器面１６ｂは、発光部３５と上部ガイド層３５３との接触面に対して垂直かつ平坦であってもよい。しかしながら、共振器面１６ａ及び裏側共振器面１６ｂは、全体にあるいは部分的に傾斜部あるいは凹凸部を有していてもよい。
(resonator surface)
When the nitride semiconductor device 1 is applied to a laser diode, it is necessary to form a cavity surface. The resonator surface 16a is the same plane formed by the respective side surfaces of the second laminated portion 312 of the first nitride semiconductor layer 31, the light emitting portion 35, the electron block layer 34, the composition change layer 32, and the second nitride semiconductor layer 33. It is made up of flat surfaces. Further, the back side resonator surface 16b is a side surface facing the resonator surface 16a, and includes the second laminated portion 312 of the first nitride semiconductor layer 31, the light emitting portion 35, the electron block layer 34, the composition change layer 32, and the second laminated portion 312 of the first nitride semiconductor layer 31, The same plane is formed by each side surface of the nitride semiconductor layer 33. The resonator surface 16a and the back resonator surface 16b are provided for the purpose of reflecting light emitted from the light emitting section 35. In order to confine the light reflected by the resonator surface 16a and the back resonator surface 16b in the light emitting section 35, the resonator surface 16a and the back resonator surface 16b are provided as a pair. The resonator surface 16a becomes, for example, the light output side of the nitride semiconductor element 1. In order to reflect the light emitted from the light emitting section 35 on the resonator surface 16a and the back resonator surface 16b, the resonator surface 16a and the back resonator surface 16b are arranged so that the contact surface between the light emitting section 35 and the upper guide layer 353 is It may be vertical and flat. However, the resonator surface 16a and the back resonator surface 16b may have an inclined portion or an uneven portion in whole or in part.
共振器面１６ａ及び裏側共振器面１６ｂの表面には、誘電体多層膜等の絶縁保護膜、及び反射膜が形成されていてもよい。具体的には、当該絶縁保護膜は、ＳｉＯ２で形成されていてよく、その他にＡｌ２Ｏ３、ＳｉＮ、ＳｎＯ２、ＺｒＯ又はＨｆＯ２等で形成されていてもよい。また、当該絶縁保護膜は、これらの材料が積層された構造を有していてもよい。当該絶縁保護膜は、窒化物半導体素子１の光の出射側となる共振器面１６ａと、光の出射側にならない反射側の裏側共振器面１６ｂの両方の表面に形成されていてもよい。光の出射側の共振器面１６ａに形成された絶縁保護膜と、光の反射側の裏側共振器面１６ｂに形成された絶縁保護膜は、同じ構造を有していてもよいし、異なる構造を有していてもよい。
An insulating protective film such as a dielectric multilayer film and a reflective film may be formed on the surfaces of the resonator surface 16a and the back resonator surface 16b. Specifically, the insulating protective film may be made of SiO 2 or may be made of Al 2 O 3 , SiN, SnO 2 , ZrO, HfO 2 or the like. Further, the insulating protective film may have a structure in which these materials are laminated. The insulating protective film may be formed on both the resonator surface 16a on the light output side of the nitride semiconductor element 1 and the backside resonator surface 16b on the reflection side that is not on the light output side. The insulating protective film formed on the resonator surface 16a on the light emission side and the insulating protective film formed on the back resonator surface 16b on the light reflecting side may have the same structure, or may have different structures. It may have.
（製法）
組成変化層３２は、次のようにして作製することができる。例えば、有機気相成長装置（ＭＯＶＰＥ装置）を用いて、原料ガスである、ＴＭＧ（トリメチルガリウム）の流量を連続的に増加させて、ＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）の流量を連続的に減少させながらアンモニアガスを同時に流してＡｌＧａＮを成長させる。これにより、ＡｌＧａＮのＡｌ組成比が変化した組成変化層を作製することができる。この際、Ｃｐ２Ｍｇ（シクロペンタジエニルマグネシウム）をアンモニアガスと同時に流すことで、不純物としてＡｌＧａＮ中にＭｇを添加することができる。
(Manufacturing method)
The composition change layer 32 can be manufactured as follows. For example, using an organic vapor phase epitaxy apparatus (MOVPE apparatus), the flow rate of TMG (trimethyl gallium), which is a source gas, is continuously increased and the flow rate of TMA (trimethyl aluminum) is continuously decreased, while ammonia is AlGaN is grown by simultaneously flowing gases. Thereby, a composition-changed layer in which the Al composition ratio of AlGaN is changed can be manufactured. At this time, Mg can be added as an impurity into AlGaN by flowing Cp2Mg (cyclopentadienylmagnesium) at the same time as ammonia gas.
（測定方法）
本実施形成における材料特定及び組成は、エネルギー分散型Ｘ線分析（Ｅｎｅｒｇｙ ｄｉｓｐｅｒｓｉｖｅ Ｘ－ｒａｙ ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ：ＥＤＸ）で実施する。各層の積層方向と垂直な断面を分割及び研磨あるいは集束イオンビーム（Ｆｏｃｕｓｅｄ
Ｉｏｎ Ｂｅａｍ：ＦＩＢ）加工し、その断面を透過電子顕微鏡（Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ：ＴＥＭ）を用いて観察することで各層の配置を明確化し、点分析が可能なエネルギー分散型Ｘ線分析（Ｅｎｅｒｇｙ ｄｉｓｐｅｒｓｉｖｅ Ｘ－ｒａｙ ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ：ＥＤＸ）で同定する。
また、半導体薄膜の膜厚は、薄膜積層方向と垂直な断面を分割及び研磨あるいは集束イオンビーム加工し、その断面を透過電子顕微鏡観察することによって測長する。
(Measuring method)
Material identification and composition in this embodiment are performed by energy dispersive X-ray spectrometry (EDX). A cross section perpendicular to the stacking direction of each layer is divided and polished or a focused ion beam (Focused
The arrangement of each layer is clarified by processing the ion beam (FIB) and observing its cross section using a transmission electron microscope (TEM), and energy dispersive X-ray analysis (Energy dispersive -ray spectrometry: EDX).
Further, the thickness of the semiconductor thin film is measured by dividing and polishing a cross section perpendicular to the thin film stacking direction or processing it with a focused ion beam, and observing the cross section with a transmission electron microscope.
以上説明したように、本実施形態による窒化物半導体素子１は、ＡｌｘＧａ（１－ｘ）Ｎで形成された窒化物半導体活性層３５２と、窒化物半導体活性層３５２から離れる方向に向かってＡｌ組成比ｘ３が減少するＡｌｘ３Ｇａ（１－ｘ３）Ｎで形成された組成変化層３２とを備えている。組成変化層３２は、０ｎｍより大きく４００ｎｍよりも小さい厚さを有する第一組成変化領域３２１と、第一組成変化領域３２１よりも窒化物半導体活性層３５２から離れた領域であって組成変化層３２の膜厚の厚さ方向におけるＡｌ組成比ｘ３の変化率が第一組成変化領域３２１よりも大きい第二組成変化領域３２２とを有している。
As described above, the nitride semiconductor device 1 according to the present embodiment includes the nitride semiconductor active layer 352 formed of Al x Ga (1-x) N, and The composition change layer 32 is formed of Al x3 Ga (1-x3) N in which the Al composition ratio x3 decreases. The composition-changed layer 32 includes a first composition-change region 321 having a thickness greater than 0 nm and less than 400 nm, and a region farther from the nitride semiconductor active layer 352 than the first composition-change region 321 . The second compositional change region 322 has a larger rate of change in the Al composition ratio x3 in the thickness direction than the first composition change region 321.
当該構成を備えた窒化物半導体素子１は、最大電流密度の向上と最大電流時電圧の低減を図ることができる。これにより、窒化物半導体素子１は、高電流密度下でも素子破壊を抑制することができる。
The nitride semiconductor device 1 having this configuration can improve the maximum current density and reduce the voltage at maximum current. Thereby, the nitride semiconductor device 1 can suppress device destruction even under high current density.
〔第２実施形態〕
本発明の第２実施形態による窒化物半導体素子について図９及び図１０を用いて説明する。本実施形態による窒化物半導体素子２は、上記第１実施形態による窒化物半導体素子１に対して、組成変化層の構成が異なる点に特徴を有している。このため、窒化物半導体素子２の構成要素に関し、窒化物半導体素子１の構成要素と同一の作用・機能を奏する構成要素には同一の符号を付してその説明を省略する。
[Second embodiment]
A nitride semiconductor device according to a second embodiment of the present invention will be described using FIGS. 9 and 10. The nitride semiconductor device 2 according to this embodiment is different from the nitride semiconductor device 1 according to the first embodiment in that the structure of the composition change layer is different. For this reason, regarding the constituent elements of the nitride semiconductor device 2, constituent elements that have the same actions and functions as the constituent elements of the nitride semiconductor device 1 are given the same reference numerals, and their explanations will be omitted.
図９は、本実施形態による窒化物半導体素子２の概略構成の一例を模式的に示す斜視図である。図１０は、窒化物半導体を積層した積層構造を有する窒化物半導体素子２のバンドギャップ構造を説明するための図である。図１０中の上段には、窒化物半導体素子２の伝導帯および価電子帯のエネルギー図が模式的に図示されている。図１０中の下段には、窒化物半導体素子２の積層構造が当該バンドギャップ構造に対応付けて模式的に図示されている。図１０には、窒化物半導体活性層３５２を構成する井戸層３５２ａ及び障壁層３５２ｂが模式的に図示されている。なお、図１０では、下部ガイド層３５１と井戸層３５２ａとの間に設けられた障壁層、及び上部ガイド層３５３と井戸層３５２ａとの間に設けられた障壁層の図示は省略されている。
FIG. 9 is a perspective view schematically showing an example of the schematic configuration of the nitride semiconductor device 2 according to this embodiment. FIG. 10 is a diagram for explaining the bandgap structure of a nitride semiconductor element 2 having a stacked structure in which nitride semiconductors are stacked. In the upper part of FIG. 10, an energy diagram of the conduction band and valence band of the nitride semiconductor device 2 is schematically illustrated. In the lower part of FIG. 10, the stacked structure of the nitride semiconductor element 2 is schematically illustrated in association with the bandgap structure. FIG. 10 schematically shows a well layer 352a and a barrier layer 352b that constitute the nitride semiconductor active layer 352. Note that in FIG. 10, illustration of a barrier layer provided between the lower guide layer 351 and the well layer 352a and a barrier layer provided between the upper guide layer 353 and the well layer 352a is omitted.
図９及び図１０に示すように、窒化物半導体素子２は、Ａｌ組成比の変化率が異なる３つの領域を有する組成変化層３６を備えている。組成変化層３６は、第一組成変化領域３６１と第二組成変化領域３６２との間の領域に、Ａｌ組成比ｘ３の変化率が第二組成変化領域３６２とは異なる第三組成変化領域３６３を有している。第三組成変化領域３６３は、第一組成変化領域３６１よりも平均のＡｌ組成比ｘ３が低く、第二組成変化領域３６２よりも平均のＡｌ組成比ｘ３が高くなるように構成されている。
As shown in FIGS. 9 and 10, the nitride semiconductor device 2 includes a composition change layer 36 having three regions with different rates of change in Al composition ratio. The composition change layer 36 includes a third composition change region 363 in a region between the first composition change region 361 and the second composition change region 362, the rate of change of the Al composition ratio x3 being different from that of the second composition change region 362. have. The third composition change region 363 is configured to have a lower average Al composition ratio x3 than the first composition change region 361 and a higher average Al composition ratio x3 than the second composition change region 362.
図９に示すように、第三組成変化領域３６３は、第一組成変化領域３６１に形成された突出部３６１ａ上に形成されている。第二組成変化領域３２２は、第三組成変化領域３６３上に形成されている。第二組成変化領域３６２上に第二窒化物半導体層３３が形成されている。リッジ部半導体層１７は、第一組成変化領域３６１に形成された突出部３６１ａ、第三組成変化領域３６３、第二組成変化領域３６２及び第二窒化物半導体層３３によって構成されている。ただし、上記第１実施形態において説明した通り、突出部３６１ａ（リッジ部）は電流を集中させることが目的となるので、発光層である窒化物半導体活性層３５２を含んでいても、第一窒化物半導体層３１を含んでいてもよい。あるいは、窒化物半導体素子２は、そもそも突出部３６１ａを有さず、メサ部と同じ面積で組成変化層３６が形成され、第一電極１４の大きさを適切な値に設計することにより電流を集中させる構造を有していても良い。
As shown in FIG. 9, the third compositional change region 363 is formed on the protrusion 361a formed in the first compositional change region 361. The second compositional change region 322 is formed on the third compositional change region 363. A second nitride semiconductor layer 33 is formed on the second compositionally changed region 362 . The ridge semiconductor layer 17 includes a protrusion 361 a formed in the first compositionally changed region 361 , a third compositionally changed region 363 , a second compositionally changed region 362 , and a second nitride semiconductor layer 33 . However, as explained in the first embodiment, the purpose of the protrusion 361a (ridge) is to concentrate current, so even if it includes the nitride semiconductor active layer 352, which is a light emitting layer, the first nitride A physical semiconductor layer 31 may also be included. Alternatively, the nitride semiconductor element 2 does not have the protrusion 361a in the first place, the composition change layer 36 is formed in the same area as the mesa part, and the current is controlled by designing the size of the first electrode 14 to an appropriate value. It may have a structure in which it is concentrated.
組成変化層３６が第三組成変化領域３６３を有することにより、第一組成変化領域３６１、第三組成変化領域３６３、第二組成変化領域３６２がこの順で各々隣合う配置のとき、図１０に示すように、窒化物半導体活性層３５２の配置側の第一組成変化領域３６１の端部と、窒化物半導体活性層３５２の配置側の第二組成変化領域３６２の端部との間にＡｌ組成比ｘ３の変化率が変化する境界が生じる。これにより、窒化物半導体素子２は、光閉じ込めの向上を図ることができる。組成変化率は、第二組成変化領域３６２よりも第三組成変化領域３６３が大きく、第三組成変化領域３６３よりも第一組成変化領域３６１が大きい方が好ましい。これにより、第二組成変化領域３６２および第三組成変化領域３６３の平均のＡｌ組成比率を第二組成変化領域３６２の変化率（傾斜率）で第二組成変化領域３６２および第三組成変化領域３６３の層を形成した際よりも高くなり、光の閉じ込め効率が向上する。また、第二組成変化領域３６２と第三組成変化領域３６３の変曲面でのＡｌ組成比率は、第三組成変化領域３６３と第一組成変化領域３６１の変曲面でのＡｌ組成比率よりも０．１以上大きいことが好ましい。窒化物半導体素子２は、この構造を有することにより、第二組成変化領域３６２の膜厚を必要以上に厚くすることに起因する駆動電圧の増加や素子破壊率の増加を抑制し、かつ第三組成変化領域３６３を有することで光閉じ込めと高電流密度の実現を両立することが可能となる。
Since the composition change layer 36 has the third composition change region 363, when the first composition change region 361, the third composition change region 363, and the second composition change region 362 are arranged adjacent to each other in this order, the structure shown in FIG. As shown, an Al composition is formed between the end of the first compositionally changed region 361 on the side where the nitride semiconductor active layer 352 is placed and the end of the second compositionally changed region 362 on the side where the nitride semiconductor active layer 352 is placed. A boundary occurs where the rate of change of the ratio x3 changes. Thereby, the nitride semiconductor device 2 can improve optical confinement. It is preferable that the composition change rate is larger in the third composition change region 363 than in the second composition change region 362, and larger in the first composition change region 361 than in the third composition change region 363. As a result, the average Al composition ratio of the second composition change region 362 and the third composition change region 363 can be adjusted at the rate of change (gradient rate) of the second composition change region 362 and the third composition change region 363. This increases the light confinement efficiency compared to when a layer of 2 is formed. Further, the Al composition ratio on the curved surfaces of the second composition change region 362 and the third composition change region 363 is 0.0. It is preferable that it is larger than 1. By having this structure, the nitride semiconductor element 2 suppresses an increase in driving voltage and an increase in element breakdown rate caused by making the film thickness of the second compositionally changed region 362 thicker than necessary, and also suppresses an increase in the element breakdown rate. By having the composition change region 363, it becomes possible to achieve both optical confinement and high current density.
本実施形態では、第一組成変化領域３６１および第三組成変化領域３６３が互いに接触して形成され、第三組成変化領域３６３および第二組成変化領域３６２が互いに接触して形成されているが、窒化物半導体素子２は、第一組成変化領域３６１と第三組成変化領域３６３との間、および第三組成変化領域６３６と第二組成変化領域３６２との間にそれぞれ中間層を有していても良い。当該中間層は、例えば組成が変化していないＡｌｗＧａ１－ｗＮ（０＜ｗ＜１）、あるいは組成が変化していないＡｌｗＧａ１－ｗＮと組成が変化していないＡｌｖＧａ１－ｖＮ（０＜ｖ＜ｗ＜１）とが積層した構造（多段の場合超格子構造に該当）などを有していてもよい。Ａｌ組成比ｗ及びＡｌ組成比ｖの一例として、ｗが０．６であり、ｖが０．４であってもよい。当該中間層が積層構造を有する場合、エネルギー障壁を作らない観点からＡｌ組成比ｖ及びＡｌ組成比ｗは、それぞれの組成変化領域の端点のＡｌ組成比の値と同じか差があっても良い。Ａｌ組成比の値に差がある場合には、上層ほどＡｌ組成比率が小さくなる構造がキャリアを効率よく発光層へ運ぶ観点から好ましい。当該中間層は、第一組成変化領域３６１、第三組成変化領域３６３および第二組成変化領域３６２と同一の導電型であってもよい。また、当該中間層は、ｐ型半導体であっても、ｎ型半導体であっても、アンドープであっても良い。本実施形態においても、組成変化層３６が中間層を有することにより、上記第１実施形態における組成変化層３２が当該中間層を有する場合と、同様の作用・効果が得られる。
In this embodiment, the first compositional change region 361 and the third compositional change region 363 are formed in contact with each other, and the third compositional change region 363 and the second compositional change region 362 are formed in contact with each other. The nitride semiconductor device 2 has intermediate layers between the first compositionally changed region 361 and the third compositionally changed region 363 and between the third compositionally changed region 636 and the second compositionally changed region 362, respectively. Also good. The intermediate layer is, for example, Al w Ga 1-w N (0<w<1) whose composition has not changed, or Al w Ga 1-w N whose composition has not changed and Al v whose composition has not changed. It may have a structure in which Ga 1-v N (0<v<w<1) are stacked (corresponding to a superlattice structure in the case of multiple stages). As an example of the Al composition ratio w and the Al composition ratio v, w may be 0.6 and v may be 0.4. When the intermediate layer has a laminated structure, from the viewpoint of not creating an energy barrier, the Al composition ratio v and the Al composition ratio w may be the same as or different from the value of the Al composition ratio at the end point of each composition change region. . When there is a difference in the value of the Al composition ratio, a structure in which the Al composition ratio becomes smaller in the upper layer is preferable from the viewpoint of efficiently transporting carriers to the light emitting layer. The intermediate layer may have the same conductivity type as the first composition change region 361, the third composition change region 363, and the second composition change region 362. Moreover, the intermediate layer may be a p-type semiconductor, an n-type semiconductor, or may be undoped. Also in this embodiment, since the composition change layer 36 has the intermediate layer, the same operation and effect as in the case where the composition change layer 32 in the first embodiment has the intermediate layer can be obtained.
以上説明したように、本実施形態による窒化物半導体素子２は、ＡｌｘＧａ（１－ｘ）Ｎで形成された窒化物半導体活性層３５２と、窒化物半導体活性層３５２から離れる方向に向かってＡｌ組成比ｘ３が減少するＡｌｘ３Ｇａ（１－ｘ３）Ｎで形成された組成変化層３６とを備えている。組成変化層３６は、０ｎｍより大きく４００ｎｍよりも小さい厚さを有する第一組成変化領域３６１と、第一組成変化領域３６１よりも窒化物半導体活性層３５２から離れた領域であって組成変化層３６の膜厚の厚さ方向におけるＡｌ組成比ｘ３の変化率が第一組成変化領域３６１よりも大きい第二組成変化領域３６２とを有している。
As explained above, the nitride semiconductor device 2 according to the present embodiment includes the nitride semiconductor active layer 352 formed of Al x Ga (1-x) N, and The composition change layer 36 is formed of Al x3 Ga (1-x3) N in which the Al composition ratio x3 decreases. The composition-changed layer 36 includes a first composition-change region 361 having a thickness greater than 0 nm and less than 400 nm, and a region farther from the nitride semiconductor active layer 352 than the first composition-change region 361 . The second compositional change region 362 has a larger rate of change in the Al composition ratio x3 in the thickness direction than the first composition change region 361.
当該構成を備えた窒化物半導体素子２は、最大電流密度の向上と最大電流時電圧の低減を図ることができる。これにより、窒化物半導体素子２は、高電流密度を実現することができる。
The nitride semiconductor device 2 having this configuration can improve the maximum current density and reduce the voltage at maximum current. Thereby, the nitride semiconductor device 2 can realize high current density.
さらに、窒化物半導体素子２に備えられた組成変化層３６は、第一組成変化領域３６１と第二組成変化領域３６２との間の領域に、Ａｌ組成比ｘ３の変化率が第二組成変化領域
３６２とは異なる第三組成変化領域３６３を有している。第三組成変化領域３６３は、第一組成変化領域３６１よりも平均のＡｌ組成比ｘ３が低く、第二組成変化領域３６２よりも平均のＡｌ組成比ｘ３が高くなるように構成されている。これにより、第一組成変化領域３６１を必要以上に厚くすることなく、低駆動電圧で素子破壊が無く高電流密度を実現し、かつレーザ発振における閾値を低減することができる。
Furthermore, the composition change layer 36 provided in the nitride semiconductor device 2 has a change rate of Al composition ratio x3 in a region between the first composition change region 361 and the second composition change region 362. It has a third compositional change region 363 different from 362. The third composition change region 363 is configured to have a lower average Al composition ratio x3 than the first composition change region 361 and a higher average Al composition ratio x3 than the second composition change region 362. Thereby, without making the first compositional change region 361 unnecessarily thick, it is possible to realize a high current density with low driving voltage without element destruction, and to reduce the threshold value in laser oscillation.
本発明は、上記第１実施形態および第２実施形態に限らず、種々の変更が可能である。
上記第１実施形態および第２実施形態では、窒化物半導体活性層は、ＡｌＧａＮで形成されているが、本発明はこれに限られない。例えば、窒化物半導体活性層は、ＡｌＩｎＧａＮやＢＡｌＧａＮで形成されていても、上記実施形態と同様の効果が得られる。
The present invention is not limited to the first and second embodiments described above, and various modifications are possible.
In the first and second embodiments described above, the nitride semiconductor active layer is made of AlGaN, but the present invention is not limited thereto. For example, even if the nitride semiconductor active layer is formed of AlInGaN or BAlGaN, the same effects as in the above embodiment can be obtained.
本発明の技術的範囲は、図示され記載された例示的な実施形態に限定されるものではなく、本発明が目的とするものと均等な効果をもたらす全ての実施形態をも含む。さらに、本発明の技術的範囲は、請求項により画される発明の特徴の組み合わせに限定されるものではなく、全ての開示されたそれぞれの特徴のうち特定の特徴のあらゆる所望する組み合わせによって画され得る。
The scope of the invention is not limited to the exemplary embodiments shown and described, but also includes all embodiments which give equivalent effects to the object of the invention. Furthermore, the scope of the invention is not limited to the combinations of inventive features delineated by the claims, but may be delimited by any desired combinations of specific features of each and every disclosed feature. obtain.
