JPH04242985A - 窒化ガリウム系化合物半導体レーザダイオード - Google Patents

窒化ガリウム系化合物半導体レーザダイオード

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JPH04242985A
JPH04242985A JP2414843A JP41484390A JPH04242985A JP H04242985 A JPH04242985 A JP H04242985A JP 2414843 A JP2414843 A JP 2414843A JP 41484390 A JP41484390 A JP 41484390A JP H04242985 A JPH04242985 A JP H04242985A
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、可視単波長、特に、青
色領域から紫色領域まで、及び紫外光領域で発光可能な
半導体レーザダイオードに関する。
【0002】本発明の半導体レーザダイオードは、本発
明者らにより初めて明らかにされた電子線照射処理によ
る((AlxGa1−x)yIn1−yN:0≦x≦1
,0≦y≦1)層のp型化技術を基盤として、新たに開
発さた技術を加えて、初めて、((AlxGa1−x)
yIn1−yN:0≦x≦1,0≦y≦1)半導体レー
ザダイオードの製作が可能となったものである。
【0003】
【従来技術】現在、実用化されている最短波長の電流注
入型半導体レーザダイオードは、リン化インジウムガリ
ウムアルミニウム(InGaAlP)系結晶により作製
されている。その発振波長は可視長波長領域、即ち、赤
色領域である0.6 〜0.7 μm帯に属する。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、更に、
短波長である青色、紫色領域或いは紫外光領域での発光
が可能な半導体レーザを実現するのは、この材料では物
性上困難である。より広い禁制帯幅を持つ半導体材料を
用いる必要がある。(AlxGa1−x)yIn1−y
N はその候補の一つである。
【0005】(AlxGa1−x)yIn1−yN )
、特に、GaN は室温(300K)で光励起により誘
導放出することが確認されている(H. Amano 
等;Japanese Journal of App
lied Physics  第29巻1990年 L
205−L206頁)。  このことから、上記半導体
でレーザダイオードが構成できる可能性がある。
【0006】しかしながら、上記系統の化合物半導体は
p型単結晶薄膜の作製が困難であるため、現在に到るま
で(AlxGa1−x)yIn1−yN を用いた電流
注入による半導体レーザダイオードは実現していない。
【0007】本発明は、上記の課題を解決するために成
されたものであり、その目的とするところは、短波長で
ある青色、紫色領域或いは紫外光領域におけるレーザを
得ることである。
【0008】
【課題を解決するための手段】本第1発明は、n型伝導
性を示す窒化ガリウム系化合物半導体((AlxGa1
−x)yIn1−yN:0≦x≦1,0≦y≦1)から
成るn層と、p型伝導性を示す窒化ガリウム系化合物半
導体((Alx’Ga1−x’)y’In1−y’N:
0≦x’≦1,0≦y’≦1)(x=x’またはx≠x
’,y=y’またはy≠y’)から成るp層とが接合さ
れた少なくとも1つのpn接合を設けたことを特徴とし
ている。
【0009】第2発明は、n層及びp層を、禁制帯幅が
同一な窒化ガリウム系化合物半導体で構成したことを特
徴としている。
【0010】第3発明は、pn接合を、禁制帯幅の比較
的大きい窒化ガリウム系化合物半導体から成る層と、禁
制帯幅の比較的小さい窒化ガリウム系化合物半導体から
成る層との接合により構成したことを特徴としている。
【0011】第4発明は、禁制帯幅の比較的小さい層を
、相互に禁制帯幅及び混晶組成が同一又は異なり、その
層に対して禁制帯幅の比較的大きい層で挟んだ構造を有
することを特徴とする。
【0012】第5発明は、禁制帯幅の異なる層を2つ以
上積層した構造であることを特徴とする。
【0013】第6発明は、アクセプタ不純物をドープし
た窒化ガリウム系化合物半導体から成る層に電子線を照
射してp型化させた層を有することを特徴とする。
【0014】第7発明は、p型化された窒化ガリウム系
化合物半導体から成る層とその層に対する電極用金属と
の接触部分の形状を短冊状としたことを特徴とする。
【0015】第8発明は、基板に、サファイア、Si、
6H−SiC又はGaN を用いることを特徴としてい
る。
【0016】
【作用及び効果】((AlxGa1−x)yIn1−y
N:0≦x≦1,0≦y≦1)半導体において、本発明
者等により、初めてp型電導性を示す層の製作が可能と
なった。これにより、上記の窒化ガリウム系化合物半導
体で構成されたキャリア注入型のレーザダイオードの製
作及びその発振が可能となった。
【0017】本発明のように電子線照射処理による(A
lxGa1−x)yIn1−yN のp型化効果と、構
造を工夫することにより、青色から紫色及び紫外光領域
の発振波長を持つ半導体レーザダイオードが実現された
【0018】
【発明の概要】上記発明において、窒化アルミニウムガ
リウムインジウム(AlxGa1−x)yIn1−yN
 単結晶作製用基板には、サファイア, 珪素(Si)
,6H 炭化珪素(6H−SiC)ないし窒化ガリウム
(GaN) を用いることができる。
【0019】サファイアを基板とする場合には少なくと
も低温(例えば約600 ℃) で堆積したAlN 薄
膜を含む層を緩衝層とするのが望ましい。
【0020】Siを基板とする場合には少なくとも3C
−SiC薄膜一層か或いは3C−SiC薄膜及びAlN
 薄膜の二層を含む層を緩衝層とするのが望ましい。
【0021】6H−SiCを基板とする場合には直接な
いしGaN を緩衝層とするのが望ましい。GaN を
基板とする場合には直接単結晶作製が行なわれる。Si
,6H−SiC 及びGaN を基板とする場合にはn
型単結晶が用いられる。
【0022】まず、同一組成同士の結晶によるpn接合
構造を作製する場合につき述べる。サファイアを基板と
する場合、(AlxGa1−x)yIn1−yN を成
長させる直前に、基板温度を所望の値(例えば 600
℃)に設定し、成長炉内に少なくともアルミニウム(A
l) を含む化合物及び窒素の水酸化物を導入し、サフ
ァイア基板表面にAlN 薄膜緩衝層を形成する。
【0023】その後、Alを含む化合物の導入を止め、
基板温度の再設定を行う。そして、所望の混晶組成とな
るようにAlを含む化合物、ガリウム(Ga)を含む化
合物及びインジウム(In)を含む化合物を導入してn
型(AlxGa1−x)yIn1−yN 単結晶の成長
を行う。
【0024】なお、この場合n型単結晶の抵抗率を下げ
るためにSi, 酸素(O),硫黄(S),セレン(S
e), テルル(Te)などドナー不純物となる元素を
含む化合物を同時に導入しても良い。
【0025】ドナー不純物をドーピングする場合、その
濃度に関してはn層に均一にドーピングしても良い。 又、n層のオーム性電極形成を容易にするためにn層成
長初期に高濃度にドーピングし、pn接合付近ではドー
ピングしないか或いは低濃度にドーピングしても良い。
【0026】次に、一度、ウエハを成長炉から取り出し
、試料表面の一部を選択成長用マスクとなる物質、例え
ば酸化珪素(SiO2 ) により覆い、再びウエハを
成長炉に戻す。又は、ウエハを取り出さずそのまま成長
を続ける。
【0027】少なくとも所望の混晶組成となるようなA
lを含む化合物、Gaを含む化合物、Inを含む化合物
及び窒素の水素化物及びアクセプタ不純物となる元素、
例えばベリリウム(Be), マグネシウム(Mg),
 亜鉛(Zn), カドミウム(cd), 炭素(C)
 を含む化合物を成長炉に導入してアクセプタ不純物を
ドープした(AlxGa1−x)yIn1−yN 単結
晶(p層) の成長を行う。
【0028】アクセプタドープ層の成長膜厚は電子線照
射処理する場合の電子線侵入長を考慮して決定する。 
 次にウェハを成長炉から取り出し、アクセプタドープ
(AlxGa1−x)yIn1−yN 層の電子線照射
処理を行う。
【0029】電子線照射処理する領域は試料表面全体或
いは一部、例えば短冊状とする。試料表面全体に電子線
を照射する場合には、更に、アクセプタドープ層(p層
)の上に絶縁層を堆積し、その絶縁層の一部に短冊状の
窓を開け、その窓の上に金属を接触させ、p層に対する
オーム性電極を形成する。  短冊状に電子線照射処理
する場合には、電子線の照射された領域の一部或いは全
部を覆うように金属を接触させ、p層に対するオーム性
電極を形成する。
【0030】最終的に、p層と金属の接触する部分の形
状は短冊である。n層の電極は選択成長用マスクを取り
外して、その後に形成するか、或いはアクセプタドープ
層(p層)の一部を表面側からエッチングして下層のn
層に対して窓を開け、金属を接触させオーム性電極を形
成する。
【0031】n型のSi、6H−SiC或いはGaN 
を基板として用いる場合もほぼ同様の手段により素子作
製を行う。しかし、選択成長技術は用いず、p層とn層
に対する電極は素子の上下の両側に形成する。即ち、n
層電極は基板裏面全体に金属を接触させオーム性電極を
形成する。
【0032】以上が同一組成の結晶によるpn接合構造
の半導体レーザダイオードを作製する場合の基本的方法
である。異種混晶組成の結晶の接合、いわゆるヘテロ接
合を利用した素子を作製する場合にも、pn接合を形成
するという点では上記同一混晶組成の結晶の接合を利用
する場合と同様である。
【0033】単一のヘテロ接合を形成する場合、同一混
晶組成の結晶によるpn接合に加え、更にn層側に禁制
帯幅が大きいn型の結晶を接合して少数キャリアである
正孔の拡散阻止層とする。
【0034】(AlxGa1−x)yIn1−yN 系
単結晶の禁制帯幅付近の発光はn層で特に強いため、活
性層はn型結晶を用いる必要がある。(AlxGa1−
x)yIn1−yN 系単結晶のバンド構造は(Alx
Ga1−x)yIn1−yAs系単結晶や(AlxGa
1−x)yIn1−yP 系単結晶と似ており、バンド
不連続の割合は価電子帯よりも伝導帯の方が大きいと考
えられる。しかし、(AlxGa1−x)yIn1−y
N 系単結晶では正孔の有効質量が比較的大きいためn
型同士のヘテロ接合は正孔拡散阻止として有効に作用す
る。
【0035】二つのヘテロ接合を形成する場合、禁制帯
幅の比較的小さいn型の結晶の両側に各々禁制帯幅の大
きいn型及びp型の結晶を接合し禁制帯幅の小さいn型
の結晶を挟む構造とする。
【0036】多数のヘテロ接合を形成する場合、n型の
比較的禁制帯幅の大きい薄膜結晶と比較的禁制帯幅の小
さい薄膜結晶を複数接合し、その両側にそれぞれ更に禁
制帯幅の大きいn型及びp型の結晶を接合し、多数のヘ
テロ接合を挟む。
【0037】(AlxGa1−x)yIn1−yN 系
単結晶の禁制帯幅付近での光の屈折率は禁制帯幅が小さ
い程大きいため、他の(AlxGa1−x)yIn1−
yAs系単結晶や(AlxGa1−x)yIn1−yP
 系単結晶による半導体レーザダイオードと同様、禁制
帯幅の大きい結晶で挟むヘテロ構造は光の閉じ込めにも
効果がある。
【0038】ヘテロ接合を利用する場合も、同一組成の
結晶によるpn接合の場合と同様に、オーム性電極組成
を容易にするため電極と接触する部分付近のキャリア濃
度は高濃度にしても良い。
【0039】n型結晶のキャリア濃度はドナー不純物の
ドーピング濃度により、またp型結晶のキャリア濃度は
アクセプタ不純物のドーピング濃度及び電子線照射処理
条件により制御する。又、特にオーム性電極形成を容易
にするため高キャリア濃度実現が容易な結晶を金属との
接触用に更に接合してもよい。
【0040】
【実施例】以下、本発明を具体的な実施例に基づいて説
明する。((AlxGa1−x)yIn1−yN:0≦
x≦1,0≦y≦1)半導体レーザダイオード用単結晶
の作製には横型有機金属化合物気相成長装置を用いた。 以下基板としてサファイア,Si,6H−SiC及びG
aN を用いた場合各々について成長手順を示す。
【0041】(1) サファイア基板の場合図1は、サ
ファイア基板を用いた半導体レーザダイオードの構造を
示した断面図である。図1において、(0001)面を
結晶成長面とするサファイア基板1を有機洗浄の後、結
晶成長装置の結晶成長部に設置する。成長炉を真空排気
の後、水素を供給し1200℃程度まで昇温する。これ
によりサファイア基板1の表面に付着していた炭化水素
系ガスがある程度取り除かれる。
【0042】次に、サファイア基板1の温度を 600
℃程度まで降温し、トリメチルアルミニウム(TMA)
 及びアンモニア(NH3) を供給して、サファイア
基板1上に50nm程度の膜厚を持つAlN 層2を形
成する。  次に、TMA の供給のみを止め、基板温
度を1040℃まで上げ、TMA,トリメチルガリウム
(TMG) 及びシラン(SiH4 ) を供給しSi
ドープn型GaAlN 層3(n層)を成長する。
【0043】一旦、ウェハを成長炉から取り出し、Ga
AlN 層3の表面の一部をSiO2 でマスクした後
、再び成長炉に戻して真空排気して水素及びNH3 を
供給し1040℃まで昇温する。次に、TMG を供給
して、SiO2 でマスクされていない部分に厚さ 0
.5μmのGaN層4を成長させる。次に、TMA 及
びビスシクロペンタディエニルマクネシウム(Cp2M
g) を更に供給してドープGaAlN 層5(p層)
を 0.5μm成長する。
【0044】次に、マスクとして使用したSiO2 を
弗酸系エッチャントにより除去する。次に、ドープGa
AlN 層5(p層)上にSiO2層7を堆積した後、
縦1mm、横50μmの短冊状に窓7Aを開け、真空チ
ャンバに移して、ドープGaAlN 層5(p層)に電
子線照射処理を行う。典型的な電子線照射処理条件を表
に示す。
【表1】
【0045】次に、ドープGaAlN 層5(p層)の
窓8の部分と、Siドープn型GaAlN 層3(n層
)に、それぞれ、金属電極を形成する。結晶成長は以上
である。上記の構造は、特許請求の範囲請求項4に記載
の発明に対応する。
【0046】(2)Si 基板の場合 Si基板上に作成したレーザダイオードの構造を図2に
示す。低抵抗n型Siの(111) 面基板8を有機洗
浄の後、弗酸系エッチャントにより表面の酸化物を取り
除き結晶成長部に設置する。成長炉を真空排気の後水素
を導入し基板を1000℃まで昇温して、基板8の表面
を洗浄化し、更に、プロパン(C3H8 ) いはアセ
チレン(C2H2 ) を供給する。これにより表面に
3C−SiC薄膜9が形成される。
【0047】この後、成長炉内を一旦真空排気して余分
なガスを取り除く。次に成長炉に水素を供給し基板温度
を 600℃にし、TMA 及びNH3 を供給してA
lN 薄膜10を3C−SiC薄膜9上に形成する。次
に、TMA の供給のみを止め基板温度を1040℃に
して、TMG,TMA 及びSiH4 を供給してn型
GaAlN 層11(n層)を成長する。
【0048】次に、TMA 及びSiH4 のみの供給
を止めGaN 層12を 0.5μm成長し、再びTM
A及びCP2Mgを加えMgドープGaAlN 層13
(p層)を 0.5μm成長する。次に、MgドープG
aAlN 層13(p層)上にSiO2層15を堆積し
た後、縦1mm、横50μmの短冊状に窓15Aを開け
、真空チャンバに移して、MgドープGaAlN 層1
3(p層)に電子線を照射する。電子線の照射条件は前
実施例と同様である。その後、SiO2層15側からM
gドープGaAlN 層13(p層)に対する電極14
Aを形成し、他方、基板8の裏面にn型GaAlN 層
11(n層)に対する電極14Bを形成した。
【0049】(3)6H−SiC 基板の場合6H−S
iC基板上に作成したレーザダイオードを図3に示す。 低抵抗n型6H−SiCの(0001)面基板16を有
機洗浄の後、王水系エッチャントによりエッチングの後
、結晶成長部に設置する。成長炉を真空排気の後、水素
を供給し、1200℃まで昇温する。次に、成長炉に水
素を供給し基板温度を1040℃にして、TMG,Si
H4 及びNH3 を供給してn型GaN 緩衝層17
を 0.5〜 1μm程度成長する。次に、TMA を
加え、n型GaN 緩衝層17の上にn型GaAN層1
8(n層)を成長する。
【0050】次に、n型GaAN層18の上に、前記の
Si基板を用いたレーザダイオードと同一構造に、同一
ガスを用いて、同一成長条件で、それぞれ、GaN 層
19を 0.5μm、MgドープGaAlN 層20(
p層)を 0.5μmの厚さに形成した。次に、Mgド
ープGaAlN 層20上にSiO2層22を堆積した
後、縦1mm、横50μmの短冊状に窓22Aを開け、
真空チャンバに移して、MgドープGaAlN 層20
(p層)に電子線を照射した。電子線の照射条件は前実
施例と同様である。
【0051】その後、SiO2層22側からMgドープ
GaAlN 層20(p層)に対する電極21Aを形成
し、他方、基板16の裏面にn型GaAlN 層18(
n層)に対する電極21Bを形成した。
【0052】(4)GaN基板の場合 GaN 基板上に作成したレーザダイオードを図4に示
す。 低抵抗n型GaN の(0001)面基板23を有機洗
浄の後、リン酸+硫酸系エッチャントによりエッチング
の後、この基板23を結晶成長部に設置する。次に、成
長炉を真空排気の後、水素及びNH3 を供給し、基板
温度を1040℃にして、5分間放置する。次に、TM
G 及びSiH4 を更に加えてn型GaN 緩衝層2
4を0.5 〜1 μmの厚さに形成した。
【0053】次に、TMA を加え、n 型GaAlN
 層25を成長させた。次に、n型GaAN層25の上
に、前記のSi基板を用いたレーザダイオードと同一構
造に、同一ガスを用いて、同一成長条件で、それぞれ、
GaN 層26を 0.5μm、MgドープGaAlN
 層27(p層)を 0.5μmの厚さに形成した。次
に、MgドープGaAlN 層27上にSiO2層29
を堆積した後、縦1mm、横50μmの短冊状に窓29
Aを開け、真空チャンバに移して、MgドープGaAl
N 層27(p層)に電子線を照射した。電子線の照射
条件は前実施例と同様である。
【0054】その後、SiO2層29側からMgドープ
GaAlN 層27(p層)に対する電極28Aを形成
し、他方、基板23の裏面にn型GaAlN 層25(
n層)に対する電極28Bを形成した。
【0056】上記のいづれの構造のレーザダイオードも
、室温においてレーザ発振した。
【図面の簡単な説明】
【図1】サファイア基板上に作製した本発明の具体的な
一実施例に係る((AlxGa1−x)yIn1−yN
:0≦x≦1,0≦y≦1)系半導体レーザダイオード
の構成を示した断面図。
【図2】Si基板上に作製した本発明の具体的な一実施
例に係る((AlxGa1−x)yIn1−yN:0≦
x≦1,0≦y≦1)系半導体レーザダイオードの構成
を示した断面図。
【図3】6H−SiC基板上に作製した本発明の具体的
な一実施例に係る((AlxGa1−x)yIn1−y
N:0≦x≦1,0≦y≦1)系半導体レーザダイオー
ドの構成を示した断面図。
【図4】GaN 基板上に作製した本発明の具体的な一
実施例に係る((AlxGa1−x)yIn1−yN:
0≦x≦1,0≦y≦1)系半導体レーザダイオードの
構成を示した断面図。
【符号の説明】
1−サファイアの(0001)面基板 2,9,17−AlN 緩衝層 3,11,18,25−n型AlGaN 層(n層)4
,12,19,26−GaN 層 5,13,20,27−MgドープAlGaN 層(p
層)7,15,22,29─SiO2 層 6A,14A,21A,28A─電極(MgドープAl
GaN 層(p層)に対する) 6B,14B,21B,28B─電極(n型AlGaN
 層(n層)に対する)

Claims (8)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】  n型導電性を示す窒化ガリウム系化合
    物半導体((AlxGa 1−x)yIn 1−yN:
    0≦x≦1,0≦y≦1)から成るn層と、p型導電性
    を示す窒化ガリウム系化合物半導体((Alx’Ga1
    −x’)y’In1−y’N:0≦x’≦1,0≦y’
    ≦1)(x=x’またはx≠x’,y=y’ または 
    y≠y’)から成るp層とが接合された少なくとも1つ
    のpn接合を有する窒化ガリウム系化合物半導体レーザ
    ダイオード。
  2. 【請求項2】  前記n層及び前記p層は、禁制帯幅が
    同一な窒化ガリウム系化合物半導体((AlxGa1−
    x)yIn1−yN:0≦x≦1,0≦y≦1)及び窒
    化ガリウム系化合物半導体((Alx’Ga1−x’)
    y’In1−y’N:0≦x’≦1,0≦y’≦1)(
    x=x’ または x≠x’,y=y’ または y≠
    y’)で構成されていることを特徴とする特許請求の範
    囲請求項1に記載の窒化ガリウム系化合物半導体レーザ
    ダイオード。
  3. 【請求項3】  前記pn接合は、禁制帯幅の比較的大
    きい窒化ガリウム系化合物半導体((AlxGa1−x
    )yIn1−yN:0≦x≦1,0≦y≦1)から成る
    層と、禁制帯幅の比較的小さい窒化ガリウム系化合物半
    導体((Alx’Ga1−x’)y’In1−y’N:
    0≦x’≦1,0≦y’≦1,但しx’=y’=1 は
    含まない。 x≠x’及び/又は y≠y’)から成る
    層との接合により構成されたことを特徴とする特許請求
    の範囲請求項1に記載の窒化ガリウム系化合物半導体レ
    ーザダイオード。
  4. 【請求項4】  禁制帯幅の比較的小さい窒化ガリウム
    系化合物半導体((Alx’Ga1−x’)y’In1
    −y’N:0≦x’≦1,0≦y’≦1,但しx’=y
    ’=1 は含まない)から成る層を、相互に禁制帯幅及
    び混晶組成が同一又は異なり、前記層に対して禁制帯幅
    の比較的大きい窒化ガリウム系化合物半導体((Alx
    Ga1−x)yIn1−yN:0≦x≦1,0≦y≦1
    ,x≠x’及び/又は y≠y’)から成るp型導電性
    を示す層とn型導電性を示す層との2つの層で、両側か
    ら挟んだ構造の接合を有する窒化ガリウム系化合物半導
    体レーザダイオード。
  5. 【請求項5】  相互に禁制帯幅の異なる、窒化ガリウ
    ム系化合物半導体((AlxGa1−x)yIn1−y
    N:0≦x≦1,0≦y≦1)から成る層と窒化ガリウ
    ム系化合物半導体((Alx’Ga1−x’)y’In
    1−y’N:0≦x’≦1,0≦y’≦1, x≠x’
    及び/ 又は y≠y’から成る層) から成る層とを
    2つ以上積層した窒化ガリウム系化合物半導体レーザダ
    イオード。
  6. 【請求項6】  アクセプタ不純物をドープした窒化ガ
    リウム系化合物半導体((AlxGa1−x)yIn1
    −yN:0≦x≦1,0≦y≦1)から成る層に電子線
    を照射してp型化した層を有する窒化ガリウム系化合物
    半導体レーザダイオード。
  7. 【請求項7】  前記p型化された窒化ガリウム系化合
    物半導体((AlxGa1−x)yIn1−yN:0≦
    x≦1,0≦y≦1)から成る層と電極用金属との接触
    部分の形状は短冊状であることを特徴とする特許請求の
    範囲請求項6に記載の窒化ガリウム系化合物半導体レー
    ザダイオード。
  8. 【請求項8】  サファイア、Si、6H−SiC又は
    GaN から成る基板を有することを特徴とする特許請
    求の範囲請求項1に記載の窒化ガリウム系化合物半導体
    レーザダイオード。
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