JPH11251684A - 窒化物半導体素子 - Google Patents

窒化物半導体素子

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JPH11251684A
JPH11251684A JP4566598A JP4566598A JPH11251684A JP H11251684 A JPH11251684 A JP H11251684A JP 4566598 A JP4566598 A JP 4566598A JP 4566598 A JP4566598 A JP 4566598A JP H11251684 A JPH11251684 A JP H11251684A
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nitride semiconductor
semiconductor layer
superlattice
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Shinichi Nagahama
慎一 長濱
Shuji Nakamura
修二 中村
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Nichia Chemical Industries Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 発振閾値を低下させて、高出力でも長寿命な
レーザ素子を実現する。 【構成】 n型窒化物半導体層とp型窒化物半導体層と
の間に活性層を有する窒化物半導体素子において、前記
n型およびp型窒化物半導体層の内の少なくとも一方
に、Alを含む第1の窒化物半導体層と、第1の窒化物
半導体層と組成の異なる第2の窒化物半導体層とが積層
された超格子層が設けられ、前記第1の窒化物半導体層
は活性層に接近するにつれて、Alの組成が少なくなる
ようにされており、さらに、その超格子層に含まれる導
電型を決定する不純物が、活性層に接近するにつれて、
少なくなるように調整されている。超格子よりなるGR
IN構造とすることにより光が活性層に集中するように
なるため、閾値が下がる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明はLED(発光ダイオー
ド)、SLD(スーパールミネッセントダイオード)、
LD(レーザダイオード)等の発光素子、太陽電池、光
センサー等の受光素子、あるいはトランジスタ、パワー
デバイス等の電子デバイスに使用される窒化物半導体
(InXAlYGa1-X-YN、0≦X、0≦Y、X+Y≦1)
素子に関する。
【0002】
【従来の技術】我々は窒化物半導体基板の上に、活性層
を含む窒化物半導体レーザ素子を作製して、世界で初め
て室温での連続発振1万時間以上を達成したことを発表
した(ICNS'97 予稿集,October 27-31,1997,P444-446、
及びJpn.J.Appl.Phys.Vol.36(1997)pp.L1568-1571,Par
t2,No.12A,1 December 1997)。基本的な構造としては
サファイア基板上に、部分的に形成されたSiO2膜を
介して選択成長されたn−GaNよりなる窒化物半導体
基板の上に、レーザ素子構造となる窒化物半導体層が複
数積層されてなる。(詳細はJpn.J.Appl.Phys.Vol.36参
照)
【0003】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、1万時
間以上の連続発振が推定されたのは、出力で2mWであ
る。2mWでは読み取り用光源としては若干もの足り
ず、書き込み用光源ではこの10倍以上の出力が必要で
あり、さらなるレーザ素子の出力向上と長寿命化が望ま
れている。
【0004】レーザ素子の発振閾値が低下すれば、レー
ザ素子の発熱量が小さくなるので、電流値を多くして出
力を上げることができる。さらに、閾値が低下すると言
うことは、レーザ素子だけでなくLED、SLD等、他
の窒化物半導体素子にも適用でき、高効率で信頼性の高
い素子を提供できる。従って本発明の目的とするところ
は、主としてレーザ素子の出力を向上させて、長寿命と
するため、まず発振閾値を低下させることにある。
【0005】
【課題を解決するための手段】本発明の窒化物半導体素
子の態様は主として3つの態様からなり、その第1の態
様は、n型窒化物半導体層とp型窒化物半導体層との間
に活性層を有する窒化物半導体素子において、前記n型
およびp型窒化物半導体層の内の少なくとも一方に、A
lを含む第1の窒化物半導体層と、第1の窒化物半導体
層と組成の異なる第2の窒化物半導体層とが積層された
超格子層が設けられ、前記第1の窒化物半導体層は活性
層に接近するにつれて、Alの含有量が少なくなるよう
にされていることを特徴とする。
【0006】第2の態様は、同様の構造の窒化物半導体
素子において、n型およびp型窒化物半導体層の内の少
なくとも一方に、Alを含む第1の窒化物半導体層と、
第1の窒化物半導体層と組成の異なる第2の窒化物半導
体層とが積層された超格子層が設けられ、その超格子層
に含まれる導電型を決定する不純物が、活性層に接近す
るにつれて、少なくなるように調整されていることを特
徴とする。
【0007】第3の態様は、最も好ましい状態であっ
て、第1の態様と第2の態様とを組み合わせたものであ
り、同様の構造の発光素子において、前記n型およびp
型窒化物半導体層の内の少なくとも一方に、Alを含む
第1の窒化物半導体層と、第1の窒化物半導体層と組成
の異なる第2の窒化物半導体層とが積層された超格子層
が設けられ、前記第1の窒化物半導体層は活性層に接近
するにつれて、Alの組成が少なくなるようにされてお
り、さらに、その超格子層に含まれる導電型を決定する
不純物が、活性層に接近するにつれて、少なくなるよう
に調整されていることを特徴とする。
【0008】本発明の全ての態様において、前記超格子
層はn型窒化物半導体層、およびp型窒化物半導体層両
方に設けられており、n側の第1の窒化物半導体層に
は、p側の第1の窒化物半導体層よりもAl混晶比の大
きい窒化物半導体層を有することを特徴とする。
【0009】さらに、全ての前記超格子層はn型窒化物
半導体層、およびp型窒化物半導体層両方に設けられて
おり、n側にある超格子層全体の膜厚よりも、p側にあ
る超格子層全体の膜厚が薄いことを特徴とする。
【0010】全て前記超格子層には導電型を決定する不
純物が含まれており、その不純物が第1の窒化物半導体
層、または第2の窒化物半導体層の内のいずれか一方に
含まれることを特徴とする。導電型を決定する不純物と
は、例えばn型窒化物半導体であれば、Si、Se、
O、Sn、S等のIV族元素であり、p型窒化物半導体で
あれば、Mg、Zn、Cd、Be、Ca等のII族元素を
指す。(以下、n型窒化物半導体に含まれる不純物をド
ナー、p型窒化物半導体に含まれる不純物をアクセプタ
ーという。)
【0011】前記超格子層の活性層に接近した側にある
膜厚0.3μm以下の層は、不純物がドープされていな
いアンドープ層であることを特徴とする。この超格子層
におけるアンドープの領域の膜厚は好ましくは0.2μ
m以下、さらに好ましくは0.1μm以下に調整する。
下限は特に限定しないが、第1の窒化物半導体層若しく
は第2の窒化物半導体層分の膜厚以上とすることが望ま
しい。このアンドープの超格子からなる領域は、n、p
窒化物半導体層の少なくとも一方にあればよいが、好ま
しくは活性層を挟んで両方に形成する。なお、本請求項
において、アンドープとは、意図的に不純物をドープし
ていない窒化物半導体を指し、例えば隣接する窒化物半
導体から不純物が拡散して入ってくるものも、本発明で
はアンドープと定義する。この場合、アンドープの窒化
物半導体層の不純物濃度は、不純物が含まれる窒化物半
導体層と接している側から徐々に少なくなっているよう
な、勾配がついている場合が多い。
【0012】また前記超格子層が活性層に接して形成さ
れていることを特徴とする。このように超格子層の少な
くとも一方を活性層に接して形成すると、例えばレーザ
素子を作製した場合には、この超格子層が活性層の導波
路となる光ガイド層と、光閉じ込め層であるクラッド層
とを兼ねることができる。
【0013】さらにまた、前記第1の窒化物半導体層が
AlXGa1-XN(0<X<1)よりなり、前記第2の窒
化物半導体層がGaNよりなることを特徴とする。Al
GaNとGaNとの組み合わせにすると、Al組成比を
次第に変えていく際に、一方のみのガス流量のみを調整
するよいので、生産技術上非常に都合がよい。またAl
GaNに比べて結晶性の良いGaN層がバッファ層とな
るので、その上に成長するAlGaN層の結晶性も良く
なる傾向にあり、全体として結晶性の良い超格子層を形
成できる。
【0014】
【発明の実施の形態】図1は本発明の窒化物半導体素子
の具体的な構造を示す模式断面図であり、具体的にはレ
ーザ素子の構造を示しており、8が活性層、7が超格子
層よりなるn側クラッド層、10が超格子層よりなるp
側クラッド層である。レーザ素子の場合、これら超格子
層7、10はn、p両側の窒化物半導体層に存在させる
ことが望ましいが、例えばLED、受光素子のような簡
単な構造の窒化物半導体素子では、必ずしも両側にある
必要はなく、いずれか一方の導電型の窒化物半導体層の
中に存在させればよい。
【0015】超格子を構成する第1の窒化物半導体層
は、Alを含む窒化物半導体、好ましくは三元混晶のA
XGa1-XN(0<X<1)とすると結晶性の良いもの
が得られやすい。また第2の窒化物半導体層は、第1の
窒化物半導体と組成が異なればどのようなものでもよい
が、好ましくは第1の窒化物半導体よりもバンドギャッ
プエネルギーが小さい窒化物半導体として、InYGa
1-YN(0≦Y≦1)を選択する。その中でもGaNとす
ると最も結晶性が良くなる。即ち、超格子層はAlGa
NとGaNとで構成すると、結晶性の良いGaNがバッ
ファ層のような作用をして、AlGaNを結晶性良く成
長できる。また単一膜厚が100オングストローム以
下、さらに好ましくは70オングストローム以下、最も
好ましくは50オングストローム以下の窒化物半導体層
を成長、積層させることにより、窒化物半導体が弾性臨
界膜厚以下となるために、AlGaNのような結晶中に
クラックの入りやすい結晶でも、クラックが入ることな
く膜質良く成長できる。
【0016】本発明の第1の態様では、超格子層よりな
るn側クラッド層7、p側クラッド層の第1の窒化物半
導体層のAl組成を活性層に接近するに従って小さくな
るように調整している。このようにn、p両クラッド層
を超格子としてGRIN(gradient index waveguide)
構造とすると、活性層の発光はAl組成の少ない領域で
導波されて、縦モードが単一モードになりやすくなって
閾値が低下する。図2に、図1のn型クラッド層7から
p側クラッド層10までのエネルギーバンド図を示す。
図2のようにn側クラッド層7、およびp側クラッド層
10から活性層7に至るまでに、第1の窒化物半導体の
Al組成を小さくすることにより、連続的にバンドギャ
ップエネルギーを小さくして、GRIN構造を作製する
ことにより、閾値が低下する傾向にある。なお活性層は
多重量子井戸構造である場合を示している。
【0017】一般にダブルへテロ構造のクラッド層は、
活性層よりもバンドギャップエネルギーを大きくする必
要があるので、窒化物半導体素子のクラッド層には、例
えばAlGaNのような、Alを含有する窒化物半導体
が用いられる。AlGaNの場合、活性層との屈折率
差、およびバンドギャップエネルギー差を設けるため
に、Al混晶比を多くすればよいのは理論的に解ってい
るのであるが、AlXGa1 -XNはX値が大きくなるに従
って、結晶中にクラックが入りやすくなる傾向にある。
そのため、クラッド層にAl混晶比の大きいAlGaN
を成長させることは難しい。例えば、たとえ超格子とい
えども、Al混晶比Xが例えば0.5以上のAlXGa
1-XNを、光閉じ込めのためのクラッド層として必要と
する膜厚まで成長させることは難しい傾向にある。とこ
ろが、本発明のように、GRIN構造とすると、Al混
晶比の大きい層は最外層、つまり活性層から最も離れた
層だけで良く、活性層に接近するに従って、Al混晶比
が小さくなっているため、最外層にAl混晶比の大きい
層を形成しやすくなる。そのため、クラッド層と活性層
との屈折率差を大きくできるので、光閉じ込め効果が大
きくなって、閾値が低下する。また屈折率が中心(活性
層)から外側に向かって徐々に小さくなっているGRI
N構造では、光が中心に集まりやすくなるため閾値が低
下する。
【0018】また本発明の第2の態様では、超格子層よ
りなるn側クラッド層7、p側クラッド層に含まれるド
ナー、アクセプターの濃度が活性層に接近するに従っ
て、少なくなるように調整されている。n側クラッド層
のドナーとしては、Si、Ge、Sn、S、Oが用いら
れ、一般的にはSi、Snが用いられる。p型クラッド
層のアクセプターとしてはMg、Zn、Be、Caが用
いられ、一般的にはMgが用いられる。このようにn、
pクラッド層を超格子として、その超格子に含まれるド
ナー、アクセプター濃度を次第に小さくすると、クラッ
ド層による活性層近傍の光吸収が少なくなるので、光損
失が低下して閾値が低下する。さらに不純物濃度の少な
い窒化物半導体、不純物濃度の大きい窒化物半導体に比
較して結晶性がよい。そのため不純物濃度の少ない結晶
性の良いn、p両クラッド層で活性層を挟んだ構造とす
ると、結晶欠陥の少ない活性層が成長できるために、素
子の寿命も長くなり、信頼性が向上すると共に、素子の
耐圧も高くなる。
【0019】不純物はAlを含む第1の窒化物半導体
層、第2の窒化物半導体層に両方ドープしても良いが、
好ましくはいずれか一方にドープすることが望ましい。
これは変調ドープと呼ばれるもので、超格子層のいずれ
か一方の層に不純物をドープすることにより、超格子層
全体の結晶性が良くなり、これも信頼性の高い素子を実
現するのに効果的である。つまり、不純物をドープしな
い結晶性の良い層の上に不純物をドープした層を成長さ
せると、不純物をドープした層の結晶性が向上するた
め、超格子層全体としての結晶性が良くなることによ
る。
【0020】不純物濃度としてはドナーの場合、n側ク
ラッド層の最外層で1×1017〜5×1020/cm3、好
ましくは5×1017〜1×1020/cm3の範囲に調整す
る。また活性層近傍、例えば超格子層の低不純部濃度領
域0.3μm以下では、1×1019/cm3以下、さらに
好ましくは5×1018/cm3以下に調整する。なおドナ
ーとしてSiを用いた場合、GaNマトリックスで現在
のSIMSによる検出限界はおよそ5×1016/cm3
度である。一方、アクセプターの場合、p側クラッド層
の第2の態様の場合、最外層で1×1017〜5×1021
/cm3、好ましくは5×1017〜1×1021/cm3の範囲
に調整する。また活性層近傍、例えば超格子層の低不純
部濃度領域0.3μm以下では、1×1019/cm3
下、さらに好ましくは5×1018/cm3以下に調整す
る。第2の態様の場合、最外層の不純物濃度よりもむし
ろ、低不純物濃度層の方が重要であり、活性層に接近し
た側の不純物濃度が1×1019/cm3よりも多いと、光
吸収が多くなり、閾値が低下しにくくなる傾向にある。
また、不純物濃度を多くしたことによる結晶性の低下に
より、寿命が短くなる傾向にある。最も好ましくは不純
物を意図的にドープしない状態、即ちアンドープとす
る。なおアクセプターしてMgを用いた場合、GaNマ
トリックスで現在のSIMSによる検出限界はおよそ5
×1016/cm3程度である。
【0021】第3の態様は、本発明の最も好ましい態様
を示し、第1の態様と、第2の態様とを結合させたもの
であり、超格子層の作用は同じであるので省略する。
【0022】本発明の素子の大きな特徴として、全ての
態様において、前記超格子層をn型窒化物半導体層、お
よびp型窒化物半導体層両方に設けた場合、n側の第1
の窒化物半導体層には、p側の第1の窒化物半導体層よ
りもAl混晶比の大きい窒化物半導体層を有しているこ
とが望ましい。好ましくは活性層から最も離れた側にあ
るAlを含む第1の窒化物半導体層のAl混晶比を、p
側よりもn側の方を大きくする。これは光閉じ込めに関
係する。窒化物半導体の場合、n側には窒化物半導体基
板、n側コンタクト層等の、クラッド層よりも屈折率が
大きい透明な材料がクラッド層の外側に存在する。これ
らの材料はクラッド層から光が漏れるとその内部で光が
導波して、レーザ素子ではレーザ光のFFPの形状を乱
す。また横モードがマルチとなって閾値を上昇させる原
因ともなる。そのため、n側の方に光が漏れないように
するために、Al混晶比の大きい第1の窒化物半導体層
を含む超格子をn側の方に存在させるのである。一方、
p側の方はFFPの形状を乱すようなものがp側クラッ
ド層の外側にはほとんどないか、あったとしても膜厚が
非常に薄いので導波しにくい。そのためp側にはAl混
晶比の大きい第1の窒化物半導体層を、n側のように設
けなくてもよい。またAl混晶比の大きい窒化物半導体
層は少ないものに比較して抵抗率が高いため、p層側に
存在させると、Vfが上昇しやすい傾向にある。
【0023】さらに、本発明の次なる特徴として、全て
の態様において、前記超格子層をn型窒化物半導体層、
およびp型窒化物半導体層両方に設けた場合、n側にあ
る超格子層全体の膜厚よりも、p側にある超格子層全体
の膜厚を薄くすることが望ましい。これは、n、pの窒
化物半導体の抵抗率による。窒化物半導体を超格子とし
た場合、n型よりもp型の方が抵抗率が高い傾向にあ
る。しかもAlを含む窒化物半導体はAlを含まないも
のよりも抵抗率が大きい。p層側を厚くするとVfが高
くなって、素子の発熱量が大きくなる傾向にある。その
ため、本発明のようにn層側よりも、p層側を薄くする
ことにより、Vfの上昇を抑えた信頼性の高い素子を作
製することができる。具体的な膜厚として、n側を10
0オングストローム以上、5μm以下、p層側は50オ
ングストローム以上、2μm以下にすることが望まし
い。
【0024】本発明の素子においてn側、p側にある超
格子層には、少なくとも導電型を決定する不純物が含ま
れているが、前記のように不純物を変調ドープすると超
格子層の結晶性が良くなり閾値が低下する。このような
変調ドープの手法は、本発明の第2、第3の態様だけで
はなく、第1の態様に適用することもできる。ただし第
1の態様において、不純物の濃度を必ずしも活性層に接
近するに従って、小さくなるようにする必要はない。
【0025】本発明の全ての態様において、超格子層の
活性層に接近した側にある膜厚0.3μm以下の領域
は、不純物がドープされていないアンドープ層であるこ
とが望ましいことは先に述べたが、さらに好ましくは
0.2μm以下、最も好ましくは0.1μm以下とす
る。0.3μmよりもアンドープの領域が多いと、アン
ドープ領域の抵抗率が大きくなるので、閾値が上昇して
素子が発熱しやすい傾向にある。特にその傾向はp層側
に強く、p層側のアンドープ領域はn層側よりも薄くす
ることが望ましい。但し、Mgのようなアクセプターは
ドナーよりも拡散しやすい傾向にあり、p層側のアンド
ープ層は、外側のMgをドープした層からMgが拡散さ
れて完全なアンドープとなっておらず、p−の状態とな
っていることが多い。
【0026】次に、超格子層よりなるn側クラッド層
7、p側クラッド層10は活性層8に接して形成する
と、クラッド層の活性層に接近した領域が、光ガイド層
となって導波路領域を形成し、閾値が低下することは前
にも述べたが、クラッド層と活性層との間に、他の窒化
物半導体よりなる層を形成することもできる。例えばn
側、p側クラッド層の活性層の最も接近した側にある窒
化物半導体層と同一組成で、活性層の光ガイド層となる
層を形成することもできる。また光ガイド層を本発明の
第1の態様、第2の態様および第3の態様とすることも
できる。
【0027】さらに、活性層は少なくとも一つの井戸層
を有する量子井戸構造よりなる場合、図2のバンド図に
示すように、p側の超格子層とその活性層との間に、井
戸層よりもバンドギャップエネルギーが大きくAlを含
む窒化物半導体よりなるキャップ層を0.1μm以下の
膜厚で形成すると、レーザ素子、LED素子のような発
光素子ではさらに高出力となる。好ましい膜厚としては
800オングストローム以下、さらに好ましくは500
オングストローム以下にする。0.1μmよりも厚いと
キャリアがこのエネルギーバリアのあるキャップ層をト
ンネル効果により通過できなくなり、出力の向上が少な
い。なおこのキャップ層は活性層に接してn側にも設け
ることができる。
【0028】
【実施例】
[実施例1](第3の態様) 図1は本発明の一実施例に係るレーザ素子の形状を示す
模式的な断面図でありリッジストライプに垂直な方向で
切断した際の図を示すものである。以下、この図を元に
本発明の素子を説明する。
【0029】(下地層)サファイアよりなる異種基板1
の上に、MOVPE法を用いて500℃前後の低温でG
aNよりなるバッファ層(図示せず)を200オングス
トロームの膜厚で成長させ、そのバッファ層の上に90
0℃以上で、アンドープGaNよりなる下地層2を4μ
mの膜厚で成長させる。この下地層は保護膜を部分的に
表面に形成して、次に窒化物半導体基板の選択成長を行
うための下地層として作用する。そのため次の層を結晶
性良く成長させるためアンドープとすることが最も好ま
しい。下地層の膜厚はバッファ層よりも厚い膜厚で成長
させて、10μm以下の膜厚に調整することが望まし
い。基板はサファイアの他、SiC、ZnO、スピネ
ル、GaAs等、窒化物半導体を成長させるために知ら
れている、窒化物半導体と異なる材料よりなる基板を用
いることができる。なおこの下地層は結晶欠陥が例えば
109個/cm2以上と多く、窒化物半導体基板とはならな
い。
【0030】(保護膜3)下地層成長後、下地層2の表
面に、ストライプ状のフォトマスクを形成し、CVD装
置によりストライプ幅10μm、ストライプ間隔(窓
部)2μmのSiO 2よりなる保護膜3を1μmの膜厚
で形成する。保護膜の形状としてはストライプ状、ドッ
ト状、碁盤目状等どのような形状でも良いが、窓部より
も保護膜の面積を大きくする方が、次に成長させる結晶
欠陥の少ない窒化物半導体基板が得られる。保護膜の材
料としては、例えば酸化ケイ素(SiOX)、窒化ケイ
素(SiXY)、酸化チタン(TiOX)、酸化ジルコ
ニウム(ZrOX)等の酸化物、窒化物、またこれらの
多層膜の他、1200℃以上の融点を有する金属等を用
いることができる。
【0031】(窒化物半導体基板4)保護膜3形成後、
MOVPE法を用い、アンドープGaNよりなる窒化物
半導体基板4を10μmの膜厚で成長させる。成長後の
窒化物半導体基板4は、表面に現れる結晶欠陥が下地層
2よりも少なく、例えば107個/cm2以下しかなく、結
晶性の良い窒化物半導体を成長させるのに十分な窒化物
半導体基板として使用できる。
【0032】(n側コンタクト層5)次に、窒化物半導
体基板4の上に、Siを1×1019/cm3ドープしたG
aNよりなるn側コンタクト層5を4μmの膜厚で成長
させる。
【0033】(クラック防止層6)次に、Siを5×1
18/cm3ドープしたIn0.06Ga0.94Nよりなるクラ
ック防止層6を0.15μmの膜厚で成長させる。な
お、このクラック防止層は省略可能である。
【0034】(n側クラッド層7=超格子層)次に1回
目にSiを5×1018/cm3ドープしたGaN層を25
オングストローム成長させ、続いてアンドープAl0.30
Ga0.70N層を25オングストロームの膜厚で成長させ
る。そして2回目に、Si含有ガスの量を若干少なくし
てGaN層を25オングストローム成長させ、続いてA
l含有ガスの量を若干少なくして、アンドープで、およ
そAl0.29Ga0.71N層を25オングストロームの膜厚
で成長させる。なお、Al0.29Ga0.71Nの混晶比は正
確な値ではない。3回目以降は、GaN層の先に成長さ
せたGaNよりもSiガス量をさらに少なくして、Si
ドープGaN層を成長させて、続いて先に成長させたA
lGaNよりもAl含有量がさらに少ないアンドープA
lGaN層を成長させる。このようにして、Siの含有
量が活性層に接近するに従って、徐々に少なくなって行
くSiドープGaN層と、アンドープAlXGa1-XN層
とを合わせて1.2μm(240ペア)成長させた後、
Si含有ガスを止め、アンドープGaN層を25オング
ストローム、先に成長させたAlGaNよりもさらにA
l含有量が少ないアンドープAlGaNを25オングス
トローム成長させる。そしてAlGaNの組成のみを変
化させながら、0.1μm(20ペア)の膜厚で最後が
アンドープGaNと、アンドープGaNとになるように
成長させることにより、Al含有量が次第に少なくなっ
て行くAlGaNと、Si含有量が次第に少なくなって
行くGaNとからなる超格子構造のn側クラッド層7を
1.3μmの膜厚で成長させる。
【0035】(活性層8)次にアンドープIn0.01Ga
0.95Nよりなる障壁層を100オングストロームの膜厚
で成長させ、続いてアンドープIn0.2Ga0.8Nよりな
る井戸層を30オングストロームの膜厚で成長させる。
障壁+井戸+障壁+井戸+障壁の順で、総膜厚360オ
ングストロームの多重量子井戸構造(MQW)の活性層
8を成長させる。活性層は本実施例のようにアンドープ
でもよいし、またドナー及び/又はアクセプターをドー
プしても良い。ドナー、アクセプターは井戸層、障壁層
両方にドープしても良く、いずれか一方にドープしても
よい。
【0036】(p側キャップ層9)次に、Mgを1×1
20/cm3ドープしたp型Al0.3Ga0.7Nよりなるp
側キャップ層9を300オングストロームの膜厚で成長
させる。このp型キャップ層は0.1μm以下の膜厚で
形成することにより素子の出力が向上する傾向にある。
膜厚の下限は特に限定しないが、10オングストローム
以上の膜厚で形成することが望ましい。このキャップ層
も省略可能である。
【0037】(p側クラッド層10)次に1回目にアン
ドープGaN層を25オングストローム成長させ、続い
てAl含有ガスをわずかに流してAlを極微量含有した
AlGaN層を25オングストロームの膜厚で成長させ
る。そして2回目に、同じくアンドープGaNを25オ
ングストローム成長させ、続いてAl含有ガスの量を若
干多くしてAlGaNを25オングストローム成長させ
る。3回目以降は、先に成長させたAlGaNよりもA
l含有量が若干多いアンドープAlGaN層を成長させ
る。このようにして、アンドープGaN層25オングス
トロームと、Al含有量が若干ではあるが次第に多くな
って行くアンドープAlGaN層25オングストローム
とを交互に積層し、500オングストローム(10ペ
ア)成長させる。10ペア成長後、続いて、Mg含有ガ
スをわずかに流して、Mgを極微量ドープしたMgドー
プGaN層を25オングストローム成長させ、続いて先
に成長させたアンドープAlGaN層よりもAl含有量
が多いAlGaN層を25オングストロームの膜厚で成
長させる。次に、活性層から離れるに従って、Mgの量
が徐々に多くなって行くMgドープGaN層25オング
ストロームと、同じく活性層から離れるに従ってAlの
量が次第に多くなって行くアンドープAlXGa1-XN層
25オングストロームとを交互に積層して、最後にMg
を8×1019/cm3ドープしたGaN層を成長させ、そ
の次にアンドープAl0.2Ga0.8N層を成長させ、合計
で0.75μm(150ペア)成長させる。このように
して、活性層から離れるに従って、Mg含有量が次第に
多くなって行くGaN層と、Al含有量が次第に多くな
って行くAlGaN層とからなる超格子構造のp側クラ
ッド層10を0.8μmの膜厚で成長させる。
【0038】このように超格子層よりなるn側クラッド
層7を1.3μm、(バンドギャップエネルギーが最大
でAl0.3Ga0.7N)、p側クラッド層10を0.8μ
m(バンドギャップエネルギーが最大でAl0.2Ga0.8
N)とを成長させることにより、活性層の発光が導波路
領域で閉じ込められやすくなり、閾値の低下したレーザ
素子を実現できる。
【0039】(p側コンタクト層11)最後に、p側ク
ラッド層10の上に、Mgを1×1020/cm3ドープし
たp型GaNよりなるp側コンタクト層11を150オ
ングストロームの膜厚で成長させる。
【0040】以上のようにして窒化物半導体を成長させ
たウェーハを反応容器内において、窒素雰囲気中700
℃でアニーリングを行い、p型不純物をドープした層を
さらに低抵抗化させた後、RIE(反応性イオンエッチ
ング装置)により、n側コンタクト層5の表面を露出さ
せる。
【0041】次に、図1に示すようにp側コンタクト層
11と、p側クラッド層10とをエッチングして、4μ
mのストライプ幅を有するリッジ形状とする。さらにリ
ッジの側面にZrO2よりなる絶縁膜22を形成した
後、その絶縁膜を介して、NiとAuよりなるp電極2
0を形成し、一方、TiとAlよりなるn電極22を先
ほど露出させたn側コンタクト層5の表面にストライプ
状に形成する。
【0042】以上のようにして、n電極とp電極とを形
成したウェーハのサファイア基板を研磨して70μmと
した後、ストライプ状の電極に垂直な方向で、基板側か
らバー状に劈開し、劈開面(11−00面)に共振器を
作製する。共振器面にSiO 2とTiO2よりなる誘電体
多層膜を形成し、最後にp電極に平行な方向で、バーを
切断してレーザ素子とする。
【0043】このレーザ素子の異種基板1の裏面側をヒ
ートシンクに設置し、それぞれの電極をワイヤーボンデ
ィングして、室温でレーザ発振を試みたところ、室温で
レーザ発振を示し、我々がJpn.J.Appl.Phys.Vol.36(199
7)に発表したものに比較して、閾値が50%以上低下
し、20mWの出力において、3000時間以上の連続
発振を示し、しかもレーザ光の形状は上下左右対称な楕
円形を有し単一モードであった。
【0044】[実施例2](第1の態様) 実施例1において、n側クラッド層7を成長させる際
に、GaN層にドープするSiの量を1×1018/cm3
と一定にし、AlGaN層のみ活性層に接近するに従っ
て、Al混晶比を小さくする他は同様にして超格子層を
成長させる。但し、活性層に接近した側にある0.1μ
mの膜厚のGaN層とAlGaN層とを積層した領域は
同様にしてアンドープとする。
【0045】またp側クラッド層10を成長させる際
に、GaNにドープするMgの量を5×1019/cm3
一定にし、AlGaN層のみ活性層から離れるに従っ
て、Al混晶比を大きくする他は同様にして超格子層を
成長させる。但し、活性層に接近した側にある800オ
ングストロームの膜厚のGaN層とAlGaN層とを積
層した領域は、同様にしてアンドープとする。
【0046】その他は全て実施例1と同様にしてレーザ
素子を作製したところ、このレーザ素子は実施例1に比
較して若干閾値は上昇したが、20mWの出力におい
て、2000時間以上の単一モードの連続発振を示し
た。
【0047】[実施例3](第2の態様) 実施例1において、n側クラッド層7を成長させる際
に、AlGaN層のAl混晶比をAl0.20Ga0.80Nと
一定にして、GaNにドープするSiの量を活性層に接
近するに従って少なくする他は同様にして超格子層を成
長させる。但し、活性層に接近した側にある0.1μm
の膜厚のGaN層とAlGaN層とを積層した領域は同
様にしてアンドープとする。
【0048】またp側クラッド層10を成長させる際
に、AlGaNのAl混晶比をAl0. 15Ga0.85Nと一
定にして、GaNにドープするMgの量を活性層から離
れるに従って大きくする他は同様にして超格子層を成長
させる。但し、活性層に接近した側にある800オング
ストロームの膜厚のGaN層とAlGaN層とを積層し
た領域は、同様にしてアンドープとする。
【0049】その他は全て実施例1と同様にしてレーザ
素子を作製したところ、このレーザ素子も実施例1に比
較して若干閾値は上昇したが、20mWの出力におい
て、1000時間以上の単一モードの連続発振を示し
た。
【0050】[実施例4]実施例1においてp側キャッ
プ層9を成長させない他は、実施例1と同様にしてレー
ザ素子を作製したところ、同一電流値での出力は実施例
1のものに比較して、若干低下したが、20mWでの出
力において、寿命は2500時間以上を示した。
【0051】[実施例5]図3は本発明の他の実施例に
係るレーザ素子の構造を示す模式断面図である。図1と
同一符号は同一部材を示しているものとする。以下この
図を元に説明する。
【0052】実施例1と同様にして、サファイアよりな
る異種基板1の上に、MOVPE法を用いてアンドープ
GaNよりなる下地層2を4μmの膜厚で成長させた
後、ストライプ状の保護膜3を形成する。
【0053】(窒化物半導体基板44)保護膜形成後、
MOVPE法を用い、SiドープGaNよりなる窒化物
半導体層を10μmの膜厚で成長させ、保護膜3上部を
GaNで覆った後、HVPE装置に移送し、Gaメタ
ル、HClガス、NH3、シランガスを用いて、Siを
5×1017/cm3ドープしたGaNよりなる窒化物半導
体基板44を500μmの膜厚で成長させる。成長後、
サファイア基板1、保護膜3、およびアンドープGaN
層領域を研磨除去し、窒化物半導体基板44を作製す
る。
【0054】その後、MOVPE装置を用いて、窒化物
半導体基板44(研磨側でない方)の上に、クラック防
止層6から上の層を積層させる。成長後、研磨面の窒化
物半導体基板にSiを高濃度にドープしたSi高濃度領
域を形成し、n電極形成層44’とする。
【0055】その後図3に示すようにリッジを形成し、
n電極21を電極形成層44のほぼ全面に形成する以外
は、実施例1と同様にしてレーザ素子を作製する。図3
に示すレーザ素子はSiをドープしたGaNを基板とし
ているため、基板側から電極を取ることが可能となる。
このレーザ素子も実施例1のレーザ素子とほぼ同等の特
性を有する素子が得られた。
【0056】
【発明の効果】以上説明したように、本発明の素子では
活性層に接近するに従って、Al組成が少なくなるか、
および/または不純物濃度が少なくなるクラッド層を有
していることにより、ほとんどの光が導波路内に閉じ込
められ、レーザ光が単一モードとなり、閾値が低下す
る。そのためレーザ素子が高出力において、長寿命にで
きるようになったので、本発明を用いることにより、レ
ーザを書き込み用光源として実用化させるのに非常に重
要である。また本明細書では、最も過酷な条件で使用さ
れるレーザ素子について説明したが、本発明はレーザ素
子だけでなく、LED、受光素子のように窒化物半導体
を用いた他のあらゆる電子デバイスに適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の一実施例に係るレーザ素子の構造を
示す模式断面図。
【図2】 図1のn型クラッド層7からp側クラッド層
10までのエネルギーバンドを示す図
【図3】 本発明の他の実施例に係るレーザ素子の構造
を示す模式断面図。
【符号の説明】
1・・・・異種基板 2・・・・下地層 3・・・・保護膜 4、44・・・・窒化物半導体基板 5・・・・n側コンタクト層 6・・・・クラック防止層 7・・・・n側クラッド層 8・・・・活性層 9・・・・p側キャップ層 10・・・・p側クラッド層 11・・・・p側コンタクト層 20・・・・p電極 21・・・・n電極 22・・・・絶縁膜 44’・・・n電極形成層

Claims (9)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 n型窒化物半導体層とp型窒化物半導体
    層との間に活性層を有する窒化物半導体素子において、
    前記n型およびp型窒化物半導体層の内の少なくとも一
    方に、Alを含む第1の窒化物半導体層と、第1の窒化
    物半導体層と組成の異なる第2の窒化物半導体層とが積
    層された超格子層が設けられ、前記第1の窒化物半導体
    層は活性層に接近するにつれて、Alの含有量が少なく
    なるようにされていることを特徴とする窒化物半導体素
    子。
  2. 【請求項2】 n型窒化物半導体層とp型窒化物半導体
    層との間に活性層を有する窒化物半導体素子において、
    前記n型およびp型窒化物半導体層の内の少なくとも一
    方に、Alを含む第1の窒化物半導体層と、第1の窒化
    物半導体層と組成の異なる第2の窒化物半導体層とが積
    層された超格子層が設けられ、その超格子層に含まれる
    導電型を決定する不純物が、活性層に接近するにつれ
    て、少なくなるように調整されていることを特徴とする
    窒化物半導体素子。
  3. 【請求項3】 n型窒化物半導体層とp型窒化物半導体
    層との間に活性層を有する窒化物半導体素子において、
    前記n型およびp型窒化物半導体層の内の少なくとも一
    方に、Alを含む第1の窒化物半導体層と、第1の窒化
    物半導体層と組成の異なる第2の窒化物半導体層とが積
    層された超格子層が設けられ、前記第1の窒化物半導体
    層は活性層に接近するにつれて、Alの組成が少なくな
    るようにされており、さらに、その超格子層に含まれる
    導電型を決定する不純物が、活性層に接近するにつれ
    て、少なくなるように調整されていることを特徴とする
    窒化物半導体素子。
  4. 【請求項4】 前記超格子層はn型窒化物半導体層、お
    よびp型窒化物半導体層両方に設けられており、n側の
    第1の窒化物半導体層には、p側の第1の窒化物半導体
    層よりもAl混晶比の大きい窒化物半導体層を有するこ
    とを特徴とする請求項1乃至3の内のいずれか1項に記
    載の窒化物半導体素子。
  5. 【請求項5】 前記超格子層はn型窒化物半導体層、お
    よびp型窒化物半導体層両方に設けられており、n側に
    ある超格子層全体の膜厚よりも、p側にある超格子層全
    体の膜厚が薄いことを特徴とする請求項1乃至4の内の
    いずれか1項に記載の窒化物半導体素子。
  6. 【請求項6】 前記超格子層には導電型を決定する不純
    物が含まれ、その不純物が、前記第1の窒化物半導体
    層、または前記第2の窒化物半導体層の内のいずれか一
    方に含まれることを特徴とする請求項1乃至5の内のい
    ずれか1項に記載の窒化物半導体素子。
  7. 【請求項7】 前記超格子層の活性層に接近した側にあ
    る膜厚0.3μm以下の層は、不純物がドープされてい
    ないアンドープ層であることを特徴とする請求項1乃至
    6の内のいずれか1項に記載の窒化物半導体素子。
  8. 【請求項8】 前記超格子層が活性層に接して形成され
    ていることを特徴とする請求項1乃至7の内のいずれか
    1項に記載の窒化物半導体素子。
  9. 【請求項9】 前記第1の窒化物半導体層がAlXGa
    1-XN(0<X<1)よりなり、前記第2の窒化物半導体
    層がGaNよりなることを特徴とする請求項1乃至8の
    内のいずれか1項に記載の窒化物半導体素子。
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