JPH11261107A - 半導体発光素子 - Google Patents
半導体発光素子Info
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- JPH11261107A JPH11261107A JP6532198A JP6532198A JPH11261107A JP H11261107 A JPH11261107 A JP H11261107A JP 6532198 A JP6532198 A JP 6532198A JP 6532198 A JP6532198 A JP 6532198A JP H11261107 A JPH11261107 A JP H11261107A
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Abstract
(57)【要約】
【目的】低閾値電流密度で発振する窒化物系の半導体レ
ーザを提供する。 【構成】ウルツ鉱型の結晶構造を有し、２種類以上の金
属イオンを構成元素として含有し、熱膨張係数に異方性
を有する結晶基板〔例えば、ガリウム酸リチウム（Ｌｉ
ＧａＯ2）基板〕上に、Ｉｎ1-X-YＧａXＡｌYＮ（ただ
し、０≦Ｘ、Ｙ、Ｘ＋Ｙ≦１）なる組成の薄膜を少なく
とも１層積層し、上記結晶基板と、その上に積層された
上記薄膜内に誘起される一軸性歪みを有する半導体発光
素子とする。
ーザを提供する。 【構成】ウルツ鉱型の結晶構造を有し、２種類以上の金
属イオンを構成元素として含有し、熱膨張係数に異方性
を有する結晶基板〔例えば、ガリウム酸リチウム（Ｌｉ
ＧａＯ2）基板〕上に、Ｉｎ1-X-YＧａXＡｌYＮ（ただ
し、０≦Ｘ、Ｙ、Ｘ＋Ｙ≦１）なる組成の薄膜を少なく
とも１層積層し、上記結晶基板と、その上に積層された
上記薄膜内に誘起される一軸性歪みを有する半導体発光
素子とする。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、ウルツ鉱型の結晶
構造で２種類以上の金属イオンを含む熱膨張係数に異方
性を有する結晶基板上に、ＩｎＧａＡｌＮ系の半導体薄
膜を積層して、一軸性歪みを上記半導体薄膜内に誘起さ
せて、低閾値電流密度で発振するレーザ等の半導体発光
素子に関する。
構造で２種類以上の金属イオンを含む熱膨張係数に異方
性を有する結晶基板上に、ＩｎＧａＡｌＮ系の半導体薄
膜を積層して、一軸性歪みを上記半導体薄膜内に誘起さ
せて、低閾値電流密度で発振するレーザ等の半導体発光
素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来のＧａＮ／ＡｌＧａＮ、あるいはＩ
ｎＧａＮ／ＧａＮ量子井戸構造を用いた窒化物系半導体
発光素子では、基板として六方晶系のサファイアやＳｉ
Ｃを基板に用いている。このような素子では、基板とそ
の上に成長させた薄膜の結晶の対称性は共に六方晶系で
あるため、ｃ−面内の格子定数の違いや熱膨張係数の違
いにより２軸性の応力による歪みが薄膜結晶内に生じ
る。本来、六方晶のウルツ鉱型窒化物半導体では、伝導
帯および価電子帯の大きな状態密度のために、閾値電流
密度が大きいことが指摘され、この閾値電流密度を下げ
ることが応用上から重要となる。上野山らは、以下のこ
とを理論的な計算から指摘した（上野山、鈴木：応用物
理 第６６巻 第９号 ９５６ページ）。すなわち、上述
した六方晶系からなる基板上に成長したＧａＮ膜に誘起
される２軸性歪みでは、六方晶ＧａＮの対称性が保た
れ、ＧａＮの価電子帯上端の状態密度はあまり変化しな
い。つまり、一般に、上記の状態密度の低下に伴いレー
ザ発振閾値電流が低下するという物理には、２軸性歪み
は何ら効果を有しないことを示した。さらに、これを解
決するためには、ＧａＮ膜に一軸性応力を加えることに
より、その対称性を低下させることができ、その結果、
閾値電流密度を低下できることを指摘した。しかし、具
体的な手法についての提案がなかった。その理由は、膜
に一軸性歪みを誘起できるような適切な基板材料が見当
らなく、その実現が困難であったためと推測される。
ｎＧａＮ／ＧａＮ量子井戸構造を用いた窒化物系半導体
発光素子では、基板として六方晶系のサファイアやＳｉ
Ｃを基板に用いている。このような素子では、基板とそ
の上に成長させた薄膜の結晶の対称性は共に六方晶系で
あるため、ｃ−面内の格子定数の違いや熱膨張係数の違
いにより２軸性の応力による歪みが薄膜結晶内に生じ
る。本来、六方晶のウルツ鉱型窒化物半導体では、伝導
帯および価電子帯の大きな状態密度のために、閾値電流
密度が大きいことが指摘され、この閾値電流密度を下げ
ることが応用上から重要となる。上野山らは、以下のこ
とを理論的な計算から指摘した（上野山、鈴木：応用物
理 第６６巻 第９号 ９５６ページ）。すなわち、上述
した六方晶系からなる基板上に成長したＧａＮ膜に誘起
される２軸性歪みでは、六方晶ＧａＮの対称性が保た
れ、ＧａＮの価電子帯上端の状態密度はあまり変化しな
い。つまり、一般に、上記の状態密度の低下に伴いレー
ザ発振閾値電流が低下するという物理には、２軸性歪み
は何ら効果を有しないことを示した。さらに、これを解
決するためには、ＧａＮ膜に一軸性応力を加えることに
より、その対称性を低下させることができ、その結果、
閾値電流密度を低下できることを指摘した。しかし、具
体的な手法についての提案がなかった。その理由は、膜
に一軸性歪みを誘起できるような適切な基板材料が見当
らなく、その実現が困難であったためと推測される。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記従来技
術における問題点を解決するためになされたものであっ
て、その目的とするところは、低閾値電流密度で発振す
る窒化物系の半導体レーザを提供することにある。
術における問題点を解決するためになされたものであっ
て、その目的とするところは、低閾値電流密度で発振す
る窒化物系の半導体レーザを提供することにある。
【０００４】
【課題を解決するための手段】上記本発明の目的を達成
するために、本発明は特許請求の範囲に記載のような構
成とするものである。すなわち、本発明は請求項１に記
載のように、ウルツ鉱型の結晶構造を有し、２種類以上
の金属イオンを構成元素として含有し、熱膨張係数に異
方性を有する結晶基板上に、Ｉｎ1-X-YＧａXＡｌYＮ
（ただし、０≦Ｘ、Ｙ、Ｘ＋Ｙ≦１）なる組成の薄膜を
少なくとも１層積層し、上記結晶基板と、その上に積層
された上記薄膜内に誘起される一軸性歪みを有する半導
体発光素子とするものである。また、本発明は請求項２
に記載のように、請求項１において、結晶基板はガリウ
ム酸リチウム（ＬｉＧａＯ2）とするものである。ま
た、本発明は請求項３に記載のように、請求項１または
請求項２において、少なくとも１層積層した積層構造が
半導体レーザ構造であり、該半導体レーザ構造の共振器
の光導波方向である軸方向がＬｉＧａＯ2基板面内にあ
り、かつ、ＬｉＧａＯ2基板の［１００］結晶方位が共
振器の軸方向と平行である半導体発光素子とするもので
ある。また、本発明は請求項４に記載のように、請求項
３において、共振器の軸方向がＬｉＧａＯ2基板面に対
して垂直である半導体発光素子とするものである。上記
請求項１ないし請求項４に記載の半導体発光素子構造と
することにより、基板上に積層した半導体膜に一軸性の
歪みが誘起されるため、発光層における価電子帯の縮退
が解消でき、低キャリア注入密度で発光層内にキャリア
の反転分布を形成することができ、例えば、半導体レー
ザ発振の閾値電流を低下できる効果がある。
するために、本発明は特許請求の範囲に記載のような構
成とするものである。すなわち、本発明は請求項１に記
載のように、ウルツ鉱型の結晶構造を有し、２種類以上
の金属イオンを構成元素として含有し、熱膨張係数に異
方性を有する結晶基板上に、Ｉｎ1-X-YＧａXＡｌYＮ
（ただし、０≦Ｘ、Ｙ、Ｘ＋Ｙ≦１）なる組成の薄膜を
少なくとも１層積層し、上記結晶基板と、その上に積層
された上記薄膜内に誘起される一軸性歪みを有する半導
体発光素子とするものである。また、本発明は請求項２
に記載のように、請求項１において、結晶基板はガリウ
ム酸リチウム（ＬｉＧａＯ2）とするものである。ま
た、本発明は請求項３に記載のように、請求項１または
請求項２において、少なくとも１層積層した積層構造が
半導体レーザ構造であり、該半導体レーザ構造の共振器
の光導波方向である軸方向がＬｉＧａＯ2基板面内にあ
り、かつ、ＬｉＧａＯ2基板の［１００］結晶方位が共
振器の軸方向と平行である半導体発光素子とするもので
ある。また、本発明は請求項４に記載のように、請求項
３において、共振器の軸方向がＬｉＧａＯ2基板面に対
して垂直である半導体発光素子とするものである。上記
請求項１ないし請求項４に記載の半導体発光素子構造と
することにより、基板上に積層した半導体膜に一軸性の
歪みが誘起されるため、発光層における価電子帯の縮退
が解消でき、低キャリア注入密度で発光層内にキャリア
の反転分布を形成することができ、例えば、半導体レー
ザ発振の閾値電流を低下できる効果がある。
【０００５】本発明者らは、基板材料としてウルツ鉱型
の結晶構造を有し、２種類以上の金属イオンよりなる酸
化物、または炭化物、もしくは窒化物の結晶が有効であ
ろうと考えた。なぜなら、ウルツ鉱型の化合物であって
も金属イオンが１種類であれば、ｃ−面内での結合状態
は等方的であり、熱膨張係数に異方性はない。しかる
に、同じウルツ鉱型結晶であっても金属イオンが２種類
以上あれば、ｃ−面内での結合状態に異方性が現われ、
したがって熱膨張係数に異方性が期待できる。その一例
として、六方晶系のウルツ鉱型からわずかに歪んだ構造
を有する酸化物であるＬｉＧａＯ2（以下ＬＧＯと略
称）に注目した。ここでＬＧＯの結晶構造は、Ｇａ、Ｌ
ｉの規則的な配列様式からｂ−軸方向に２倍の格子の繰
り返しを有する。さらに、ＬｉとＧａのイオン半径の違
い、あるいは結合状態の異方性により、結晶格子がｂ−
軸方向に伸びた、言い替えると、ａ−軸方向に縮んだ結
晶格子をとるため歪んだウルツ鉱型になり斜方晶系をと
る。 本発明者らは、結晶学的極性の一方向に揃った単
結晶を初めて育成することに成功した（特願平９−３３
２６２号）。この単結晶から長手方向が、それぞれ［１
００］、［０１０］、［１２０］で、大きさ３ｍｍ×３
ｍｍ×２０ｍｍの棒状試料を切り出して、熱膨張測定装
置（dilatometer）を用いて、熱膨張係数を室温から８
００℃までの温度範囲にわたって測定した。その結果、
ＬＧＯのｃ−面内の［０１０］方向および［１００］方
向の熱膨張係数は、それぞれ、１１×１０~6／Ｋと、
３.８×１０~6／Ｋであり、ｃ−面内に強い異方性を有
することが分かった。この基板結晶の熱膨張係数の異方
性は、原子間の結合力が［０１０］方向より［１００］
方向に強いことが起因していると考えられる。次に、Ｌ
ＧＯ基板上に、ＧａＮ薄膜を成長させたときの成長方位
関係は、ＧａＮの［−１−１２０］方位とＬＧＯの［０
１０］方位とは平行であった。図１に、ＬＧＯ（００
１）面基板とＧａＮ（０００１）面膜との間での原子配
列の対応と、熱膨張係数との関係を示す。この図から、
ＧａＮのｃ−面内の熱膨張係数５.５９×１０~6／Ｋと
比較すると、ＧａＮ薄膜には、ＬＧＯ基板の［０１０］
方向には圧縮歪みが、［１００］方向には引張り歪みが
起きることが分かる。このためにＧａＮ薄膜は、本来の
六方晶から歪む。すなわち、ＬＧＯ基板のｃ−面内の熱
膨張係数の異方性によりこの基板上に成長させたＧａＮ
薄膜には一軸性応力が誘起され、さらに、基板の結晶対
称性を引き継ぐために、六方晶より対称性が低下した構
造を取ることになる。よって、この基板上に作製したレ
ーザの発振閾値電流密度を低下させることができる。従
来から使われている六方晶系のサファイアやＳｉＣのよ
うな基板上に成長したＧａＮ膜には、二軸性応力が発生
するだけである。これに対して、ＧａＮ系半導体レーザ
において、基板結晶にＬＧＯを用いることにより、一軸
性応力を基板上に積層した膜内に誘起できる。このた
め、ＬＧＯ基板を用いて作製したレーザの発振閾値電流
密度を、従来の六方晶の基板を用いた場合に比べて低下
できるようになった。
の結晶構造を有し、２種類以上の金属イオンよりなる酸
化物、または炭化物、もしくは窒化物の結晶が有効であ
ろうと考えた。なぜなら、ウルツ鉱型の化合物であって
も金属イオンが１種類であれば、ｃ−面内での結合状態
は等方的であり、熱膨張係数に異方性はない。しかる
に、同じウルツ鉱型結晶であっても金属イオンが２種類
以上あれば、ｃ−面内での結合状態に異方性が現われ、
したがって熱膨張係数に異方性が期待できる。その一例
として、六方晶系のウルツ鉱型からわずかに歪んだ構造
を有する酸化物であるＬｉＧａＯ2（以下ＬＧＯと略
称）に注目した。ここでＬＧＯの結晶構造は、Ｇａ、Ｌ
ｉの規則的な配列様式からｂ−軸方向に２倍の格子の繰
り返しを有する。さらに、ＬｉとＧａのイオン半径の違
い、あるいは結合状態の異方性により、結晶格子がｂ−
軸方向に伸びた、言い替えると、ａ−軸方向に縮んだ結
晶格子をとるため歪んだウルツ鉱型になり斜方晶系をと
る。 本発明者らは、結晶学的極性の一方向に揃った単
結晶を初めて育成することに成功した（特願平９−３３
２６２号）。この単結晶から長手方向が、それぞれ［１
００］、［０１０］、［１２０］で、大きさ３ｍｍ×３
ｍｍ×２０ｍｍの棒状試料を切り出して、熱膨張測定装
置（dilatometer）を用いて、熱膨張係数を室温から８
００℃までの温度範囲にわたって測定した。その結果、
ＬＧＯのｃ−面内の［０１０］方向および［１００］方
向の熱膨張係数は、それぞれ、１１×１０~6／Ｋと、
３.８×１０~6／Ｋであり、ｃ−面内に強い異方性を有
することが分かった。この基板結晶の熱膨張係数の異方
性は、原子間の結合力が［０１０］方向より［１００］
方向に強いことが起因していると考えられる。次に、Ｌ
ＧＯ基板上に、ＧａＮ薄膜を成長させたときの成長方位
関係は、ＧａＮの［−１−１２０］方位とＬＧＯの［０
１０］方位とは平行であった。図１に、ＬＧＯ（００
１）面基板とＧａＮ（０００１）面膜との間での原子配
列の対応と、熱膨張係数との関係を示す。この図から、
ＧａＮのｃ−面内の熱膨張係数５.５９×１０~6／Ｋと
比較すると、ＧａＮ薄膜には、ＬＧＯ基板の［０１０］
方向には圧縮歪みが、［１００］方向には引張り歪みが
起きることが分かる。このためにＧａＮ薄膜は、本来の
六方晶から歪む。すなわち、ＬＧＯ基板のｃ−面内の熱
膨張係数の異方性によりこの基板上に成長させたＧａＮ
薄膜には一軸性応力が誘起され、さらに、基板の結晶対
称性を引き継ぐために、六方晶より対称性が低下した構
造を取ることになる。よって、この基板上に作製したレ
ーザの発振閾値電流密度を低下させることができる。従
来から使われている六方晶系のサファイアやＳｉＣのよ
うな基板上に成長したＧａＮ膜には、二軸性応力が発生
するだけである。これに対して、ＧａＮ系半導体レーザ
において、基板結晶にＬＧＯを用いることにより、一軸
性応力を基板上に積層した膜内に誘起できる。このた
め、ＬＧＯ基板を用いて作製したレーザの発振閾値電流
密度を、従来の六方晶の基板を用いた場合に比べて低下
できるようになった。
【０００６】
【発明の実施の形態】次に、本発明の実施の形態につい
て説明する。なお、実施の形態は一つの例示であって、
本発明の技術的思想を逸脱しない範囲で、種々の変更あ
るいは改良を行い得ることは言うまでもない。 〈実施の形態１〉図２は本実施の形態の一例である半導
体発光素子の構成を示す模式図である。この発光素子
は、（００１）面ＬＧＯ（ＬｉＧａＯ2）基板上に、Ｉ
ｎ1-X-YＧａXＡｌYＮ（ただし、０≦Ｘ、Ｙ、Ｘ＋Ｙ≦
１）なる組成の薄膜層を複数積層して構成されている。
１はＬＧＯ基板、２は上記のＩｎ1-X-YＧａXＡｌYＮ
（ＩｎＧａＡｌＮと略称）よりなる層の積層領域を示
す。３は電流狭窄のためのＳｉＯ2よりなる電気的絶縁
膜である。また、４は、上記ＩｎＧａＡｌＮからなる層
の積層領域２上に、ＮｉとＡｕを順に積層したｐ型半導
体用金属電極であり、また、５は、ＩｎＧａＡｌＮから
なる層の積層領域２上に、ＴｉとＡｌを順に積層したｎ
型半導体用金属電極層である。ここで、ＩｎＧａＡｌＮ
からなる層の積層領域２の部分の詳細を、図３を用いて
説明する。図３において、６はＧａＮバッファ層、７は
シリコンドープｎ型ＧａＮ層、８はシリコンドープｎ型
Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎクラッド層、９はシリコンドープｎ型
ＧａＮ導波路層、１０はＩｎ0.2Ｇａ0.8Ｎ／Ｉｎ0.05Ｇ
ａ0.95Ｎ量子井戸構造からなる活性層、１１はマグネシ
ウムドープｐ型Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎバリア層、１２はマグ
ネシウムドープｐ型ＧａＮ導波路層、１３はマグネシウ
ムドープｐ型Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ｎクラッド層、１４はマ
グネシウムドープｐ型ＧａＮコンタクト層である。以下
に、本発明の半導体発光素子の具体的な作製方法につい
て説明する。図２に示すＬＧＯ基板１として、厚さ５０
０μｍの単結晶ＬＧＯを用いる。ＬＧＯ基板１の表面は
（００１）面であり、その表面は金属原子で構成された
極性面である。ＩｎＧａＡｌＮの成長には、有機金属気
相成長法を用いる。金属元素の原料としては、有機金属
化合物を用い、ガリウム（Ｇａ）にはトリメチルガリウ
ム（ＴＭＧ）、インジウム（Ｉｎ）にはトリメチルイン
ジウム（ＴＭＩ）、アルミニウム（Ａｌ）にはトリメチ
ルアルミニウム（ＴＭＡ）を、それぞれ用いる。有機金
属化合物のキャリアガスは水素（Ｈ2）であり、窒素
（Ｎ）原料はアンモニア（ＮＨ3）である。まず始め
に、低温成長のＧａＮバッファ層６を、５５０℃で成長
する。その厚さは２０ｎｍである。この層は、基板とＧ
ａＮとの間の格子不整合±２％弱の緩衝層としての働き
と、この後の成長温度８００℃での還元雰囲気から基板
表面を保護する働きをする。次に、このＧａＮバッファ
層６を、窒素雰囲気中で約８００℃で９分間アニールす
る。次に、ｎ型電極引き出し用にシリコンドープｎ型Ｇ
ａＮ層７を、約８００℃で厚さ３μｍ成長する。キャリ
ア濃度は３×１０18／ｃｍ3である。その上に、厚さ０.
５μｍのシリコンドープｎ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎクラッド
層８、厚さ０.１μｍのシリコンドープｎ型ＧａＮ導波
路層９、活性層としてノンドープＩｎ0.2Ｇａ0.8Ｎ（厚
さ３ｎｍ）／Ｉｎ0.05Ｇａ0.95Ｎ（厚さ６ｎｍ）３対か
らなる量子井戸構造１０、厚さ２０ｎｍのマグネシウム
ドープｐ型Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎバリア層１１、厚さ０.１
μｍのマグネシウムドープｐ型ＧａＮ導波路層１２、厚
さ０.５μｍのマグネシウムドープｐ型Ａｌ0.15Ｇａ
0.85Ｎクラッド層１３、厚さ０.１μｍのマグネシウム
ドープｐ型ＧａＮコンタクト層１４を連続して成長す
る。ｐ型電極の形成の前に、注入電流の集中をはかるた
めに、図２に示すように、電流狭窄層として電気的絶縁
膜３を形成する。その形状はマグネシウムドープｐ型Ｇ
ａＮコンタクト層１４の露出部の幅（共振器の軸方向に
垂直な方向）３μｍとする。次に、ｐ型ＧａＮコンタク
ト層１４上に、金属電極としてニッケル／金（図２にお
けるｐ型半導体用金属電極４）を蒸着する。次に、フォ
トリソグラフィ技術を用いて、ｐ型半導体用金属電極
４、シリコンドープｎ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎクラッド層８
からマグネシウムドープｐ型ＧａＮコンタクト層１４を
エッチングして除去し、電極引き出し用層であるシリコ
ンドープｎ型ＧａＮ層７を露出させる。この時、ｎ型Ｇ
ａＮ層７の一部がエッチングされてもよい。その後、図
２に示すように、ｎ型半導体用金属電極５を、シリコン
ドープｎ型ＧａＮ７の上に、チタン／アルミニウムを蒸
着して、パタニングして形成する。次にレーザ共振器の
形成方法について説明する。ＬＧＯ基板上に成長した膜
には、ＬＧＯの［０１０］方向に圧縮歪みが誘起される
が、この時レーザ光の偏向ベクトルを上記方向にとると
低閾値でレーザ光が発振する。したがって、共振器の軸
方向（光が往復する方向）をＬＧＯの［１００］方向に
平行に配置するように形成する。共振器端面の形成にあ
たっては、ドライエッチング技術を用いて堆積した半導
体層をエッチングした。半導体層の形成された面は（１
−１００）面である。またレーザ共振器の端面形成と、
チップ化を同時に行う。用いる装置は、反応性高速原子
ビームエッチング装置である。この装置では、ハードベ
ークしたフォトレジストをエッチングマスクとして用い
ることができる。本発明によるチップ化された核レーザ
においては、へき開を用いることができるので、共振器
端面の位置と、基板であるＬＧＯのチップ端の位置とが
一致する。このことは、従来のサファイア基板上に形成
された窒化物系レーザに比べて大きな利点である。すな
わち、従来の素子では共振器構造を作製後、サファイア
基板をダイヤモンドスクライバでけがいて切断する。こ
のとき、半導体を劣化させないために、半導体から離れ
た基板の位置をけがく。そのため、共振器端が基板端部
よりも内側に位置し、その結果、共振器端から出射され
たビームの一部が基板面に当たる。このため、チップか
ら出射されたビームが乱れる。本実施の形態では、基板
をへき開することができるので、この問題を解消でき、
乱れのないビームを用いることができる。このことは、
レーザの実用上大いに便利な点である。なお、ここで形
成されるＬＧＯの端面は（１００）面である。得られた
素子の光−電流特性を図４に示す。室温で連続発振し、
その閾値電流は６８ｍＡであった〔曲線（ａ）〕。比較
のために、図４に、従来の六方晶構造をとる（０００
１）面サファイヤ（Ａｌ2Ｏ3）基板上に作製した同一構
造のレーザ〔曲線（ｂ）〕の光−電流特性を示す。図か
ら明らかなように、ＬＧＯ基板上のレーザの方の閾値電
流が、サファイア上のレーザよりも低い。また、外部微
分量子効率もＬＧＯ基板上のレーザの方が高い。このこ
とは、ＬＧＯ基板を用いたことにより、レーザ構造の共
振器の軸方向と垂直な方向に一軸性の歪みが加わり、レ
ーザ構造の活性層を形成している量子構造の価電子帯に
おける縮退が解けたため、より低キャリア注入密度で量
子構造内にキャリアの反転分布が形成されているためで
ある。また、電子と正孔の結合によって量子構造内で発
生する光波のモードもレーザの閾値の値を大きく左右す
る。本実施の形態の一軸性歪みによって、発生する光波
はＴＥモードが主となる。電子と正孔の結合によって発
生する光波には、このほかにＴＭモードがあるが、ＴＭ
モードは低閾値発振する屈折率導波型レーザ構造におい
ては導波されない。一方、本実施の形態で発生するＴＥ
モードは効率良く導波される。このため、低閾値発振が
可能となる。
て説明する。なお、実施の形態は一つの例示であって、
本発明の技術的思想を逸脱しない範囲で、種々の変更あ
るいは改良を行い得ることは言うまでもない。 〈実施の形態１〉図２は本実施の形態の一例である半導
体発光素子の構成を示す模式図である。この発光素子
は、（００１）面ＬＧＯ（ＬｉＧａＯ2）基板上に、Ｉ
ｎ1-X-YＧａXＡｌYＮ（ただし、０≦Ｘ、Ｙ、Ｘ＋Ｙ≦
１）なる組成の薄膜層を複数積層して構成されている。
１はＬＧＯ基板、２は上記のＩｎ1-X-YＧａXＡｌYＮ
（ＩｎＧａＡｌＮと略称）よりなる層の積層領域を示
す。３は電流狭窄のためのＳｉＯ2よりなる電気的絶縁
膜である。また、４は、上記ＩｎＧａＡｌＮからなる層
の積層領域２上に、ＮｉとＡｕを順に積層したｐ型半導
体用金属電極であり、また、５は、ＩｎＧａＡｌＮから
なる層の積層領域２上に、ＴｉとＡｌを順に積層したｎ
型半導体用金属電極層である。ここで、ＩｎＧａＡｌＮ
からなる層の積層領域２の部分の詳細を、図３を用いて
説明する。図３において、６はＧａＮバッファ層、７は
シリコンドープｎ型ＧａＮ層、８はシリコンドープｎ型
Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎクラッド層、９はシリコンドープｎ型
ＧａＮ導波路層、１０はＩｎ0.2Ｇａ0.8Ｎ／Ｉｎ0.05Ｇ
ａ0.95Ｎ量子井戸構造からなる活性層、１１はマグネシ
ウムドープｐ型Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎバリア層、１２はマグ
ネシウムドープｐ型ＧａＮ導波路層、１３はマグネシウ
ムドープｐ型Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ｎクラッド層、１４はマ
グネシウムドープｐ型ＧａＮコンタクト層である。以下
に、本発明の半導体発光素子の具体的な作製方法につい
て説明する。図２に示すＬＧＯ基板１として、厚さ５０
０μｍの単結晶ＬＧＯを用いる。ＬＧＯ基板１の表面は
（００１）面であり、その表面は金属原子で構成された
極性面である。ＩｎＧａＡｌＮの成長には、有機金属気
相成長法を用いる。金属元素の原料としては、有機金属
化合物を用い、ガリウム（Ｇａ）にはトリメチルガリウ
ム（ＴＭＧ）、インジウム（Ｉｎ）にはトリメチルイン
ジウム（ＴＭＩ）、アルミニウム（Ａｌ）にはトリメチ
ルアルミニウム（ＴＭＡ）を、それぞれ用いる。有機金
属化合物のキャリアガスは水素（Ｈ2）であり、窒素
（Ｎ）原料はアンモニア（ＮＨ3）である。まず始め
に、低温成長のＧａＮバッファ層６を、５５０℃で成長
する。その厚さは２０ｎｍである。この層は、基板とＧ
ａＮとの間の格子不整合±２％弱の緩衝層としての働き
と、この後の成長温度８００℃での還元雰囲気から基板
表面を保護する働きをする。次に、このＧａＮバッファ
層６を、窒素雰囲気中で約８００℃で９分間アニールす
る。次に、ｎ型電極引き出し用にシリコンドープｎ型Ｇ
ａＮ層７を、約８００℃で厚さ３μｍ成長する。キャリ
ア濃度は３×１０18／ｃｍ3である。その上に、厚さ０.
５μｍのシリコンドープｎ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎクラッド
層８、厚さ０.１μｍのシリコンドープｎ型ＧａＮ導波
路層９、活性層としてノンドープＩｎ0.2Ｇａ0.8Ｎ（厚
さ３ｎｍ）／Ｉｎ0.05Ｇａ0.95Ｎ（厚さ６ｎｍ）３対か
らなる量子井戸構造１０、厚さ２０ｎｍのマグネシウム
ドープｐ型Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎバリア層１１、厚さ０.１
μｍのマグネシウムドープｐ型ＧａＮ導波路層１２、厚
さ０.５μｍのマグネシウムドープｐ型Ａｌ0.15Ｇａ
0.85Ｎクラッド層１３、厚さ０.１μｍのマグネシウム
ドープｐ型ＧａＮコンタクト層１４を連続して成長す
る。ｐ型電極の形成の前に、注入電流の集中をはかるた
めに、図２に示すように、電流狭窄層として電気的絶縁
膜３を形成する。その形状はマグネシウムドープｐ型Ｇ
ａＮコンタクト層１４の露出部の幅（共振器の軸方向に
垂直な方向）３μｍとする。次に、ｐ型ＧａＮコンタク
ト層１４上に、金属電極としてニッケル／金（図２にお
けるｐ型半導体用金属電極４）を蒸着する。次に、フォ
トリソグラフィ技術を用いて、ｐ型半導体用金属電極
４、シリコンドープｎ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎクラッド層８
からマグネシウムドープｐ型ＧａＮコンタクト層１４を
エッチングして除去し、電極引き出し用層であるシリコ
ンドープｎ型ＧａＮ層７を露出させる。この時、ｎ型Ｇ
ａＮ層７の一部がエッチングされてもよい。その後、図
２に示すように、ｎ型半導体用金属電極５を、シリコン
ドープｎ型ＧａＮ７の上に、チタン／アルミニウムを蒸
着して、パタニングして形成する。次にレーザ共振器の
形成方法について説明する。ＬＧＯ基板上に成長した膜
には、ＬＧＯの［０１０］方向に圧縮歪みが誘起される
が、この時レーザ光の偏向ベクトルを上記方向にとると
低閾値でレーザ光が発振する。したがって、共振器の軸
方向（光が往復する方向）をＬＧＯの［１００］方向に
平行に配置するように形成する。共振器端面の形成にあ
たっては、ドライエッチング技術を用いて堆積した半導
体層をエッチングした。半導体層の形成された面は（１
−１００）面である。またレーザ共振器の端面形成と、
チップ化を同時に行う。用いる装置は、反応性高速原子
ビームエッチング装置である。この装置では、ハードベ
ークしたフォトレジストをエッチングマスクとして用い
ることができる。本発明によるチップ化された核レーザ
においては、へき開を用いることができるので、共振器
端面の位置と、基板であるＬＧＯのチップ端の位置とが
一致する。このことは、従来のサファイア基板上に形成
された窒化物系レーザに比べて大きな利点である。すな
わち、従来の素子では共振器構造を作製後、サファイア
基板をダイヤモンドスクライバでけがいて切断する。こ
のとき、半導体を劣化させないために、半導体から離れ
た基板の位置をけがく。そのため、共振器端が基板端部
よりも内側に位置し、その結果、共振器端から出射され
たビームの一部が基板面に当たる。このため、チップか
ら出射されたビームが乱れる。本実施の形態では、基板
をへき開することができるので、この問題を解消でき、
乱れのないビームを用いることができる。このことは、
レーザの実用上大いに便利な点である。なお、ここで形
成されるＬＧＯの端面は（１００）面である。得られた
素子の光−電流特性を図４に示す。室温で連続発振し、
その閾値電流は６８ｍＡであった〔曲線（ａ）〕。比較
のために、図４に、従来の六方晶構造をとる（０００
１）面サファイヤ（Ａｌ2Ｏ3）基板上に作製した同一構
造のレーザ〔曲線（ｂ）〕の光−電流特性を示す。図か
ら明らかなように、ＬＧＯ基板上のレーザの方の閾値電
流が、サファイア上のレーザよりも低い。また、外部微
分量子効率もＬＧＯ基板上のレーザの方が高い。このこ
とは、ＬＧＯ基板を用いたことにより、レーザ構造の共
振器の軸方向と垂直な方向に一軸性の歪みが加わり、レ
ーザ構造の活性層を形成している量子構造の価電子帯に
おける縮退が解けたため、より低キャリア注入密度で量
子構造内にキャリアの反転分布が形成されているためで
ある。また、電子と正孔の結合によって量子構造内で発
生する光波のモードもレーザの閾値の値を大きく左右す
る。本実施の形態の一軸性歪みによって、発生する光波
はＴＥモードが主となる。電子と正孔の結合によって発
生する光波には、このほかにＴＭモードがあるが、ＴＭ
モードは低閾値発振する屈折率導波型レーザ構造におい
ては導波されない。一方、本実施の形態で発生するＴＥ
モードは効率良く導波される。このため、低閾値発振が
可能となる。
【０００７】〈実施の形態２〉本実施の形態では、面発
光レーザについて説明する。その素子構造の一例を図５
に示す。ＬＧＯ基板１５上に、実施の形態１と同様のノ
ンドープＧａＮバッファ層１６を成長する。次に、実施
の形態１と同じ手順で、ノンドープＡｌＧａＮ／ＧａＮ
ブラッグ反射器１７、マグネシウムドープｐ型ＧａＮコ
ンタクト層１８、マグネシウムドープｐ型Ａｌ0.2Ｇａ
0.8Ｎバリア層１９、ノンドープＩｎ0.2Ｇａ0.8Ｎ／Ｉ
ｎ0.05Ｇａ0.95Ｎ量子井戸構造２０、シリコンドープｎ
型ＡｌＧａＮ／ＧａＮブラッグ反射器２１、シリコンド
ープｎ型ＧａＮコンタクト層２２を成長する。その後、
電極として、ｐ型半導体用金属電極２３、ｎ型半導体用
金属電極２４を形成する。ｐ型電極の形成の前に、ｐ型
ＧａＮコンタクト層が露出するまでエッチングしてお
く。エッチングパタンの形状は、直径１０μｍの円形で
ある。本実施の形態の面発光レーザ素子においても実施
の形態１と同様に、一軸性の歪みのため、導波モードで
あるＴＥモードを有する光波が量子構造内で選択的に発
生するため、低閾値電流でのレーザ発振が可能となる。
光レーザについて説明する。その素子構造の一例を図５
に示す。ＬＧＯ基板１５上に、実施の形態１と同様のノ
ンドープＧａＮバッファ層１６を成長する。次に、実施
の形態１と同じ手順で、ノンドープＡｌＧａＮ／ＧａＮ
ブラッグ反射器１７、マグネシウムドープｐ型ＧａＮコ
ンタクト層１８、マグネシウムドープｐ型Ａｌ0.2Ｇａ
0.8Ｎバリア層１９、ノンドープＩｎ0.2Ｇａ0.8Ｎ／Ｉ
ｎ0.05Ｇａ0.95Ｎ量子井戸構造２０、シリコンドープｎ
型ＡｌＧａＮ／ＧａＮブラッグ反射器２１、シリコンド
ープｎ型ＧａＮコンタクト層２２を成長する。その後、
電極として、ｐ型半導体用金属電極２３、ｎ型半導体用
金属電極２４を形成する。ｐ型電極の形成の前に、ｐ型
ＧａＮコンタクト層が露出するまでエッチングしてお
く。エッチングパタンの形状は、直径１０μｍの円形で
ある。本実施の形態の面発光レーザ素子においても実施
の形態１と同様に、一軸性の歪みのため、導波モードで
あるＴＥモードを有する光波が量子構造内で選択的に発
生するため、低閾値電流でのレーザ発振が可能となる。
【０００８】
【発明の効果】本発明の半導体発光素子は、ウルツ鉱型
の結晶構造を有し２種類以上の金属イオンを含み、例え
ばＬｉＧａＯ2酸化物よりなる結晶基板であるＬＧＯ
（００１）面基板上に、窒化物系の半導体素子を形成し
た場合に、上記基板のｃ−面内の熱膨張係数に大きな異
方性があるため、基板上に積層した半導体膜に一軸性の
歪みが誘起される。このため、発光層における価電子帯
の縮退が解け、低キャリア注入密度で発光層内にキャリ
アの反転分布を形成することができる。このため、レー
ザ発振の閾値電流を低下することができる。したがっ
て、本発明のＬＧＯ基板を用いた半導体発光素子は、低
閾値電流密度で発振する窒化物系半導体レーザを実現で
きる効果がある。
の結晶構造を有し２種類以上の金属イオンを含み、例え
ばＬｉＧａＯ2酸化物よりなる結晶基板であるＬＧＯ
（００１）面基板上に、窒化物系の半導体素子を形成し
た場合に、上記基板のｃ−面内の熱膨張係数に大きな異
方性があるため、基板上に積層した半導体膜に一軸性の
歪みが誘起される。このため、発光層における価電子帯
の縮退が解け、低キャリア注入密度で発光層内にキャリ
アの反転分布を形成することができる。このため、レー
ザ発振の閾値電流を低下することができる。したがっ
て、本発明のＬＧＯ基板を用いた半導体発光素子は、低
閾値電流密度で発振する窒化物系半導体レーザを実現で
きる効果がある。
【図１】本発明の半導体発光素子の原理であるＬＧＯ
（００１）面基板とＧａＮ（０００１）面膜の原子配列
と熱膨張係数との関係を示す説明図。
（００１）面基板とＧａＮ（０００１）面膜の原子配列
と熱膨張係数との関係を示す説明図。
【図２】本発明の実施の形態１で例示した半導体発光素
子の構成を示す模式図。
子の構成を示す模式図。
【図３】本発明の実施の形態１で例示した半導体発光素
子のＩｎＧａＡｌＮからなる層の積層領域の詳細を示す
模式図。
子のＩｎＧａＡｌＮからなる層の積層領域の詳細を示す
模式図。
【図４】本発明の実施の形態１で例示した半導体発光素
子の特性を示す図。
子の特性を示す図。
【図５】本発明の実施の形態２で例示した半導体発光素
子の構成を示す模式図。
子の構成を示す模式図。
１…ＬＧＯ（ＬｉＧａＯ2）基板 ２…ＩｎＧａＡｌＮからなる層の積層領域 ３…電気的絶縁膜 ４…ｐ型半導体用金属電極 ５…ｎ型半導体用金属電極 ６…ＧａＮバッファ層 ７…シリコンドープｎ型ＧａＮ層 ８…シリコンドープｎ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎクラッド層 ９…シリコンドープｎ型ＧａＮ導波路層 １０…ノンドープＩｎ0.2Ｇａ0.8Ｎ／Ｉｎ0.05Ｇａ0.95
Ｎ量子井戸構造 １１…マグネシウムドープｐ型Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎバリア
層 １２…マグネシウムドープｐ型ＧａＮ導波路層 １３…マグネシウムドープｐ型Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ｎクラ
ッド層 １４…マグネシウムドープｐ型ＧａＮコンタクト層 １５…ＬＧＯ基板 １６…ノンドープＧａＮバッファ層 １７…ノンドープＡｌＧａＮ／ＧａＮブラッグ反射器 １８…マグネシウムドープｐ型ＧａＮコンタクト層 １９…マグネシウムドープｐ型Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎバリア
層 ２０…ノンドープＩｎ0.2Ｇａ0.8Ｎ／Ｉｎ0.05Ｇａ0.95
Ｎ量子井戸構造 ２１…シリコンドープｎ型ＡｌＧａＮ／ＧａＮブラッグ
反射器 ２２…シリコンドープｎ型ＧａＮコンタクト層 ２３…ｐ型半導体用金属電極 ２４…ｎ型半導体用金属電極
Ｎ量子井戸構造 １１…マグネシウムドープｐ型Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎバリア
層 １２…マグネシウムドープｐ型ＧａＮ導波路層 １３…マグネシウムドープｐ型Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ｎクラ
ッド層 １４…マグネシウムドープｐ型ＧａＮコンタクト層 １５…ＬＧＯ基板 １６…ノンドープＧａＮバッファ層 １７…ノンドープＡｌＧａＮ／ＧａＮブラッグ反射器 １８…マグネシウムドープｐ型ＧａＮコンタクト層 １９…マグネシウムドープｐ型Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎバリア
層 ２０…ノンドープＩｎ0.2Ｇａ0.8Ｎ／Ｉｎ0.05Ｇａ0.95
Ｎ量子井戸構造 ２１…シリコンドープｎ型ＡｌＧａＮ／ＧａＮブラッグ
反射器 ２２…シリコンドープｎ型ＧａＮコンタクト層 ２３…ｐ型半導体用金属電極 ２４…ｎ型半導体用金属電極
Claims (4)
- 【請求項１】ウルツ鉱型の結晶構造を有し、２種類以上
の金属イオンを構成元素として含有し、熱膨張係数に異
方性を有する結晶基板上に、Ｉｎ1-X-YＧａXＡｌYＮ
（ただし、０≦Ｘ、Ｙ、Ｘ＋Ｙ≦１）なる組成の薄膜を
少なくとも１層積層し、上記結晶基板と、その上に積層
された上記薄膜内に誘起される一軸性歪みを有すること
を特徴とする半導体発光素子。 - 【請求項２】請求項１において、結晶基板はガリウム酸
リチウム（ＬｉＧａＯ2）であることを特徴とする半導
体発光素子。 - 【請求項３】請求項１または請求項２において、少なく
とも１層積層した積層構造が半導体レーザ構造であり、
該半導体レーザ構造の共振器の光導波方向である軸方向
がＬｉＧａＯ2基板面内にあり、かつ、ＬｉＧａＯ2基板
の［１００］結晶方位が共振器の軸方向と平行であるこ
とを特徴とする半導体発光素子。 - 【請求項４】請求項３において、共振器の軸方向がＬｉ
ＧａＯ2基板面に対して垂直であることを特徴とする半
導体発光素子。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP6532198A JPH11261107A (ja) | 1998-03-16 | 1998-03-16 | 半導体発光素子 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP6532198A JPH11261107A (ja) | 1998-03-16 | 1998-03-16 | 半導体発光素子 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH11261107A true JPH11261107A (ja) | 1999-09-24 |
Family
ID=13283540
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP6532198A Pending JPH11261107A (ja) | 1998-03-16 | 1998-03-16 | 半導体発光素子 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH11261107A (ja) |
-
1998
- 1998-03-16 JP JP6532198A patent/JPH11261107A/ja active Pending
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