JPH11298090A - Nitride semiconductor element - Google Patents

Nitride semiconductor element

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JPH11298090A
JPH11298090A JP9713498A JP9713498A JPH11298090A JP H11298090 A JPH11298090 A JP H11298090A JP 9713498 A JP9713498 A JP 9713498A JP 9713498 A JP9713498 A JP 9713498A JP H11298090 A JPH11298090 A JP H11298090A
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JP
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nitride semiconductor
side
well
barrier
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Application number
JP9713498A
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Japanese (ja)
Inventor
Shinichi Nagahama
Shuji Nakamura
修二 中村
慎一 長濱
Original Assignee
Nichia Chem Ind Ltd
日亜化学工業株式会社
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To lower the oscillation threshold by comprising an active layer having a multiple quantum well structure composed of laminated In-containing nitride semiconductor well layers and barrier layers between and p-side nitride semiconductor layers, where the well layers the active layer are not doped but barrier layers are doped with an n-type impurity. SOLUTION: An active layer 25 has undoped In0.2 Ga0.8 N well layers grown to 40 Å thickness and Si-doped by 5×10<18> /cm<3> In0.01 Ga0.95 N barrier layers grown up to 100 Å thick at the same temperature. They are laminated in the order of the well, barrier, well, and barrier layers as a multiple quantum well structure of the active layer grown. The number of the well layers is closely related to the threshold current density which lowers most, when the number of well layers is 2, and hence the oscillation threshold can be made to lower.

Description

【発明の詳細な説明】 DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】 [0001]

【産業上の利用分野】本発明は発光ダイオード素子、レーザダイオード素子等の発光素子、太陽電池、光センサ等の受光素子、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用いられる窒化物半導体(In X The present invention relates to a light emitting diode element, a light-emitting element such as a laser diode element, a solar cell, a light receiving element such as an optical sensor or transistor, a power device such as a nitride semiconductor (an In X used for electronic devices, A
Y Ga 1-XY N、0≦X、0≦Y、X+Y≦1)よりなる素子に関する。 l Y Ga 1-XY N, 0 ≦ X, 0 ≦ Y, about X + Y ≦ 1) element made of.

【0002】 [0002]

【従来の技術】窒化物半導体は高輝度純緑色発光LE BACKGROUND ART Nitride semiconductors high brightness pure green light emitting LE
D、青色LEDとして、既にフルカラーLEDディスプレイ、交通信号灯、イメージスキャナー光源等の各種光源で実用化されている。 D, as a blue LED, has already been put into practical use in full color LED displays, traffic lights, and various light sources such as an image scanner light source. これらのLED素子は基本的に、サファイア基板上にGaNよりなるバッファ層と、 In these LED elements basically a buffer layer made of GaN on a sapphire substrate,
SiドープGaNよりなるn側コンタクト層と、単一量子井戸構造のInGaN、あるいはInGaNを有する多重量子井戸構造の活性層と、MgドープAlGaNよりなるp側クラッド層と、MgドープGaNよりなるp And n-side contact layer made of Si-doped GaN, an active layer of multiple quantum well structure having a single InGaN quantum well structure or InGaN,, and p-side cladding layer made of Mg-doped AlGaN, consisting of Mg-doped GaN p
側コンタクト層とが順に積層された構造を有しており、 Has a side contact layer are sequentially stacked,
20mAにおいて、発光波長450nmの青色LEDで5mW、外部量子効率9.1%、520nmの緑色LE In 20 mA, 5 mW blue LED emission wavelength 450 nm, the external quantum efficiency 9.1%, 520 nm of green LE
Dで3mW、外部量子効率6.3%と非常に優れた特性を示す。 Shows 3 mW, the external quantum efficiency of 6.3% and a very good characteristics in D.

【0003】また、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,P444-4 [0003] We also on the nitride semiconductor substrate, and fabricating a nitride semiconductor laser device including an active layer, has announced that it has achieved a continuous oscillation 10,000 hours or more at the world's first room (ICNS '97 Proceedings, October 27-31,1997, P444-4
46、及びJpn.J.Appl.Phys.Vol.36(1997)pp.L1568-157 46, and Jpn.J.Appl.Phys.Vol.36 (1997) pp.L1568-157
1,Part2,No.12A,1 December 1997)。 1, Part2, 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SiO The basic structure, on a sapphire substrate, a partially formed SiO
2膜を介して選択成長された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。 On the nitride semiconductor substrate made of GaN which is selectively grown through 2 film, a nitride semiconductor layer serving as a laser device structure formed by stacking a plurality. (詳細はJpn.J.Appl.Phys.Vol.36 (For more information Jpn.J.Appl.Phys.Vol.36
参照) reference)

【0004】 [0004]

【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。 However [0007], 10,000 hours of continuous oscillation was estimated is a 2mW output. 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。 Insufficient some thing as reading light source for the 2 mW, the writing light source is required output of the 10-fold or more, improvement in output and long life of the additional laser device is desired.

【0005】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。 [0005] When lowering the oscillation threshold value of the laser element, since the heat value of the laser element is reduced, it is possible to raise the output by increasing the current value. 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。 Further, say that the threshold is lowered, LED not only laser device, SLD, etc., can also be applied to other nitride semiconductor device, it is possible to provide a highly reliable device with high efficiency. 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の向上と、発振閾値を低下させて素子の長寿命化を実現することにある。 Therefore it is an object of the present invention is mainly the improvement of the output of the laser device, that reduce the lasing threshold to achieve a long life of the device.

【0006】 [0006]

【課題を解決するための手段】本発明の窒化物半導体素子は主として2種類の態様より成り、第1の態様は、n The nitride semiconductor device of the present invention, in order to solve the problems] consists of mainly two aspects, the first aspect, n
側の窒化物半導体層と、p側の窒化物半導体層との間に、Inを含む窒化物半導体よりなる井戸層と、井戸層と組成の異なる窒化物半導体よりなる障壁層とが積層されてなる多重量子井戸構造の活性層を有し、前記活性層の井戸層はアンドープであり、前記障壁層にn型不純物がドープされていることを特徴とする。 And the nitride semiconductor layer side, between the p-side nitride semiconductor layer, a well layer made of nitride semiconductor containing In, barrier layer made of different nitride semiconductor compositions the well layer and is laminated has an active layer of multiple quantum well structure consisting, well layer of the active layer is undoped, wherein the n-type impurity is doped in the barrier layer.

【0007】本発明の第2の態様は、n側の窒化物半導体層と、p側の窒化物半導体層との間に、Inを含む窒化物半導体よりなる井戸層と、井戸層と組成の異なる窒化物半導体よりなる障壁層とが積層されてなる多重量子井戸構造の活性層を有し、前記多重量子井戸構造は、p A second aspect of the present invention, the n-side nitride semiconductor layer, between the nitride semiconductor layer of the p-side, and the well layer made of nitride semiconductor containing In, the composition as the well layer has an active layer of multiple quantum well structure and barrier layers made of different nitride semiconductor are stacked, the multiple quantum well structure, p
側の窒化物半導体に接近した側が障壁層で終わっており、少なくとも最後の井戸層がアンドープで、最後の障壁層にn型不純物がドープされていることを特徴とする。 Side close to the nitride semiconductor side are finished with a barrier layer, at least the last well layer undoped, n-type impurity in the last barrier layer, characterized in that it is doped. 本発明においてn側の窒化物半導体とは活性層を挟んで、一方の窒化物半導体層に少なくともn型窒化物半導体層を含む半導体層側を指し、p側の窒化物半導体とは、活性層を挟んでn側の窒化物半導体と反対側にある窒化物半導体を指すものとする。 Across the active layer and the nitride semiconductor of the n-side in the present invention refers to a semiconductor layer side containing at least the n-type nitride semiconductor layer on one of the nitride semiconductor layer, a nitride semiconductor of the p-side, the active layer across the intended to refer to a nitride semiconductor on the opposite side of the nitride semiconductor of the n-side. なお、本発明の第1及び第2の態様において、多重量子井戸構造は井戸層から始まる方が閾値が低下しやすい傾向にある。 In the first and second aspects of the present invention, a multiple quantum well structure threshold better starting from the well layer tends to easily lowered.

【0008】本発明の第1、及び第2の態様において、 [0008] In the first and second aspects of the present invention,
アンドープ(undope)とは意図的に不純物をドープしない窒化物半導体層を指し、例えば、原料に含まれる不純物の混入、反応装置内のコンタミネーションによる不純物の混入、および意図的に不純物をドープした他の層からの意図しない不純物拡散により、不純物が混入した層も本発明ではアンドープと定義する(実質的なアンドープ)。 Other points to nitride semiconductor layer that is not intentionally doped with an impurity and the undoped (undope), for example, entry of impurities contained in the raw material, that contamination of impurities due to contamination in the reactor, and intentionally impurities doped the unintended impurity diffusion from the layer, the layer having impurities mixed well in the present invention is defined as undoped (substantial undoped).

【0009】本発明の第1、及び第2の態様において、 [0009] In the first and second aspects of the present invention,
前記n型の窒化物半導体層には、活性層に接近した側にInを含む窒化物半導体、若しくはGaNよりなる第1 Wherein the n-type nitride semiconductor layer, the first comprising a nitride semiconductor, or from GaN containing In on the side close to the active layer
の窒化物半導体層を有し、さらに第1の窒化物半導体層よりも活性層から離れた側にAlを含む窒化物半導体層を含む超格子からなる第2の窒化物半導体層を有することを特徴とする。 Nitride having a semiconductor layer, further comprising a first second nitride semiconductor layer made of a superlattice comprising a nitride semiconductor layer containing Al on the side away from the active layer than that of the nitride semiconductor layer and features. 第1の窒化物半導体層は活性層に接していても、いなくても良いが、接して形成されていることが望ましい。 Even when the first nitride semiconductor layer is in contact with the active layer, it may not have, but it is preferably formed in contact with.

【0010】さらに、前記p側の窒化物半導体層には、 Furthermore, the nitride semiconductor layer of the p-side,
活性層に接近した側にAlを含む窒化物半導体、若しくはGaNよりなる第3の窒化物半導体層を有し、さらに第3の窒化物半導体層よりも活性層から離れた側にAl Nitride on the side close to the active layer including Al semiconductor, or a third nitride semiconductor layer made of GaN, the further third side remote from the active layer than that of the nitride semiconductor layer of Al
を含む窒化物半導体層を含む超格子からなる第4の窒化物半導体層を有することを特徴とする。 And having a fourth nitride semiconductor layer made of a superlattice comprising a nitride semiconductor layer containing. 同様に第3の窒化物半導体層も活性層に接していても、いなくても良いが、接して形成されることが望ましい。 Similarly be in contact with the third nitride semiconductor layer is also active layer, may not have, but is preferably formed in contact with.

【0011】また本発明の第1、及び第2の態様では、 [0011] In the first and second aspects of the present invention,
n側、又はp側の窒化物半導体層の内の少なくとも一方には、Alを含む窒化物半導体を含む超格子からなる第5の窒化物半導体層を有し、その第5の窒化物半導体層のAl含有量が、活性層に接近するにつれて少なくなるようにされていることを特徴とする。 n-side, or at least one is of the p-side nitride semiconductor layer, a fifth nitride semiconductor layer made of a superlattice comprising a nitride semiconductor containing Al, the fifth nitride semiconductor layer Al content, characterized in that it is as less as it approaches the active layer. これは超格子をG This is a super-lattice G
RIN構造(gradient index waveguide)とすることを意味する。 Means that the RIN structure (gradient index waveguide).

【0012】前記第5の窒化物半導体層には、その層の導電型を決定する不純物がドープされており、その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。 [0012] wherein the fifth nitride semiconductor layer, its has an impurity for determining the conductivity type layers are doped, and wherein the impurity is adjusted to be less as it approaches the active layer to.

【0013】前記障壁層にはp型不純物が不純物拡散により含まれていることを特徴とする。 [0013] the barrier layer, characterized in that the p-type impurity is contained by an impurity diffusion. 不純物拡散とは例えば隣接、近接(必ずしも接していなくても良い)したp型不純物を含む層の成長中、あるいは成長後、その層から障壁層にp型不純物が拡散して混入した状態を指す。 Refers, for example adjacent to the impurity diffusion, in proximity (not necessarily in contact) and a layer containing a p-type impurity growth or after the growth, the state in which the p-type impurity is mixed and diffuses into the barrier layer from the layer . 一例として不純物拡散によりp型不純物が含まれる場合、その層にはp型不純物の濃度勾配がついていることが多い。 If it contains p-type impurity by an impurity diffusion by way of example, it is often with a concentration gradient of the p-type impurity in the layer. 拡散により混入する不純物としてはMg、B The impurities mixed by diffusion Mg, B
e、Caのような窒化物半導体にドープされてp型となることが確認されている不純物であることが多い。 e, are often impurities are nitride doped semiconductor such as Ca be a p-type have been identified. またn型不純物よりも少量であることが多い。 Moreover it is often a small amount than the n-type impurity.

【0014】また本発明では、多重量子井戸構造の全井戸層数が2であることを特徴とする。 [0014] In the present invention is characterized in that the total number of well layers in multiple quantum well structure is two. 井戸数を2とすると最も閾値が低下しやすい。 Most threshold tends to decrease when the number of wells and 2. 即ちn側から、障壁+井戸+障壁+井戸+障壁、井戸+障壁+井戸+障壁、井戸+ That from the n-side, barrier + well + barrier + well + barrier, wells + barrier + well + barrier, wells +
障壁+井戸(但し、井戸で終わる構成は第1の態様のみに適用)を積層した多重量子井戸構造とすることが最も好ましい。 Barrier + well (However, the configuration ending in wells applies only to the first aspect) is most preferably a multi-quantum well structure formed by stacking.

【0015】 [0015]

【発明の実施の形態】図1は本発明に係る一レーザ素子の構造を示す模式的な断面図であり、基本構成としては、GaN基板20の上に、n側コンタクト層21、クラック防止層(省略可能)22、n側クラッド層23、 Figure 1 DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION is a schematic sectional view showing a structure of a laser device according to the present invention, as the basic structure, on the GaN substrate 20, n-side contact layer 21, a crack preventing layer (optional) 22, n-side cladding layer 23,
n側光ガイド層24、多重量子井戸構造の活性層25、 n-side optical guide layer 24, active layer 25 of multiple quantum well structure,
p側キャップ層26、p側ガイド層27、p側クラッド層28、p側コンタクト層29とが順に積層された構造を有し、p側コンタクト層29からn側コンタクト層2 p-side cap layer 26, p-side guide layer 27, a p-side cladding layer 28, p-side contact layer 29 has a structure sequentially stacked, a p-side contact layer 29 from the n-side contact layer 2
1までがエッチングされ、ストライプ状の導波路領域を有する屈折率導波型のレーザ素子を示している。 Until 1 is etched, it shows a laser device of the refractive index waveguide type having a stripe-shaped waveguide region.

【0016】多重量子井戸構造よりなる活性層25において、井戸層は少なくともInを含む窒化物半導体、好ましくはIn X Ga 1-X N(0<X<1)とする。 [0016] In the active layer 25 of multiple quantum well structure, the well layer is a nitride semiconductor containing at least In, preferably the In X Ga 1-X N ( 0 <X <1). 一方、 on the other hand
障壁層は通常、井戸層よりもバンドギャップエネルギーが大きい窒化物半導体を選択し、好ましくはIn Y Ga Barrier layer is typically selects the nitride semiconductor band gap energy greater than that of the well layer, preferably an In Y Ga
1-Y N(0≦Y<1、X>Y)若しくはAl Z Ga 1-Z N(0 1-Y N (0 ≦ Y <1, X> Y) or Al Z Ga 1-Z N ( 0
<Z<0.5)とする。 <And Z <0.5). 但し井戸層、障壁層をInAl InAl however well layer, a barrier layer
Nとすることも可能である。 It is also possible to use a N. 井戸層の膜厚は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に調整する。 Thickness of the well layer is 100 angstroms or less, more preferably 70 angstroms or less, and most preferably adjusted to below 50 Angstroms. 100オングストロームよりも厚いと、出力が低下する傾向にある。 When thicker than 100 angstroms, there is a tendency that the output is reduced. 障壁層の膜厚は特に限定しないが、通常は井戸層と同じか、若しくは井戸層よりも厚く形成し、200オングストローム以下、好ましくは15 There are no particular restrictions on the thickness of the barrier layer, typically equal to or well layer, or thicker than the well layer, 200 angstroms or less, preferably 15
0オングストローム以下、最も好ましくは100オングストローム以下にする。 0 angstroms, and most preferably below 100 Å. また障壁層の膜厚を井戸層よりも薄くしてもよい。 The film thickness of the barrier layer may be thinner than the well layer.

【0017】本発明の第1の態様では、活性層25の井戸層をアンドープ(意図的に不純物をドープしない状態)として、障壁層にn型不純物のみがドープされる。 [0017] In a first aspect of the present invention, the well layer of the active layer 25 as an undoped (state of not intentionally doped with impurities), only the n-type impurity in the barrier layers is doped.
障壁層にn型不純物がドープされると井戸層のキャリア濃度が大きくなるため、閾値が低下する。 Since the n-type impurity is doped in the barrier layer is a carrier concentration of the well layer increases, the threshold is lowered. 逆に障壁層に意図してp型不純物をドープすると低下しにくい傾向にある。 Conversely it intended the barrier layer is in the lowered less likely to dope the p-type impurity. そのため、障壁層にはn型不純物のみをドープすることが望ましい。 Therefore, it is desirable that the barrier layer is doped with only an n-type impurity. さらにまた、障壁層にn型不純物をドープすると井戸層のキャリア濃度が大きくなるため、 Furthermore, since the carrier concentration of the well layer when doped with n-type impurity in the barrier layer increases,
歪みによるピエゾ効果の量子シュタルク効果による電子と正孔の空間的分離がスクリーニングされて、閾値が低下すると推察される。 Spatial separation of electrons and holes due to quantum Stark effect of the piezoelectric effect is screened by the distortion, the threshold is presumed to be reduced. 逆に井戸層に不純物をドープすると結晶性が悪くなって、キャリアの散乱が大きくなり、 Impurities back into the well layer and crystallinity is deteriorated doped, carrier scattering increases,
閾値が高くなる傾向にある。 There is a tendency that the threshold is higher. なお本発明の第1の態様では、多重量子井戸構造は、p側の窒化物半導体層に接近した側が障壁層で終わっても井戸層で終わっても良いが、第2の態様のように障壁層で終わることが望ましい。 Note that, in the first aspect of the present invention, a multiple quantum well structure is the side close to the nitride semiconductor layer of the p-side may end with a well layer even end with a barrier layer, the barrier as in the second embodiment it is desirable that ends with a layer.

【0018】一方、第2の態様では、活性層25がp側窒化物半導体に接近した側が障壁層で終わっており、少なくとも最後の井戸層がアンドープで、最後の障壁層にn型不純物がドープされている。 Meanwhile, in the second embodiment, the active layer 25 has ends with side barrier layer close to the p-side nitride semiconductor, at least the last well layer undoped, n-type impurity is doped into the last barrier layer It is. 即ち、井戸+障壁+井戸+障壁、若しくは障壁+井戸+障壁+井戸+障壁となるようにn側の窒化物半導体から積層して行き、最後の井戸層をアンドープとし、そして最後の障壁層にn型不純物をドープする。 That is, the well + barrier + well + barrier or barrier + well + barrier + well + barrier become so go stacked from the nitride semiconductor of the n-side, the last well layer and an undoped, and finally the barrier layer an n-type impurity is doped. それ以外の井戸層、障壁層には不純物をドープしても、しなくても良く、不純物ドープについては特に問わない。 Other well layer be doped with an impurity in the barrier layer, it may not be, not particularly limited for impurity doping. 好ましくは第1の態様のように、 Preferably as in the first embodiment,
障壁層にn型不純物をドープして、井戸層はアンドープとすることが望ましい。 Is doped with n-type impurity in the barrier layers, the well layer is desirably undoped. 第2の態様においては多重量子井戸構造は井戸層で終わるよりも、障壁層で終わった方が閾値が低下しやすい傾向にあり、さらに最後の井戸層をアンドープ、障壁層にn型不純物をドープすると、さらに閾値が低下する。 A multiple quantum well structure in the second embodiment than ending in the well layer tends to easily decrease threshold who finished with a barrier layer, doped with an n-type impurity further the last well layer undoped, the barrier layer Then, further threshold is lowered. この理由は定かではないが、窒化物半導体の場合、ホールの有効質量が大きく、活性層に注入されたホールはp層側に局在しており、p層側の井戸層のみで発光すると考えられる。 The reason is not clear, if the nitride semiconductor, the effective mass is large holes, the holes injected into the active layer is localized to the p layer side and emits light only at a well layer of the p layer side considered It is. 従ってn層側に接近した井戸層は発光にあまり寄与しておらず、p層側に接近した井戸層の方が発光に寄与する率が高い。 Thus the well layer close to the n-layer side is not contributing much to the emission, towards the well layer close to the p layer side is high contributing factor to the emission. このためp層側に最も接近した井戸層をアンドープとして、障壁層にn型不純物をドープすると最も効率が向上すると推察される。 The closest to the well layer Thus the p layer side as undoped, most efficient when doped with an n-type impurity in the barrier layer is presumed to be improved.

【0019】障壁層にドープするn型不純物にはSi、 [0019] The n-type impurity to be doped in the barrier layer Si,
Ge、Sn、S、O、Ti、Zr等のIV族、若しくはVI Ge, Sn, S, O, Ti, IV group such Zr, or VI
族元素を用いることができ、好ましくはSi、Ge、S It can be used group elements, preferably Si, Ge, S
nを用いる。 Using the n. n型不純物のドープ量は5×10 16 /cm 3 doping amount of n-type impurity 5 × 10 16 / cm 3
〜5×10 21 /cm 3 、好ましくは1×10 17 /cm 3 〜1× ~5 × 10 21 / cm 3, preferably 1 × 10 17 / cm 3 ~1 ×
10 20 /cm 3 、さらに好ましくは1×10 18 /cm 3 〜1× 10 20 / cm 3, more preferably 1 × 10 18 / cm 3 ~1 ×
10 19 /cm 3の範囲に調整する。 Adjusted in the range of 10 19 / cm 3. 5×10 16 /cm 3よりも少ないと閾値があまり低下せず、一方、5×10 21 /cm 5 × 10 16 / cm less the threshold is not significantly lower than 3, whereas, 5 × 10 21 / cm
3よりも多いと障壁層の結晶性が悪くなって、寿命が短くなる。 3 large, the crystallinity of the barrier layer becomes worse than the life is shortened.

【0020】また本発明の第1、及び第2の態様では、 [0020] In the first and second aspects of the present invention,
活性層25に接近した側にInを含む窒化物半導体、若しくはGaNよりなる第1の窒化物半導体層を有し、さらに第1の窒化物半導体層よりも活性層から離れた側にAlを含む窒化物半導体層を含む超格子からなる第2の窒化物半導体層を有している。 Nitride on the side close to the active layer 25 containing In semiconductor, or has a first nitride semiconductor layer made of GaN, including Al further first side away from the active layer than that of the nitride semiconductor layer and a second nitride semiconductor layer made of a superlattice comprising a nitride semiconductor layer. 図1の場合、n側光ガイド層24が第1の窒化物半導体層に相当する。 For Figure 1, n-side optical guide layer 24 corresponds to the first nitride semiconductor layer. この層を設けることにより、例えばレーザ素子では導波路領域を形成する層として作用し、また他の素子においては、活性層を成長させる前のバッファ層として作用し、結晶性の良い活性層を成長させやすくする。 By providing this layer, for example a laser device acts as a layer for forming a waveguide region, and in other devices, acts as a buffer layer before growing the active layer, growing a good crystallinity active layer It is easy to be.

【0021】さらに図1の場合、超格子より成るn側クラッド層23が第2の窒化物半導体層に相当する。 [0021] Furthermore, in the case of FIG. 1, n-side cladding layer 23 made of super lattice corresponds to the second nitride semiconductor layer. この層はキャリア閉じ込め、光閉じ込めのためのクラッド層として作用する。 This layer carrier confinement acts as a cladding layer for light confinement. 超格子とは、互いに組成の異なる窒化物半導体の薄膜を積層した多層膜層のことである。 The superlattice, is that of the multilayer film formed by laminating thin films of different nitride semiconductor compositions with each other. 超格子を形成する場合、一方の窒化物半導体はAlを含む窒化物半導体、好ましくは三元混晶のAl X Ga 1-X N(0 When forming a super lattice, one of the nitride semiconductor is a nitride semiconductor containing Al, preferably a ternary mixed crystal Al X Ga 1-X N ( 0
<X<1)とすると結晶性の良いものが得られやすい。 <X <1) and easily obtained having good crystallinity to be.
もう一方は前記Alを含む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、好ましくはそ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、In Y Ga 1-Y N(0≦Y≦1)を選択する。 The other may be of any type Different composition as nitride semiconductor containing the Al, but preferably as a nitride semiconductor band gap energy than the nitride semiconductor is small, In Y Ga 1-Y N (0 ≦ Y ≦ 1) selects. その中でもGaNとすると最も結晶性が良くなる。 When GaN Among its most crystalline is improved.
即ち、超格子層はAlGaNとGaNとで構成すると、 That is, the superlattice layer is to constitute between AlGaN and GaN,
結晶性の良いGaNがバッファ層のような作用をして、 Good crystallinity GaN is then acts like a buffer layer,
AlGaNを結晶性良く成長できる。 AlGaN a good crystallinity can be grown. 超格子層の単一膜厚は100オングストローム以下、さらに好ましくは7 Single thickness of the superlattice layer is 100 angstroms or less, more preferably 7
0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にする。 0 angstroms, and most preferably below 50 Angstroms. このように薄膜を成長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、 For the nitride semiconductor By thus growing a thin film becomes less elastic critical thickness,
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。 Also it enters easily crystals of cracks in the crystal, such as AlGaN, can quality may grow without cracks. また超格子層にはInAlN、InGaAlN等を形成することもできる。 Also the super lattice layer can be formed InAlN, the InGaAlN and the like.

【0022】また本発明の第1、及び第2の態様では、 [0024] In the first and second aspects of the present invention,
活性層25に接近した側にAlを含む窒化物半導体、若しくはGaNよりなる第3の窒化物半導体層を有し、さらに第3の窒化物半導体層よりも活性層から離れた側にAlを含む窒化物半導体層を含む超格子からなる第4の窒化物半導体層を有している。 Nitride on the side close to the active layer 25 including Al semiconductor, or a third nitride semiconductor layer made of GaN, including Al in yet a third side remote from the active layer than the nitride semiconductor layer It includes a nitride semiconductor layer and a fourth nitride semiconductor layer made of superlattice. 図1の場合、p側キャップ層26、若しくはp側光ガイド層27が第3の窒化物半導体層に相当し、超格子よりなるp側クラッド層28 For Figure 1, p-side cap layer 26 or the p-side optical guide layer 27, corresponds to the third nitride semiconductor layer, p-side cladding layer 28 composed of superlattices
が第4の窒化物半導体に相当する。 There corresponds to fourth nitride semiconductor. p側キャップ層26 p-side cap layer 26
は活性層の障壁層よりも大きなバンドギャップエネルギーを有する窒化物半導体として、その膜厚を0.1μm As a nitride semiconductor having a larger band gap energy than the barrier layer of the active layer, 0.1 [mu] m and the thickness
よりも薄くすることにより、出力が向上する傾向にある。 By thinner than, there is a tendency that the output can be improved. またp側光ガイド層27は、p側キャップ層よりもバンドギャップエネルギーを小さくすることにより、例えばレーザ素子では導波路領域を形成する層として作用し、また他の素子においては、p側クラッド層28を成長させる前のバッファ層として作用し、結晶性の良いクラッド層を成長させやすくする。 The p-side optical guide layer 27, by reducing the band gap energy than the p-side cap layer, for example a laser device acts as a layer for forming a waveguide region, and in other devices, p-side cladding layer It acts as a buffer layer before growing the 28 and easy to grow crystals having good clad layer.

【0023】さらに図1の場合、超格子より成るp側クラッド層28が第4の窒化物半導体層に相当する。 [0023] Furthermore, in the case of FIG. 1, p-side cladding layer 28 made of super lattice corresponds to the fourth nitride semiconductor layer. この層の作用、好ましい構成はn側クラッド層と全く同じであるので説明は省略する。 Action of this layer, the preferred configuration is identical to that of the n-side cladding layer description is omitted.

【0024】さらに、本発明ではn側クラッド層23、 Furthermore, in the present invention n-side cladding layer 23,
p側クラッド層29を超格子のGRIN構造とすることもできる。 The p-side cladding layer 29 may be a GRIN structure of the superlattice. GRIN構造とすると、活性層の発光はAl When GRIN structure, light emission of the active layer is 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。 Is guided in a region with less composition, longitudinal mode threshold is lowered more likely be a single mode. 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 Generally the cladding layer of the double heterostructure, it is necessary to increase the bandgap energy than the active layer, the cladding layer of a nitride semiconductor device, such as a AlGaN, Al
を含有する窒化物半導体が用いられる。 Nitride semiconductor containing is used. さらにGRIN In addition 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。 When a structure, a large layer outermost Al ratio, it is only a layer most distant words from the active layer, according to approach to the active layer, since the Al content is small, Al mixed into the outermost layer easily form a layer with the greater Akirahi. 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。 Therefore, it is possible to increase the refractive index difference between the cladding layer and the active layer, the light confinement effect becomes large, the threshold is lowered.
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GRIN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。 The refractive index of the GRIN structure gradually decreases from the center to the outside (the active layer), the threshold because light easily gather in the center decreases. なおn側クラッド層をGRIN構造とする場合には、クラッド層の活性層側が導波路領域を形成するので、n側光ガイド層24、p側光ガイド層28は省略しても良い。 Note When the n-side cladding layer and the GRIN structure, since the active layer side of the cladding layer to form a waveguide region, the n-side optical guide layer 24, p-side optical guide layer 28 may be omitted.

【0025】さらにまたn側クラッド層23、p側クラッド層28を超格子のGRIN構造とする場合、そのクラッド層に含まれるn型不純物濃度、p型不純物濃度の少なくとも一方を活性層に接近するに従って、少なくなるように調整することが望ましい。 [0025] Furthermore if the n-side cladding layer 23, p-side cladding layer 28 and the GRIN structure of the superlattice, approaches n-type impurity concentration contained in the cladding layer, at least one of the p-type impurity concentration in the active layer accordingly it is preferable to adjust to be less. 不純物はAlを含む第1の窒化物半導体層、もう一方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。 The first nitride semiconductor layer impurities containing Al, may be both doped to the other of the nitride semiconductor layer, it is desirable that preferably doped either. 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。 This is called modulation doping, by doping an impurity into one of the layers of the superlattice layer, the better the crystallinity of the entire superlattice layer, which is also effective in realizing a highly reliable element is a basis. 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。 That is, when growing a layer doped with impurities on the good crystallinity layer not doped with impurities, for improving the crystallinity of a layer doped with impurities, due to the crystallinity of the entire superlattice layer is improved . n型不純物としては、Si、G The n-type impurity, Si, G
e、Snを好ましく用いる。 e, the Sn preferably used. p型不純物としてはMg、 The p-type impurity Mg,
Be、Caを好ましく用いる。 Be, and Ca preferably used. このように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。 As thus the clad layer superlattice, when the donor contained in the superlattice, gradually reduce the acceptor concentration, the light absorption of the active layer near by the cladding layer is reduced, light loss threshold is lowered to decrease. 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。 Less nitride of further impurity concentration semiconductor, good crystallinity compared to the larger nitride semiconductor impurity concentration. そのため不純物濃度の少ない結晶性の良いn、 Therefore good low crystallinity impurity concentration 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。 When p both clad sandwiching the active layer by layer structure, for less active layer crystal defects can be grown even longer lifetime of the device, the reliability is improved, the withstand voltage of the element becomes high.

【0026】GRIN構造の場合、不純物濃度としてはn型不純物の場合、n側クラッド層の最外層で1×10 In the case of the GRIN structure, as the impurity concentration when the n-type impurity, 1 × 10 at the outermost layer of the n-side cladding layer
17 〜5×10 20 /cm 3 、好ましくは5×10 17 〜1×1 17 ~5 × 10 20 / cm 3 , preferably 5 × 10 17 ~1 × 1
20 /cm 3の範囲に調整する。 0 is adjusted to a range of 20 / cm 3. 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× The active layer proximity, for example, the following low impurity portion density region 0.3μm superlattice layer, 1 ×
10 19 /cm 3以下、さらに好ましくは5×10 18 /cm 3以下に調整する。 10 19 / cm 3 or less, more preferably adjusted to below 5 × 10 18 / cm 3. 一方、p型不純物の場合、p側クラッド層の最外層で1×10 On the other hand, in the case of p-type impurity, 1 × 10 at the outermost layer of the p-side cladding layer 17 〜5×10 21 /cm 3 、好ましくは5×10 17 〜1×10 21 /cm 3の範囲に調整する。 17 ~5 × 10 21 / cm 3 , preferably adjusted to the range of 5 × 10 17 ~1 × 10 21 / cm 3. また活性層近傍、例えば超格子層の低不純部濃度領域0. The low impurity portion density region near the active layer, for example, the superlattice layer 0.
3μm以下では、1×10 19 /cm 3以下、さらに好ましくは5×10 18 /cm 3以下に調整する。 Hereinafter 3μm, 1 × 10 19 / cm 3 or less, more preferably adjusted to below 5 × 10 18 / cm 3. 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、 Rather than the impurity concentration of the outermost layer, it is important towards the low impurity concentration layer,
活性層に接近した側の不純物濃度が1×10 19 /cm 3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。 The impurity concentration on the side close to the active layer is larger than 1 × 10 19 / cm 3, the light absorption is increased, the threshold tends to be hardly lowered. 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。 Further, the reduction in crystallinity due to the large amount of impurity concentration tends to life is shortened. 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。 Most preferably a state that is not intentionally doped with an impurity, i.e. an undoped.

【0027】 [0027]

【実施例】[実施例1](第1の態様、第2の態様) 以下、図1を元に本発明を詳説するが、実施例1は第1、第2両方の態様を示している。 EXAMPLES Example 1 (first embodiment, second embodiment) The following will illustrate the present invention based on FIG. 1, Example 1 shows a first, second both embodiments .

【0028】(GaN基板20)2インチφのサファイアよりなる異種基板の上に成長させたGaNの上に、ストライプ状のSiO 2からなる保護膜を形成し、このストライプ状の保護膜の上にMOVPE法を用いてアンドープGaN層を10μmの膜厚で成長させ、その後HV [0028] (GaN substrate 20) on the GaN grown on the foreign substrate made of sapphire 2 inches phi, forming a protective film made of stripe-shaped SiO 2, on top of the stripe-shaped protective film by MOVPE grown undoped GaN layer with a thickness of 10 [mu] m, then HV
PE法により同じくアンドープGaN層を300μmの膜厚で成長させる。 Similarly to grow an undoped GaN layer with a thickness of 300μm by PE method. 成長後、サファイア基板と、保護膜、MOVPEで成長させたGaN層を研磨して除去し、TEMによる断面観察で表面近傍の結晶欠陥が1× After the growth, the sapphire substrate, the protective film is removed by polishing the GaN layer grown by MOVPE, crystal defects are 1 × vicinity of the surface in cross-section observation by TEM
10 5 /cm 2以下のGaN基板20を得る。 Obtaining 10 5 / cm 2 or less of the GaN substrate 20. 研磨の他、サファイアとGaN基板とを分離する手段として、研磨したサファイア基板裏面側から高出力のエキシマレーザを、スポット100μmφ程度の大きさで照射して走査することにより、GaNの界面のGaNを変質させて分離する方法があるが、この方法を用いても良い。 Other polishing, as a means of separating the sapphire and GaN substrates, a high output excimer laser from the polished sapphire substrate back surface side, by scanning and irradiating a size of approximately spots 100Myuemufai, the GaN of the GaN at the interface there is a method of separating by altered but may be used with this method.

【0029】(n側コンタクト層21)次にGaN基板(研磨側と反対側の面)の上に、Siを1×10 19 /cm [0029] (n-side contact layer 21) then on the GaN substrate (the surface of the polishing side opposite), the Si 1 × 10 19 / cm
3ドープしたGaNよりなるn側コンタクト層5を4μ 3 doped 4μ the n-side contact layer 5 made of GaN
mの膜厚で成長させる。 It is grown to the thickness of m. なおn側コンタクト層21〜p It should be noted that the n-side contact layer 21~p
側コンタクト層29までは全てMOVPE法で積層成長している。 All to the side contact layer 29 are stacked growth in the MOVPE method.

【0030】(クラック防止層22)次に、Siを5× [0030] (crack preventing layer 22) Next, 5 × the Si
10 18 /cm 3ドープしたIn 0.06 Ga 0.94 Nよりなるクラック防止層22を0.15μmの膜厚で成長させる。 The 10 18 / cm 3 doped with an In 0.06 Ga 0.94 crack preventing layer 22 made of N is grown to the thickness of 0.15 [mu] m.
なお、このクラック防止層は省略可能である。 Incidentally, the crack preventing layer may be omitted.

【0031】(n側クラッド層23=超格子層)続いて、アンドープAl 0.16 Ga 0.84 Nよりなる層を25オングストロームの膜厚で成長させ、続いてTMAを止めて、シランガスを流し、Siを1×10 18 /cm 3ドープしたn型GaNよりなる層を25オングストロームの膜厚で成長させる。 [0031] (n-side cladding layer 23 = superlattice layer) Subsequently, by growing a layer of undoped Al 0.16 Ga 0.84 N with a thickness of 25 Å, followed by stopping the TMA, flowing silane gas, a Si 1 × 10 18 / cm 3 a layer made of doped n-type GaN is grown to the thickness of 25 angstroms. それらの層を交互に積層して超格子層を構成し、総膜厚1.2μmの超格子よりなるn側クラッド層23を成長させる。 By stacking the layers alternately constitute a superlattice layer is grown an n-side cladding layer 23 made of super lattice having a total thickness of 1.2 [mu] m. このように超格子は、一方をAlを含む窒化物半導体で構成し、もう一方はそれよりもバンドギャップエネルギーの小さな窒化物半導体で構成し、いずれか一方の層に不純物をドープするいわゆる変調ドープを行うことが望ましい。 Thus superlattice, one composed of a nitride semiconductor containing Al, the other is constituted by a small nitride semiconductor band gap energy than the so-called modulation doping to dope impurities into one of the layers be carried out is desirable.

【0032】(n側光ガイド層24)続いて、アンドープGaNよりなるn側光ガイド層24を0.1μmの膜厚で成長させる。 [0032] (n-side optical guide layer 24) Then, to grow the n-side optical guide layer 24 composed of undoped GaN with a thickness of 0.1 [mu] m. このn側光ガイド層24にSi、G Si on the n-side optical guide layer 24, G
e、Sn等のn型不純物をドープしても良い。 e, it may be doped with n-type impurities such as Sn.

【0033】(活性層25)次に、アンドープIn 0.2 [0033] Next (active layer 25), an undoped In 0.2
Ga 0.8 Nよりなる井戸層を40オングストロームの膜厚で成長させ、続いて同一温度で、Siを5×10 18 The well layer made of Ga 0.8 N is grown to the thickness of 40 angstroms, followed at the same temperature, Si and 5 × 10 18 /
cm 3ドープしたIn 0.0 1 Ga 0.95 Nよりなる障壁層を1 cm 3 doped with an In 0.0 barrier layer of 1 Ga 0.95 N 1
00オングストロームの膜厚で成長させる。 00 Angstroms of film is grown in thickness. このように井戸+障壁+井戸+障壁の順に積層し、総膜厚280オングストロームの多重量子井戸構造(MQW)の活性層を成長させる。 Thus laminated in order of the well + barrier + well + barrier is grown an active layer of a multiple quantum well structure having a total thickness of 280 angstroms (MQW). なおこの活性層の最後の障壁層には、隣接するp側キャップ層から拡散したのか、Mgが1×1 Note that the last barrier layer in the active layer, whether diffused from the adjacent p-side cap layer, Mg is 1 × 1
18 /cm 0 18 / cm 3含まれていた。 3 were included.

【0034】(p側キャップ層26)次に、Mgを1× [0034] (p-side cap layer 26) Next, a Mg 1 ×
10 20 /cm 3ドープしたp型Al 0.3 Ga 0.7 Nよりなるp側キャップ層26を150オングストロームの膜厚で成長させる。 10 20 / cm 3 p-side cap layer 26 made of doped p-type Al 0.3 Ga 0.7 N is grown to the thickness of 150 angstroms. 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。 The p-type cap layer tends to increase the output of the device by forming the following film thickness 0.1 [mu] m. 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。 The lower limit of the thickness is not particularly limited, it is preferably formed of a film thickness of at least 10 angstroms. このキャップ層も省略可能である。 The cap layer can also be omitted.

【0035】(p側光ガイド層27)次にMgを5×1 [0035] (p-side optical guide layer 27) then Mg 5 × 1
16 /cm 3ドープしたGaNよりなるp側光ガイド層2 0 16 / cm 3 consisting of doped GaN p-side optical guide layer 2
7を0.1μmの膜厚で成長させる。 7 is grown to the thickness of 0.1 [mu] m.

【0036】(p側クラッド層28)続いて、アンドープAl 0.16 Ga 0.84 Nよりなる層を25オングストロームの膜厚で成長させ、続いてMgを1×10 19 /cm 3ドープしたGaNよりなる層を25オングストロームの膜厚で成長させ、それらを交互に積層し、総膜厚0.7μ [0036] (p-side cladding layer 28) Subsequently, a layer of undoped Al 0.16 Ga 0.84 N is grown to the thickness of 25 Å, followed of GaN was 1 × 10 19 / cm 3 doped with Mg and a layer of is grown to the thickness of 25 Å, stacked them alternately total thickness 0.7μ
mの超格子層よりなるp側クラッド層28を成長させる。 The p-side cladding layer 28 of super lattice layer of m is grown.

【0037】(p側コンタクト層29)最後に、Mgを1×10 20 /cm 3ドープしたp型GaNよりなるp側コンタクト層29を150オングストロームの膜厚で成長させる。 [0037] (p-side contact layer 29) Finally, the p-side contact layer 29 of p-type GaN was 1 × 10 20 / cm 3 doped with Mg is grown to the thickness of 150 angstroms.

【0038】このようにして成長させたウェーハをMO [0038] The wafer grown this way, MO
VPE反応容器から取り出し、最上層のp側コンタクト層の表面に、CVD装置を用いてSiO 2よりなるストライプ幅1.5μmのマスクを形成し、RIE(反応性イオンエッチング)装置を用いて図1に示すように、n Removed from VPE reactor, the surface of the uppermost p-side contact layer, to form a mask stripe width 1.5μm made of SiO 2 using a CVD device, using a RIE (reactive ion etching) apparatus 1 as shown in, n
側コンタクト層21の表面が露出するまでエッチングを行う。 Etched to expose the surface of the side contact layer 21. そして露出したn側コンタクト層21の表面にT And T on the exposed surface of the n-side contact layer 21
i/Alよりなるn電極32を形成する。 Forming an n electrode 32 made of i / Al.

【0039】n電極形成後、p側コンタクト層29の表面にSiO2マスクをつけたまま、n電極の表面に同じくSiO 2マスクを形成し、図1に示すようにエッチングされて露出したストライプ状の窒化物半導体層の側面にZrO2よりなる絶縁膜30を形成する。 [0039] After the n electrode formation, while wearing a SiO2 mask on the surface of the p-side contact layer 29, also forming a SiO 2 mask on the surface of the n-electrode, a stripe-shaped exposed by etching as shown in FIG. 1 the side surface of the nitride semiconductor layer to form an insulating film 30 made of ZrO2.

【0040】絶縁膜30形成後、リフトオフ法によりS [0040] After the insulating film 30 formed, S by a lift-off method
iO 2マスクを除去した後、その絶縁膜30を介してp After removal of the iO 2 mask, p through the insulating film 30
側コンタクト層29の表面にNi/Auよりなるp電極31を形成する。 Forming a p-electrode 31 made of Ni / Au on the surface of the side contact layer 29.

【0041】電極形成後、GaN基板をM面(11−0 [0041] After the electrode formation, a GaN substrate M plane (11-0
0)で劈開して対向する劈開面を共振面としてレーザ素子を作製したところ、閾値電流密度1.2kA/cm 2で連続発振を示し、20mW出力において2000時間以上の連続発振を示した。 The cleavage plane which faces cleaving 0) were manufactured laser element as a resonant surface, it shows a continuous oscillation threshold current density 1.2 kA / cm 2, showed a continuous oscillation of more than 2000 hours at 20mW output.

【0042】さらに、このレーザ素子の活性層25において、井戸層の数を変えた際のレーザ素子の閾値電流密度の関係を図2に示す。 [0042] Further, in the active layer 25 of the laser device shows a relationship between the threshold current density of the laser element at the time of changing the number of well layers in FIG. 図2において、井戸層の数1は単一量子井戸を示しており、後は井戸層を障壁層で挟んだ多重量子井戸構造を示している。 2, the number 1 of the well layer shows a single quantum well, after shows a multiple quantum well structure sandwiching the well layer with a barrier layer. この図に示すように井戸層の数と、閾値電流密度とは密接な関係にあり、井戸層の数2が最も閾値電流密度が低下することが分かる。 The number of well layers, as shown in the figure, are closely related to the threshold current density, it can be seen that 2 number of well layers is most reduced threshold current density.

【0043】[実施例2](第2の態様) 実施例1において活性層25を成長させる際にSiを5 [0043] [Example 2] 5 Si in growing the (second embodiment) active layer 25 in Example 1
×10 18 /cm 3ドープしたIn 0.01 Ga 0.95 N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、続いて同一温度で、Siを1×1018ドープしたIn 0.2 × 10 18 / cm 3 the barrier layer of doped In 0.01 Ga 0.95 N is grown to the thickness of 100 Å, followed at the same temperature, an In 0.2 was 1 × 1018 doped with Si
Ga 0.8 N井戸層を40オングストロームの膜厚で成長させる。 The Ga 0.8 N well layer is grown to the thickness of 40 angstroms. そしてSiドープ障壁+Siドープ井戸+Si And Si-doped barrier + Si-doped well + Si
ドープ障壁を積層した後、最後の井戸層をアンドープとし、続いて最後のSiドープ障壁層を成長させ、総膜厚380オングストロームの多重量子井戸構造(MQW) After stacking the doped barrier, the last well layer and an undoped, followed by growing a final Si-doped barrier layer, a total thickness of 380 angstroms multiple quantum well (MQW) structure
とする。 To. その他は実施例1と同様にしてレーザ素子を作製したところ、実施例1に比較して若干、閾値電流密度は上昇したが、同じく20mW出力において、2000 Others were manufactured laser element in the same manner as in Example 1, somewhat compared to Example 1, the threshold current density was increased, in well 20mW output, 2000
時間以上の寿命を示した。 It shows the time or more of life.

【0044】[実施例3]図3は本発明の実施例3に係るレーザ素子の構造を示す模式的な断面図であり、以下この図を元に、実施例3について説明する。 [0044] [Embodiment 3] FIG. 3 is a schematic sectional view showing a structure of a laser device according to Example 3 of the present invention, the following based on the drawings, the third embodiment will be described.

【0045】(GaN基板20')2インチφのサファイアよりなる異種基板の上に成長させたGaNの上に、 [0045] (GaN substrate 20 ') on the GaN grown on a foreign substrate made of sapphire a 2-inch φ,
ストライプ状のSiO 2からなる保護膜を形成し、このストライプ状の保護膜の上にMOVPE法を用いてアンドープGaN層を10μmの膜厚で成長させ、その後H Forming a protective film made of stripe-shaped SiO 2, an undoped GaN layer is grown to a thickness of 10μm by MOVPE on top of the stripe-shaped protective film, then H
VPE法によりSiを1×1018/cm3ドープしたGa Ga was 1 × 1018 / cm3 doped with Si by the VPE method
N層を300μmの膜厚で成長させる。 The N layer is grown to the thickness of 300 [mu] m. 成長後、サファイア基板と、保護膜、アンドープGaN層を研磨して除去し、SiをドープしたGaN基板を得る。 After the growth, obtained and the sapphire substrate, the protective film is removed by polishing the undoped GaN layer, a GaN substrate doped with Si.

【0046】(クラック防止層22)次に、実施例1と同様にして、Siを5×10 18 /cm 3ドープしたIn [0046] (crack preventing layer 22) Next, in the same manner as in Example 1 was 5 × 10 18 / cm 3 doped with Si an In
0.06 Ga 0.94 Nよりなるクラック防止層22を0.2μ 0.06 Ga 0.94 0.2.mu. the crack preventing layer 22 made of N
mの膜厚で成長させる。 It is grown to the thickness of m.

【0047】(n側クラッド層23'=超格子GRIN [0047] (n-side cladding layer 23 '= superlattice GRIN
構造)次に1回目にSiを5×10 18 /cm 3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Al 0.30 Ga 0.70 N層を25オングストロームの膜厚で成長させる。 The GaN layer 5 × 10 18 / cm 3 doped with Si structure) next first grown 25 Å, followed undoped Al 0.30 Ga 0.70 N layer is grown to the thickness of 25 angstroms. 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Al含有ガスの量を若干少なくして、アンドープで、およそAl 0.29 Ga 0.71 N層を25オングストロームの膜厚で成長させる。 And second, it is grown 25 angstrom GaN layer by slightly reducing the amount of Si-containing gas, followed by slightly reducing the amount of Al-containing gas, an undoped, approximately Al 0.29 Ga 0.71 N layer of 25 Å It is grown to the thickness. Al 0.29 Ga 0.71 Nの混晶比は正確な値ではない。 Mixed crystal ratio of Al 0.29 Ga 0.71 N is not an exact value. 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AlGaNよりもAl含有量がさらに少ないアンドープAlGaN層を成長させる。 3 subsequent times, further reducing the Si gas amount than GaN grown above the GaN layer, by growing a Si-doped GaN layer, is even less Al content than subsequently grown previously AlGaN to grow the undoped AlGaN layer. このようにして、S In this way, S
i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Al X as the content of i approaches the active layer, and a Si-doped GaN layer gradually becomes smaller, the undoped Al X G
1-X N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Al含有量が少ないアンドープAlGaNを2 After 1.2 [mu] m (240 pairs) grow with the a 1-X N layer, stopping the Si-containing gas, an undoped GaN layer 25 angstroms, more Al content than AlGaN grown above low undoped the AlGaN 2
5オングストローム成長させる。 5 angstroms is grown. 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23'を1.3μmの膜厚で成長させる。 And while changing only the composition of AlGaN, and last undoped GaN with a thickness of 0.1 [mu] m (20 pairs), by growing such that the undoped GaN, and AlGaN that Al content is gradually less and less , growing the n-side cladding layer 23 'of the superlattice structure composed of GaN that Si content is gradually less and less at a film thickness of 1.3 .mu.m. なお、 It should be noted that,
n型不純物量はGaNの方で調整したが、AlGaN層の方で調整することもできる。 n-type impurity amount was adjusted in the way of GaN, but can also be adjusted in the way of AlGaN layer. またAlGaNのAl組成比は細分化して次第に少なくなるように調整したが、 The Al composition ratio of AlGaN has been adjusted to less and less subdividing,
例えば、3段階ぐらいで大まかにステップ状に小さくすることもでき、本発明の範囲内である。 For example, can be reduced to roughly stepwise in about three steps, it is within the scope of the present invention.

【0048】(活性層25)実施例1と同様にして、4 [0048] (active layer 25) in the same manner as in Example 1, 4
0オングストロームのIn 0.2 Ga 0.8 Nよりなる井戸層と、100オングストロームのSiを5×10 18 /cm 3 0 angstroms In 0.2 Ga 0.8 N consisting well layer, a 100 Å Si 5 × 10 18 / cm 3
ドープしたIn 0.01 Ga 0.95 Nよりなる障壁層とを、井戸+障壁+井戸+障壁の順に積層した総膜厚280オングストロームの多重量子井戸構造(MQW)の活性層を成長させる。 And a barrier layer made of doped In 0.01 Ga 0.95 N, the active layer is grown the well + barrier + well + barrier multi-quantum well structure having a total thickness of 280 Å was laminated in this order (MQW). また活性層25とn側クラッド層23'との間に実施例1と同様にしてn側光ガイド層を形成しても良い。 Or it may be an n-side optical guide layer in the same manner as in Example 1 between the active layer 25 and the n-side cladding layer 23 '.

【0049】(p側クラッド層28')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。 [0049] (p-side cladding layer 28 ') and then an undoped GaN layer is grown 25 Angstroms to 1 time, followed AlGaN layer that trace amount containing Al slightly flowing Al-containing gas with a film thickness of 25 Å to grow. そして2回目に、同じくアンドープGaNを25 And for the second time, also the undoped GaN 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。 Å is grown, followed by slightly increasing the amount of Al-containing gas is 25 Å grow AlGaN with. 3回目以降は、先に成長させたAlGaNよりもAl含有量が若干多いアンドープAlGaN層を成長させる。 3 time and thereafter, Al content grow slightly more undoped AlGaN layer than AlGaN grown earlier. 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。 In this way, an undoped GaN layer 25 angstroms, it is a Al content is slightly but alternately stacking undoped AlGaN layer 25 Å gradually becomes many, 500 angstroms (10 pairs) are grown. 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。 After 10 pair growth, followed by a slight flow of Mg-containing gas, a Mg-doped GaN layer trace amount doped with Mg is grown 25 Angstroms, often Al content than the undoped AlGaN layer grown previously followed the AlGaN layer is grown to the thickness of 25 angstroms. 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Al X Ga 1-X N層25オングストロームとを交互に積層して、最後にMg Then, the distance from the active layer, the undoped and Mg-doped GaN layer 25 angstroms amount of Mg is gradually becomes large, go again become the amount of Al is gradually more as the distance from the active layer Al X Ga 1-X N by laminating a layer 25 Å alternately, finally Mg
を8×10 19 /cm 3ドープしたGaN層を成長させ、その次にアンドープAl 0.2 Ga 0.8 N層を成長させ、合計で0.75μm(150ペア)成長させる。 The 8 × 10 19 / cm 3 doped GaN layer is grown next to the grown undoped Al 0.2 Ga 0.8 N layer, 0.75 .mu.m (0.99 pairs) are grown in total. 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。 In this manner, as the distance from the active layer, and a GaN layer Mg content gradually becomes large, the p-side cladding layer 10 of super lattice structure consisting of the AlGaN layer Al content gradually becomes more zero. It is grown to the thickness of 8μm. 同様に、 Similarly,
p型不純物量はGaNの方で調整したが、AlGaN層の方で調整することもできる。 p-type impurity amount was adjusted in the way of GaN, but can also be adjusted in the way of AlGaN layer. またAlGaNのAl組成比は細分化して次第に大きくなるように調整したが、 The Al composition ratio of AlGaN has been adjusted to gradually increase subdividing,
例えば、3段階ぐらいで大まかにステップ状に大きくすることもでき、本発明の範囲内である。 For example, can also be increased to roughly stepwise in about three steps, it is within the scope of the present invention. また、活性層2 In addition, the active layer 2
5とp側クラッド層28'との間に、実施例1と同様にして、p側キャップ層26、p側光ガイド層27を形成しても良い。 Between 5 and p-side cladding layer 28 ', in the same manner as in Example 1, it may be a p-side cap layer 26, p-side optical guide layer 27.

【0050】(p側コンタクト層29)次に、実施例1 Next (p-side contact layer 29), Example 1
と同様にして、Mgを1×10 20 /cm 3ドープしたp型GaNよりなるp側コンタクト層29を150オングストロームの膜厚で成長させる。 And similarly, the p-side contact layer 29 of p-type GaN was 1 × 10 20 / cm 3 doped with Mg is grown to the thickness of 150 angstroms.

【0051】このようにして成長させたウェーハをMO [0051] The wafer grown this way, MO
VPE反応容器から取り出し、CVD装置を用いてSi Removed from VPE reactor, Si using CVD device
2よりなるストライプ幅1.5μmのマスクを形成し、RIEにより、図3に示すように、GaN基板2 The mask stripe width 1.5μm made of O 2 to form, by RIE, as shown in FIG. 3, GaN substrate 2
0'の表面が露出するまでエッチングを行う。 The surface of the 0 'etched to expose. そして、 And,
p側コンタクト層29の表面にSiO 2マスクをつけたまま、n電極の表面に同じくSiO 2マスクを形成し、 while wearing a SiO 2 mask on the surface of the p-side contact layer 29, also forming a SiO 2 mask on the surface of the n-electrode,
図1に示すようにエッチングされて露出したストライプ状の窒化物半導体層の側面にZrO 2よりなる絶縁膜3 Figure 1 consists of ZrO 2 to the etched side surface of the exposed stripe-shaped nitride semiconductor layer, as shown in the insulating film 3
0を形成する。 To form a 0.

【0052】絶縁膜30形成後、図3に示すようにGa [0052] After the insulating film 30 formed, as shown in FIG. 3 Ga
N基板20'の裏面にTi/Alより成るn電極32を形成し、GaN基板をM面(11−00=六角柱の側面に相当する面)で劈開して対向する劈開面を共振面としてレーザ素子を作製したところ、実施例1とほぼ同等の特性を有するレーザ素子が得られた。 The n electrode 32 made of Ti / Al is formed on the back surface of the N substrate 20 ', a cleavage plane which faces cleaved with a GaN substrate M plane (11-00 = surface corresponding to the side surface of the hexagonal prism) as a resonance plane It was manufactured laser device, laser device having substantially the same characteristics as in example 1 were obtained. なお図1のレーザ素子も図3と同じくn電極をGaN基板裏面側に設ける構造とできることは言うまでもない。 Note it is needless to say that the laser device of FIG. 1 also Figure 3 similarly to the structure in which an n-electrode on the GaN substrate back side.

【0053】[実施例4]実施例3において、n側クラッド層23'成長時に超格子構造のGaN層全てにSi [0053] In Example 4 Example 3, when n-side cladding layer 23 'grown GaN layer all superlattice structure Si
を1×10 18 /cm 3ドープする。 The to 1 × 10 18 / cm 3 doped. また、p側クラッド層28'成長時に超格子構造のGaN層全てにMgを1× Also, 1 × with Mg at the p-side cladding layer 28 'grown GaN layer all superlattice structure
10 19 /cm 3ドープする他は同様にしてレーザ素子を得たところ、実施例3に比較して閾値電流密度は若干上昇したが、同じく20mW出力において、2000時間以上の寿命を示した。 When the addition to 10 19 / cm 3 doped to obtain a laser device in the same manner, the threshold current density was slightly increased compared to Example 3, the same 20mW output showed 2000 hours or more life.

【0054】 [0054]

【発明の効果】以上説明したように、本発明の第1の態様、第2の態様では活性層の井戸層をアンドープとして、障壁層にのみn型不純物をドープするか、少なくともp層側の最後の井戸層をアンドープ、障壁層にn型不純物をドープすることにより、閾値電流密度が低く、長寿命なレーザ素子を作製することができる。 As described in the foregoing, a first aspect of the present invention, the well layer of the active layer as an undoped In the second aspect, or doped with n-type impurity only to the barrier layer, at least the p-layer side undoped last well layer by doping n-type impurity in the barrier layer, the threshold current density is low, it is possible to produce a long-life laser element. このような多重量子井戸構造を有する活性層はレーザ素子だけでなく、LED、スーパールミネッセントダイオードのような発光素子、太陽電池、光センサー等の受光素子にも適用でき、その産業上の利用価値は非常に大きい。 Active layer having such a multiple quantum well structure is not only a laser element, LED, light emitting element, a solar cell, such as a super luminescent diode, it can be applied to the light receiving element such as an optical sensor, the use of its industrial value is very large.

【図面の簡単な説明】 BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS

【図1】 本発明の一実施例に係るレーザ素子構造を示す模式断面図。 Schematic cross-sectional view showing the laser device structure according to an embodiment of the present invention; FIG.

【図2】 活性層の井戸層の数と、レーザ素子の閾値電流密度との関係を示す図。 Shows Figure 2 the number of wells in the active layer layer, the relationship between the threshold current density of laser elements.

【図3】 本発明の他の実施例に係るレーザ素子の構造をし示す模式断面図。 Schematic cross-sectional view showing a structure of a laser device according to another embodiment of the present invention; FIG.

【符号の説明】 DESCRIPTION OF SYMBOLS

20、20'・・・GaN基板 21・・・n側コンタクト層 22・・・クラック防止層 23、23'・・・n側クラッド層 24・・・n側光ガイド層 25・・・活性層 26・・・p側キャップ層 27・・・p側光ガイド層 28、28'・・・p側クラッド層 29・・・p側コンタクト層 30・・・絶縁膜 31・・・p電極 32・・・n電極 20, 20 '... GaN substrate 21, ... n-side contact layer 22 ... crack preventing layer 23, 23', ... n-side cladding layer 24, ... n-side optical guide layer 25 ... active layer 26 ... p-side cap layer 27 ... p-side optical guide layer 28, 28 '... p-side cladding layer 29 ... p-side contact layer 30 ... insulating film 31 ... p electrode 32, ·· n electrode

Claims (8)

    【特許請求の範囲】 [The claims]
  1. 【請求項1】 n側の窒化物半導体層と、p側の窒化物半導体層との間に、Inを含む窒化物半導体よりなる井戸層と、井戸層と組成の異なる窒化物半導体よりなる障壁層とが積層されてなる多重量子井戸構造の活性層を有し、前記活性層の井戸層はアンドープであり、前記障壁層にn型不純物がドープされていることを特徴とする窒化物半導体素子。 And 1. A n nitride side semiconductor layer, between the p-side nitride semiconductor layer, a well layer made of nitride semiconductor containing In, consisting different nitride semiconductor compositions well layer barrier It has an active layer of multiple quantum well structure in which a layer formed by stacking the well layer of the active layer is undoped nitride semiconductor device characterized by n-type impurity is doped in the barrier layer .
  2. 【請求項2】 n側の窒化物半導体層と、p側の窒化物半導体層との間に、Inを含む窒化物半導体よりなる井戸層と、井戸層と組成の異なる窒化物半導体よりなる障壁層とが積層されてなる多重量子井戸構造の活性層を有し、前記多重量子井戸構造は、p側の窒化物半導体に接近した側が障壁層で終わっており、少なくとも最後の井戸層がアンドープで、最後の障壁層にn型不純物がドープされていることを特徴とする窒化物半導体素子。 2. A n nitride side semiconductor layer, between the p-side nitride semiconductor layer, a well layer made of nitride semiconductor containing In, consisting different nitride semiconductor compositions well layer barrier has an active layer of multiple quantum well structure in which a layer formed by stacking, the multiple quantum well structure, the side close to the nitride semiconductor of the p-side ends with a barrier layer, at least the last well layer is an undoped the nitride semiconductor device, wherein the n-type impurity is doped at the end of the barrier layer.
  3. 【請求項3】 前記n側の窒化物半導体層には、活性層に接近した側にInを含む窒化物半導体、若しくはGa Wherein the nitride semiconductor layer of the n-side nitride semiconductor containing In on the side close to the active layer, or Ga
    Nよりなる第1の窒化物半導体層を有し、さらに第1の窒化物半導体層よりも活性層から離れた側にAlを含む窒化物半導体層を含む超格子からなる第2の窒化物半導体層を有することを特徴とする請求項1または2に記載の窒化物半導体素子。 Having a first nitride semiconductor layer made of N, further a second nitride semiconductor formed of a superlattice comprising a nitride semiconductor layer containing Al on the far side from the active layer than the first nitride semiconductor layer the nitride semiconductor device according to claim 1 or 2, characterized by having a layer.
  4. 【請求項4】 前記p側の窒化物半導体層には、活性層に接近した側にAlを含む窒化物半導体、若しくはGa Wherein the nitride semiconductor layer of the p-side nitride semiconductor including Al on the side close to the active layer, or Ga
    Nよりなる第3の窒化物半導体層を有し、さらに第3の窒化物半導体層よりも活性層から離れた側にAlを含む窒化物半導体層を含む超格子からなる第4の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。 A third nitride semiconductor layer made of N, further a third fourth nitride semiconductor formed of a superlattice comprising a nitride semiconductor layer containing Al on the side away from the active layer than that of the nitride semiconductor layer the nitride semiconductor device according to any one of claims 1 to 3, characterized by having a layer.
  5. 【請求項5】 前記n側、又はp側の窒化物半導体層の内の少なくとも一方には、Alを含む窒化物半導体を含む超格子からなる第5の窒化物半導体層を有し、その第5の窒化物半導体層のAl含有量が、活性層に接近するにつれて少なくなるようにされていることを特徴とする請求項1または2に記載の窒化物半導体素子。 Wherein said n-side, or on at least one of the p-side nitride semiconductor layer, a fifth nitride semiconductor layer made of a superlattice comprising a nitride semiconductor containing Al, the first Al content in the nitride semiconductor layer 5 is, the nitride semiconductor device according to claim 1 or 2, characterized in that it is to become smaller as approaching the active layer.
  6. 【請求項6】 前記第5の窒化物半導体層には、その層の導電型を決定する不純物がドープされており、その不純物が活性層に接近するにつれて少なくなるよう調整されていることを特徴とする請求項5に記載の窒化物半導体素子。 To wherein said fifth nitride semiconductor layer, the which impurity for determining the conductivity type of the layer is doped, characterized in that the impurity is adjusted to be less as it approaches the active layer nitride semiconductor device according to claim 5,.
  7. 【請求項7】 前記障壁層にはp型不純物が不純物拡散により含まれてい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。 7. A nitride semiconductor device according to any one of claims 1 to 6 wherein the barrier layer is p-type impurity, characterized in that it contains by impurity diffusion.
  8. 【請求項8】 前記多重量子井戸構造の全井戸層数が2 8. total number of well layers of the multiple quantum well structure 2
    であ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。 The nitride semiconductor device according to any one of claims 1 to 7, characterized in that.
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