JPWO2005022711A1 - 窒化物半導体発光素子およびその製造方法 - Google Patents
窒化物半導体発光素子およびその製造方法 Download PDFInfo
- Publication number
- JPWO2005022711A1 JPWO2005022711A1 JP2005513448A JP2005513448A JPWO2005022711A1 JP WO2005022711 A1 JPWO2005022711 A1 JP WO2005022711A1 JP 2005513448 A JP2005513448 A JP 2005513448A JP 2005513448 A JP2005513448 A JP 2005513448A JP WO2005022711 A1 JPWO2005022711 A1 JP WO2005022711A1
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- layer
- nitride semiconductor
- light emitting
- emitting device
- semiconductor light
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 title claims abstract description 136
- 150000004767 nitrides Chemical class 0.000 title claims abstract description 89
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 title claims description 6
- 238000005253 cladding Methods 0.000 claims abstract description 119
- 229910052738 indium Inorganic materials 0.000 claims description 99
- APFVFJFRJDLVQX-UHFFFAOYSA-N indium atom Chemical compound [In] APFVFJFRJDLVQX-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 96
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims description 34
- 239000013078 crystal Substances 0.000 abstract description 22
- 229910002704 AlGaN Inorganic materials 0.000 abstract description 11
- 238000003780 insertion Methods 0.000 abstract description 2
- 230000037431 insertion Effects 0.000 abstract description 2
- 230000010355 oscillation Effects 0.000 description 23
- JMASRVWKEDWRBT-UHFFFAOYSA-N Gallium nitride Chemical compound [Ga]#N JMASRVWKEDWRBT-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 12
- 230000004888 barrier function Effects 0.000 description 12
- 239000010408 film Substances 0.000 description 12
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 11
- 229910004298 SiO 2 Inorganic materials 0.000 description 9
- 238000005530 etching Methods 0.000 description 9
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 description 6
- 238000006731 degradation reaction Methods 0.000 description 6
- 230000006866 deterioration Effects 0.000 description 6
- 239000000463 material Substances 0.000 description 6
- 229910018072 Al 2 O 3 Inorganic materials 0.000 description 5
- 229910010413 TiO 2 Inorganic materials 0.000 description 5
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 5
- 238000003776 cleavage reaction Methods 0.000 description 5
- 229910052737 gold Inorganic materials 0.000 description 5
- 238000000034 method Methods 0.000 description 5
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 description 5
- 230000007017 scission Effects 0.000 description 5
- 239000012535 impurity Substances 0.000 description 4
- 238000004544 sputter deposition Methods 0.000 description 4
- 235000005811 Viola adunca Nutrition 0.000 description 3
- 240000009038 Viola odorata Species 0.000 description 3
- 235000013487 Viola odorata Nutrition 0.000 description 3
- 235000002254 Viola papilionacea Nutrition 0.000 description 3
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 3
- 238000004020 luminiscence type Methods 0.000 description 3
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 3
- 238000002488 metal-organic chemical vapour deposition Methods 0.000 description 3
- 229910052594 sapphire Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000010980 sapphire Substances 0.000 description 3
- QGZKDVFQNNGYKY-UHFFFAOYSA-N Ammonia Chemical compound N QGZKDVFQNNGYKY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- OAICVXFJPJFONN-UHFFFAOYSA-N Phosphorus Chemical compound [P] OAICVXFJPJFONN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910052785 arsenic Inorganic materials 0.000 description 2
- RQNWIZPPADIBDY-UHFFFAOYSA-N arsenic atom Chemical compound [As] RQNWIZPPADIBDY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 2
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 2
- 230000008859 change Effects 0.000 description 2
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 2
- 238000000354 decomposition reaction Methods 0.000 description 2
- 230000001747 exhibiting effect Effects 0.000 description 2
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 2
- 229910021478 group 5 element Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 2
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 2
- 229910052698 phosphorus Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000011574 phosphorus Substances 0.000 description 2
- 238000005979 thermal decomposition reaction Methods 0.000 description 2
- JLTRXTDYQLMHGR-UHFFFAOYSA-N trimethylaluminium Chemical compound C[Al](C)C JLTRXTDYQLMHGR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- XCZXGTMEAKBVPV-UHFFFAOYSA-N trimethylgallium Chemical compound C[Ga](C)C XCZXGTMEAKBVPV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- IBEFSUTVZWZJEL-UHFFFAOYSA-N trimethylindium Chemical compound C[In](C)C IBEFSUTVZWZJEL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- -1 InGaN Chemical compound 0.000 description 1
- 229910021529 ammonia Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000000903 blocking effect Effects 0.000 description 1
- 238000005229 chemical vapour deposition Methods 0.000 description 1
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 238000001312 dry etching Methods 0.000 description 1
- 239000007772 electrode material Substances 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 238000011156 evaluation Methods 0.000 description 1
- 230000008020 evaporation Effects 0.000 description 1
- 238000001704 evaporation Methods 0.000 description 1
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 1
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 1
- 238000005424 photoluminescence Methods 0.000 description 1
- 230000000704 physical effect Effects 0.000 description 1
- 230000008569 process Effects 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
- 239000010409 thin film Substances 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
- H01S5/00—Semiconductor lasers
- H01S5/30—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region
- H01S5/32—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising PN junctions, e.g. hetero- or double- heterostructures
- H01S5/323—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising PN junctions, e.g. hetero- or double- heterostructures in AIIIBV compounds, e.g. AlGaAs-laser, InP-based laser
- H01S5/32308—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising PN junctions, e.g. hetero- or double- heterostructures in AIIIBV compounds, e.g. AlGaAs-laser, InP-based laser emitting light at a wavelength less than 900 nm
- H01S5/32341—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising PN junctions, e.g. hetero- or double- heterostructures in AIIIBV compounds, e.g. AlGaAs-laser, InP-based laser emitting light at a wavelength less than 900 nm blue laser based on GaN or GaP
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L33/00—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L33/005—Processes
- H01L33/0062—Processes for devices with an active region comprising only III-V compounds
- H01L33/0075—Processes for devices with an active region comprising only III-V compounds comprising nitride compounds
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
- H01S2301/00—Functional characteristics
- H01S2301/17—Semiconductor lasers comprising special layers
- H01S2301/173—The laser chip comprising special buffer layers, e.g. dislocation prevention or reduction
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
- H01S2304/00—Special growth methods for semiconductor lasers
- H01S2304/12—Pendeo epitaxial lateral overgrowth [ELOG], e.g. for growing GaN based blue laser diodes
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
- H01S5/00—Semiconductor lasers
- H01S5/30—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region
- H01S5/32—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising PN junctions, e.g. hetero- or double- heterostructures
- H01S5/3211—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising PN junctions, e.g. hetero- or double- heterostructures characterised by special cladding layers, e.g. details on band-discontinuities
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Electromagnetism (AREA)
- Optics & Photonics (AREA)
- Semiconductor Lasers (AREA)
Abstract
p型クラッド層(111)をIncGa1−cNにより構成する。Inの混晶比cは活性層(108)のIn混晶比より小さくする。また、活性層(108)とp型クラッド層(111)の間に格子緩和層(112)を設ける。格子緩和層(112)は、p型クラッド層(111)を結晶性よく成長させるために設けられている。格子緩和層は隣接する層と格子定数の異なる窒化物半導体よりなり、500〜600℃の低温で5〜10nm程度成長するものとする。挿入する位置はp型光ガイド層/クラッド層の界面でもよく、p型クラッド層の途中でもよい。挿入する窒化物半導体はInGaN、GaN、AlGaN等が挙げられ、このうち、特にInGaNが好ましい。
Description
本発明は、インジウムを含む窒化物半導体により構成された活性層を有する発光素子およびその製造方法に関する。
DVD等の高密度記録装置用の光源として研究が進められてきた青紫色(405nm)半導体レーザは、窒化物半導体AlInGaNを用いて既にその実用化が現実のものとなった。図4に非特許文献1で報告している青紫色レーザの断面構造図を示す。この構造のレーザは、室温において2mW出力で1万時間以上の連続発振寿命が報告されている。その構成はGaN基板上、あるいは異種基板上に形成されたダブルヘテロ構造からなり、一般的にIn0.1Ga0.9N量子井戸を用いた活性層を有し、それをGaNによるn型、p型光ガイド層とAlGaNを含むn型、p型クラッド層で挟んだ構造が用いられている。
一方、可視〜赤外の長波長領域における発光素子としてはV族元素として燐や砒素を含むIII−V族化合物半導体が従来用いられてきたが、AlInGaN系半導体は活性層のIn組成比を大きくすることによって発光波長を赤外まで長波化すること可能であることから、燐や砒素を含まない発光素子材料として注目されている。そのためAlInGaNを用いた長波長領域の発光素子に関しても研究が進められている。
Jpn.J.Appl.Phys.vol.36(1997),Nakamura etc.,pp.L1568−1571 特開2003−152219号公報 特開平9−283799号公報 特開2000−236142号公報 特開平8−316528号公報
Jpn.J.Appl.Phys.vol.36(1997),Nakamura etc.,pp.L1568−1571
こうしたAlInGaN系長波長領域の発光素子については、発光ダイオード(LED)がすでに開発されている。特許文献1および特許文献2には、そうした長波長の発光ダイオード(LED)の例が示されている。
しかしながら、AlInGaN系長波長半導体レーザについては、未だ実用段階の素子は得られていない。半導体レーザの場合、活性層のIn組成比を大きくして発光波長を長波化すると、発光効率が顕著に低下するという課題がある。これは、In組成比を大きくするとGaNやAlGaNとの格子不整合が大きくなり、結晶性の良い活性層を得ることが困難になることによる。
また、半導体レーザの設計にあたっては、活性層上部の光閉じ込め効率をより向上させる必要があり、上部クラッド層の厚みを充分に確保することが望まれる。ところがこのようにした場合、上部クラッド層形成工程等において活性層が長時間高温処理を受けることになり、活性層の品質劣化が顕著となりやすい。特にインジウムを含む半導体では、インジウムの蒸発により組成が変動する等の問題が生じやすい。
以上のように、インジウムを含む活性層を備えた半導体レーザの設計にあっては、良好な品質の活性層を安定的に形成することが重要な技術的課題となる。
こうした半導体レーザ特有の課題に対する有効な解決策は、発光ダイオードに関する先述の特許文献1、2には何ら記載されていない。
また、特許文献1記載のLEDは活性層インジウム組成が0.15と低組成であるから、上記したような活性層の品質劣化の課題が生じない。
一方、特許文献2記載のLEDは活性層インジウム組成が0.9、クラッド層インジウム組成が0.2である。インジウム組成が0.9のInGaNの成長温度は、通常、400〜500℃程度であり、インジウム組成が0.2のInGaNの成長温度は、通常、700〜800℃程度であるので、このLEDの活性層は、クラッド層形成工程で活性層成長時よりも200℃以上高い温度で熱処理を受けることになり、その工程で物性が大きく変動し、設計通りの発光特性を得ることが困難となる。
一方、特許文献2記載のLEDは活性層インジウム組成が0.9、クラッド層インジウム組成が0.2である。インジウム組成が0.9のInGaNの成長温度は、通常、400〜500℃程度であり、インジウム組成が0.2のInGaNの成長温度は、通常、700〜800℃程度であるので、このLEDの活性層は、クラッド層形成工程で活性層成長時よりも200℃以上高い温度で熱処理を受けることになり、その工程で物性が大きく変動し、設計通りの発光特性を得ることが困難となる。
一方、長波長半導体レーザに関する技術として、特許文献3には、光ガイド層がInGaN、クラッド層がGaN、コンタクト層がGaNからなるSCH構造、すなわちAlを使わない素子構造の半導体レーザが記載されている。同文献によれば、Alを使わないことで活性層とクラッド層の格子定数差が小さくなるため、結晶性の良いInGaN活性層が成長できることが示されている。
また特許文献4には、クラッドにはAlGaNを用いるものの光ガイド層にはInGaNを用いた構造が報告されている。同文献によると、InGaNはAlGaNに比べて結晶が柔らかいので、InGaN光ガイド層が緩衝層の役目を果たし、In組成の大きなInGaN活性層を結晶性良く成長することができると記載されている。このように活性層をInGaN光ガイド層で挟んだ構造では、確かに活性層の格子歪みを減らすことできるが、さらにIn組成比が大きくなるとGaN、AlGaNクラッド層との格子定数差が大きくなってしまい、活性層の結晶性が悪化する。くわえてIn組成比が大きくなるとInxGa1−xNの分解温度はGaN及びAlGaNに比べて極めて低くなるため、良質なInxGa1−xN活性層を成長させたとしても、その上層に位置する光ガイド層やクラッド層の高温成長中に活性層の結晶性が劣化する傾向があり、上記従来技術はなお改善の余地を有していた。
本発明はこれらの課題を解決するためになされたものであり、その目的とするところは、インジウム含有半導体からなる活性層を有する発光素子、特に長波長領域の発光を示す発光素子において、その発光特性等を安定的に向上させることにある。
また本発明の別な目的は、上記発光素子において、活性層上に形成された上部クラッド層の品質を向上させ、発光特性等を安定的に向上させることにある。
インジウム含有窒化物半導体からなる活性層を有する発光素子において、充分な発光特性が得られない理由は、活性層形成後、その上部の半導体層を形成する工程で活性層の品質劣化が起こることによるものと考えられる(実施例7にて後述)。
こうした課題に対し、本発明は以下の第一の解決手段を提供する。
第一の手段は、活性層およびクラッド層をともにインジウム含有半導体で構成した場合において、これらの層のインジウム組成差あるいは成長温度の差を一定値以下にするものである。窒化物半導体のなかでもInNは分解温度が低いために、Inを多く取り込むためには低温での結晶成長が必要となる。青紫色レーザの活性層に用いられているIn0.1Ga0.9Nでさえ800℃程度で成長されており、光ガイド層やクラッド層に用いられているGaNやAlGaNの成長温度に比べると100〜200℃程度低い。発光波長をより長波化するためには活性層のIn含有量を増やす必要があるが、その場合活性層の成長温度はますます低温に制限される。だが、その上にGaNやAlGaNによる光ガイド層およびクラッド層を900〜1000℃で成長させると、これらの層の成長中に活性層が分解してしまい、発光効率が低下してしまう。これに対し本発明では、活性層およびクラッド層のインジウム組成差あるいは成長温度の差を一定値以下とすることにより、活性層の品質劣化を抑制している。
このように、活性層の品質劣化を抑制するためには、上部クラッド層をインジウム含有半導体で構成することが有効である。あるいは、上部クラッド層を、低温成長可能な半導体で構成することが有効である。しかし、このようにした場合、今度はクラッド層自体の結晶品質の低下が問題となる。たとえばInGaNにより上部クラッド層を構成した場合、GaNやサファイア等の基板材料との格子定数の相違に起因して膜中に多くの欠陥が生じ、クラッド層としての機能が充分に得られないことがある。そこで本発明は、上部クラッド層をインジウム含有半導体等により構成した場合に生じる課題を解決すべく、以下の第二の手段を提供する。すなわち、第二の手段は、活性層とクラッド層の間に、格子緩和層を介在させることである。一般にGaNの上に格子定数の異なるInGaNを成長させるような場合には格子緩和層を設け、そこで格子歪を緩和させることが行われる。しかし、半導体レーザの設計にあっては、厚い上部クラッド層を活性層よりも後に成長する必要があり、ここではやはり格子歪が原因で結晶性が悪化する。発明者らは実験により、活性層を成長させた後に格子緩和層を設けることで、上部クラッド層を結晶性良く成長できることを見出した。格子緩和層とは、下地となる半導体層と、その上に結晶成長させた半導体層との間の格子歪みを緩和する層である。格子緩和層自体は秩序性の低い膜であり、そうした構造により半導体層間の歪みを緩和する。こうした層を設けることにより、上部クラッド層をインジウム含有半導体等により構成した場合にも、当該クラッド層の結晶品質を良好に維持し、優れた発光特性を安定的に示す素子を提供することができる。
以下、本発明の構成をより具体的に説明する。
本発明によれば、基板と、該基板上に形成された下部クラッド層と、前記下部クラッド層の上部に形成された活性層と、前記活性層の上部に形成された上部クラッド層と、を備え、前記活性層および前記上部クラッド層は、いずれもインジウムを含む窒化物半導体からなり、前記活性層のインジウム組成をx、前記上部クラッド層のインジウム組成をyとしたとき、xが0.3以上であり、(x−y)が0.4以下であることを特徴とする窒化物半導体発光素子が提供される。
本発明では、活性層インジウム組成を0.3以上としている。このような長波長発光組成とした場合、その上部の半導体層成長時における活性層の品質劣化が顕在化する。本発明によれば、活性層と上部クラッド層とのインジウム組成差を0.4以下としている。実施例にて後述するように、このような組成差であれば、両者の成長温度を100℃以内とする条件にて好適に層構造を形成することができ、インジウムを含む活性層の品質を劣化することなく上部クラッド層を形成することができ、安定的に長波長領域の発光を示す発光素子を実現できる。
ここで、活性層および上部クラッドとのインジウム組成差を0.2以下とする構成、または両者の成長温度を70℃以内とする構成を採用すれば、高温熱履歴による活性層の品質低下を、より一層効果的に抑制することができる。特に、発光素子の寿命を安定的に向上させることができる。
なお、活性層のインジウム組成とは、量子井戸構造の場合、井戸層のインジウム組成を意味するものとする。
また本発明によれば、基板と、該基板上に形成された下部クラッド層と、前記下部クラッド層の上部に形成された活性層と、前記活性層の上部に形成された上部クラッド層と、を備え、前記活性層および前記上部クラッド層は、いずれもインジウムを含む窒化物半導体からなり、前記活性層の成長温度をT2(℃)、前記上部クラッド層のインジウムの成長温度をT1(℃)としたとき、T1−T2が100℃以下であることを特徴とする窒化物半導体発光素子が提供される。
また本発明によれば、基板上に下部クラッド層を形成する工程と、前記下部クラッド層の上部に、インジウムを含む窒化物半導体からなる活性層を形成する工程と、前記活性層の上部に、インジウムを含む窒化物半導体からなる上部クラッド層を形成する工程と、を含み、前記活性層の成長温度をT2(℃)、前記上部クラッド層のインジウムの成長温度をT1(℃)としたとき、T1−T2が100℃以下であることを特徴とする窒化物半導体発光素子の製造方法が提供される。
本発明によれば、活性層および上部クラッド層の成長温度の差が100℃以下であるため、高温の熱履歴による活性層の品質低下を抑制しつつ上部クラッド層を形成することができ、安定的に長波長領域の発光を示す発光素子を実現できる。
また本発明によれば、基板と、該基板上に形成された下部クラッド層と、前記下部クラッド層の上部に形成された活性層と、前記活性層の上部に形成された上部クラッド層と、を備え、前記活性層はインジウムを含む窒化物半導体からなり、前記活性層と前記上部クラッド層との間、または前記上部クラッド層中に格子緩和層を設けたことを特徴とする窒化物半導体発光素子が提供される。
また本発明によれば、基板上に下部クラッド層を形成する工程と、前記下部クラッド層の上部に、インジウムを含む窒化物半導体からなる活性層を形成する工程と、前記活性層の上部に、600℃以下の温度で格子緩和層を形成する工程と、前記格子緩和層の上部に上部クラッド層を形成する工程と、を含むことを特徴とする窒化物半導体発光素子の製造方法が提供される。
本発明では、活性層上に格子緩和層を設けているため、クラッド層の結晶品質が向上する。この結果、良好な光閉じ込め構造が実現される。格子緩和層は、たとえばインジウムを含む半導体により構成することが好ましい。また、上部クラッド層の品質が向上するため、当該クラッド層の厚みを比較的薄くすることができ、結果として活性層の品質を向上させることができる。ここで、上部クラッド層はインジウムを含む窒化物半導体からなるものとしてもよい。こうすることにより、活性層の品質劣化をより確実に抑制することができる。
本発明において、格子緩和層は、600℃以下の温度で形成された低温成長層とすることができる。また、格子緩和層は、InGaNからなるものとすることができる。こうすることにより格子緩和効果をより確実に得ることができ、活性層上部の半導体層の品質を一層効果的に向上させることができる。格子緩和層の厚みは、たとえば10nm以上100nm以下とする。こうすることにより、半導体層構造の結晶品質を確実に向上させることができる。
本発明において、上部クラッド層のインジウム組成比が前記活性層のインジウム組成比よりも小さいものとすることができる。ここで、活性層の上部の半導体層が、いずれも活性層よりインジウム組成比の小さい半導体からなるものとしてもよい。
上部クラッド層は、InyGa1−yN(0<y<1)からなるものとしてもよい。こうすることにより、活性層の品質劣化をより確実に抑制することができる。上部クラッド層の構造は、超格子構造Iny1Ga1−y1N/Iny2Ga1−y2N(0<y1<1,0<y2<1,y1≠y2)としてもよく、この場合クラッドのIn組成yとは平均組成を意味する。なお、InyGa1−yN(0<y<1)からなる上部クラッド層の厚みは、たとえば0.4μm以上1.0μm以下とすることが好ましい。こうすることにより、上部クラッド層の品質を安定的に向上させ、発光特性等を安定的に向上させることができる。
なお、上部クラッド層の構造は、超格子構造ではなく、バルクInyGa1−yN(0<y<1)からなるものとすれば、より安定的な光閉じ込め効果が得られることがある。
また、活性層の上部に位置する半導体層を、すべてインジウムを含む窒化物半導体により構成してもよい。本発明において、光閉じこめのための十分な屈折率差も重要である。こうした観点からは、たとえば活性層および上部クラッド層のインジウム組成の差が0.1以上とすることが好ましい。
本発明において、活性層の上部に設けられ、インジウムを含む窒化物半導体により構成されたコンタクト層と、該コンタクト層と接して設けられた電極とをさらに備える構成とすることもできる。
本発明の発光素子は、半導体レーザ、発光ダイオード等の発光素子に適用することができるが、特に半導体レーザに適用した場合、効果的である。前述した半導体レーザ特有の課題を効果的に解決することができるからである。
上部クラッド層は、InyGa1−yN(0<y<1)からなるものとしてもよい。こうすることにより、活性層の品質劣化をより確実に抑制することができる。上部クラッド層の構造は、超格子構造Iny1Ga1−y1N/Iny2Ga1−y2N(0<y1<1,0<y2<1,y1≠y2)としてもよく、この場合クラッドのIn組成yとは平均組成を意味する。なお、InyGa1−yN(0<y<1)からなる上部クラッド層の厚みは、たとえば0.4μm以上1.0μm以下とすることが好ましい。こうすることにより、上部クラッド層の品質を安定的に向上させ、発光特性等を安定的に向上させることができる。
なお、上部クラッド層の構造は、超格子構造ではなく、バルクInyGa1−yN(0<y<1)からなるものとすれば、より安定的な光閉じ込め効果が得られることがある。
また、活性層の上部に位置する半導体層を、すべてインジウムを含む窒化物半導体により構成してもよい。本発明において、光閉じこめのための十分な屈折率差も重要である。こうした観点からは、たとえば活性層および上部クラッド層のインジウム組成の差が0.1以上とすることが好ましい。
本発明において、活性層の上部に設けられ、インジウムを含む窒化物半導体により構成されたコンタクト層と、該コンタクト層と接して設けられた電極とをさらに備える構成とすることもできる。
本発明の発光素子は、半導体レーザ、発光ダイオード等の発光素子に適用することができるが、特に半導体レーザに適用した場合、効果的である。前述した半導体レーザ特有の課題を効果的に解決することができるからである。
本発明によれば、インジウム含有半導体からなる活性層を有する発光素子、特に長波長領域の発光を示す発光素子において、その発光特性等を安定的に向上させることができる。
また本発明によれば、上記発光素子において、活性層上に形成された上部クラッド層の品質を向上させ、発光特性等を安定的に向上させることができる。
また本発明によれば、上記発光素子において、活性層上に形成された上部クラッド層の品質を向上させ、発光特性等を安定的に向上させることができる。
以上、本発明の構成および好ましい態様について説明したが、上記構成を適宜組合せてもよい。たとえば、上述の第一の手段と第二の手段とを組み合わせて素子を構成することもできる。
上述した目的、およびその他の目的、特徴および利点は、以下に述べる好適な実施の形態、およびそれに付随する以下の図面によってさらに明らかになる。
図1は本発明の素子構造の一実施形態を示した模式的な断面図であり、レーザ光の共振方向に垂直な方向で素子を切断した際の図を示している。本実施の形態の窒化物半導体レーザ素子では、この図のようにサファイア基板101上にGaN膜102、SiO2マスク103、n型GaNを成長させたELOG基板104上に、In0.1Ga0.9N層105、n型クラッド層106、n型光ガイド層107、InGaN多重量子井戸からなる活性層108、p型キャップ層109、p型光ガイド層110、p型クラッド層111、格子緩和層112、p型コンタクト層113が順に形成され、リッジストライプとなったp型コンタクト層113上にp電極114、p側層からエッチングすることによって露出されたn型ELOG基板104上にn電極115が形成されている。
n型光ガイド層107およびp型光ガイド層110はそれぞれの導電型を示す不純物をドープしたInbGa1−bNとする。Inの混晶比bは、活性層中のInGaNからなる井戸層のIn混晶比より小さくする。
p型クラッド層111は、その導電型を示す不純物をドープしたIncGa1−cNからなる。Inの混晶比cは活性層108のIn混晶比より小さくする。一方、n型クラッド層106は、活性層108よりも前に成長させるため、成長温度を比較的高くすることも可能であり、InGaNに限らずGaN等を用いることもできる。ただし、活性層108の品質を向上させる観点から、上記p型クラッドと同じ組成のInGaNとするほうがより望ましい。
格子緩和層112は、p型クラッド層111を結晶性よく成長させるために設けられている。格子緩和層は隣接する層と格子定数の異なる窒化物半導体よりなり、600℃以下、好ましくは400〜600℃の低温で10〜100nm程度成長するものとする。挿入する位置は活性層の上部とすることが好ましい。たとえば、活性層と上部クラッド層との間、あるいは上部クラッド層中とすることが好ましい。このような位置に配置することにより、活性層へ転位が導入することを抑制できるからである。格子緩和層112に用いられる材料としてはInGaN、GaN、AlGaN等が挙げられ、このうち、インジウムを含む材料、特にInGaNが好ましい。この場合、In組成は、たとえば0.1以上0.7以下とすることが好ましい。格子緩和効果が確実に得られるからである。なお、この格子緩和層は適宜省略することもできる。
活性層108は量子井戸構造からなる。InaGa1−aN井戸層のIn混晶比aを大きくすることで、長波長で発振する窒化物半導体レーザ素子を得ることができるが、その場合、障壁層に関してもIn混晶比を変えることが望ましい。障壁層のIn混晶比はミニバンド形成のために十分なエネルギーギャップ差を得られるように選択すべきだが、井戸層とのIn混晶比がなるべく近いほうが格子不整合が小さくなるため活性層の結晶性が良くなり、発光効率の増大や発振閾値の低減が期待できる。
活性層の井戸層に含まれるInの混晶比を0.44とした場合、この井戸層とのバンドギャップエネルギーの差が0.3eVとなる障壁層のIn混晶比は0.34となる。
活性層の井戸層に含まれるInの混晶比を0.44とした場合、この井戸層とのバンドギャップエネルギーの差が0.3eVとなる障壁層のIn混晶比は0.34となる。
本実施形態において、InxGa1−xN(0≦x≦1)からなるInの混晶比xは、以下に示すバンドギャップエネルギーとの関係式、
Eg=x*0.77+(1−x)*3.42−1.43*(1−x)*x
を用いて概算された値である。例えば、波長が650nmでのフォトンエネルギー(Eg)は1.91eVであり、上記関係式からxの値として0.44を算出し、井戸層のIn混晶比としている。
Eg=x*0.77+(1−x)*3.42−1.43*(1−x)*x
を用いて概算された値である。例えば、波長が650nmでのフォトンエネルギー(Eg)は1.91eVであり、上記関係式からxの値として0.44を算出し、井戸層のIn混晶比としている。
p型キャップ層109は、p型の導電性を示す不純物をドープしたIndGa1−dNからなる。Inの混晶比dは、上記p型クラッド層のIn混晶比より小さくする。このp型キャップ層はGaNあるいはAlGaNを用いてもよいが、活性層の熱分解を押さえるためにはInGaNであることが望ましい。また、このp側キャップ層は省略が可能である。
p型コンタクト層113は、p型の導電性を示す不純物をドープしたGaNもしくはInGaNからなる。GaNを用いた方が電極材料と好ましいオーミックが得られやすいが、InGaNを用いた方が活性層の熱分解をおさえられ、閾値電流を低減できる。
以下、本発明を実施例により詳細に説明する。なお、各実施例において、各半導体層の形成には有機金属化学気相成長装置(以下MOCVD)を用いた。V族元素供給源としてアンモニアを、III族元素供給源としてトリメチルガリウム(TMG)、トリメチルアルミニウム(TMA)、トリメチルインジウム(TMI)を用いた。
[実施例1]
図1は、本実施例に係る窒化物半導体レーザ素子の断面構造図である。この半導体レーザ素子は以下のようにして作製される。まず、サファイア基板101上GaN膜102をMOCVDにより成長する。その後、GaN膜102上に、ストライプ状のSiO2膜(マスク)103を[1,−1,0,0]方向に形成し、その上にSiを添加したn型GaNをMOCVD成長することによって選択成長させ、マスク上に横方向成長した低転位密度のGaNを形成し、n型GaN−ELOG基板104を作製する。
この基板上に引き続き、800℃でSiドープn型In0.1Ga0.9N層105、Siドープn型In0.27Ga0.73N(厚さ0.6μm)からなるn型クラッド層106、Siドープn型In0.31Ga0.69N(厚さ0.1μm)からなるn型光ガイド層107を成長させた後、温度を700℃にしてIn0.44Ga0.56N量子井戸層(厚さ3.5nm)とIn0.34Ga0.66N障壁層(厚さ10.5nm)からなる多重量子井戸構造の活性層108を成長させる。続いて温度を750℃にしてMgドープp型In0.2Ga0.8Nキャップ層(厚さ20nm)109、Mgドープp型In0.31Ga0.69N(厚さ0.1μm)からなるp型光ガイド層110を成長させる。その後一旦温度を500℃に下げてMgドープp型In0.1Ga0.9N(厚さ10nm)からなるp型格子緩和層112を成長し、再び温度を750℃に上げてMgドープp型In0.27Ga0.73N(厚さ0.6μm)からなるp型クラッド層111、Mgドープp型In0.1Ga0.9N(厚さ0.05μm)からなるp型コンタクト層113を順に成長する。その後に、ドライエッチングなどにより図1に示すようなリッジ構造を形成し、最後にNiとAuからなるp電極114とTiとAlからなるn電極115を蒸着する。
以上のように、本実施例に係る層構造では、活性層108のインジウム組成(量子井戸層のインジウム組成)をx、p型クラッド層111のインジウム組成をyとしたとき、xが0.44であり、(x−y)が0.17である。
図1は、本実施例に係る窒化物半導体レーザ素子の断面構造図である。この半導体レーザ素子は以下のようにして作製される。まず、サファイア基板101上GaN膜102をMOCVDにより成長する。その後、GaN膜102上に、ストライプ状のSiO2膜(マスク)103を[1,−1,0,0]方向に形成し、その上にSiを添加したn型GaNをMOCVD成長することによって選択成長させ、マスク上に横方向成長した低転位密度のGaNを形成し、n型GaN−ELOG基板104を作製する。
この基板上に引き続き、800℃でSiドープn型In0.1Ga0.9N層105、Siドープn型In0.27Ga0.73N(厚さ0.6μm)からなるn型クラッド層106、Siドープn型In0.31Ga0.69N(厚さ0.1μm)からなるn型光ガイド層107を成長させた後、温度を700℃にしてIn0.44Ga0.56N量子井戸層(厚さ3.5nm)とIn0.34Ga0.66N障壁層(厚さ10.5nm)からなる多重量子井戸構造の活性層108を成長させる。続いて温度を750℃にしてMgドープp型In0.2Ga0.8Nキャップ層(厚さ20nm)109、Mgドープp型In0.31Ga0.69N(厚さ0.1μm)からなるp型光ガイド層110を成長させる。その後一旦温度を500℃に下げてMgドープp型In0.1Ga0.9N(厚さ10nm)からなるp型格子緩和層112を成長し、再び温度を750℃に上げてMgドープp型In0.27Ga0.73N(厚さ0.6μm)からなるp型クラッド層111、Mgドープp型In0.1Ga0.9N(厚さ0.05μm)からなるp型コンタクト層113を順に成長する。その後に、ドライエッチングなどにより図1に示すようなリッジ構造を形成し、最後にNiとAuからなるp電極114とTiとAlからなるn電極115を蒸着する。
以上のように、本実施例に係る層構造では、活性層108のインジウム組成(量子井戸層のインジウム組成)をx、p型クラッド層111のインジウム組成をyとしたとき、xが0.44であり、(x−y)が0.17である。
以上のようにして、n電極とp電極とを形成したウエハのサファイア基板を研磨して70μmとした後、レーザストライプに垂直な方向で基板側からバー状に劈開し、劈開面に共振器を作製する。共振器面にTiO2とAl2O3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、バーを切断して図1に示すようなレーザ素子とする。なお共振器長は300〜500μmとすることが望ましい。
得られたレーザ素子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。その結果、室温において閾値電流密度5kA/cm2、閾値電圧6Vで、発振波長がほぼ650nmの連続発振が確認され、室温で1000時間以上の寿命を示した。
本実施例では、活性層より上層に位置する半導体層のすべてを、活性層よりもIn組成比の小さいInGaNとした。また、活性層108とp型クラッド層111との間に低温成長層であるp型格子緩和層112を設けている。こうした構成とすることにより、長波長でも良好で安定したレーザ素子を得ることができた。
[実施例2]
図2は、本実施例に係る窒化物半導体レーザ素子の断面構造図である。この半導体レーザ素子はGaN基板を用いる点で実施例1の素子と相違する。
図2は、本実施例に係る窒化物半導体レーザ素子の断面構造図である。この半導体レーザ素子はGaN基板を用いる点で実施例1の素子と相違する。
この半導体レーザ素子は以下のようにして作製される。まず、基板としてはn型低転位GaN基板201を用い、この基板上に800℃でSiドープn型In0.1Ga0.9N層105、Siドープn型In0.27Ga0.73N層(厚さ1.5μm)からなるn型クラッド層106、Siドープn型In0.31Ga0.69N(厚さ0.1μm)からなるn型光ガイド層107を成長させた後、温度を700℃にしてアンドープIn0.44Ga0.56N量子井戸層(厚さ3nm)とアンドープIn0.34Ga0.66N障壁層(厚さ5nm)からなる多重量子井戸構造を有する活性層108、750℃でMgドープp型In0.2Ga0.8Nキャップ層(厚さ20nm)109、Mgドープp型In0.31Ga0.69N(厚さ0.16μm)からなるp型光ガイド層110を成長する。その後、p型光ガイド層110上にSiO2マスク(厚さ0.3μm)202をスパッタにより形成し、エッチングにより幅2μmのストライプ状に開口部を作製する。さらにこの開口部に引き続き、p型格子緩和層112としてMgドープp型In0.1Ga0.9N層を500℃の低温で10nm成長した後、温度を750℃に上げてMgドープp型In0.27Ga0.73N層(厚さ0.6μm)からなるp型クラッド層111、Mgドープp型In0.1Ga0.9N(厚さ0.05μm)からなるp型コンタクト層113を選択成長することによりリッジ構造を形成する。その上にSiO2マスクを形成してエッチングによりストライプ部分に開口部を設けた後にNiとAuからなるp電極114を蒸着する。その後n型GaN基板201の裏面を研磨してTiとAlからなるn電極115を蒸着する。以上のようにして、n電極とp電極とを形成したウエハをストライプ状の電極に垂直な方向でバー状に劈開し、劈開面に共振器を作製する。共振器面にTiO2とAl2O3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、バーを切断して図2に示すようなレーザ素子とする。なお共振器長は500〜800μmとすることが望ましい。
以上のように、本実施例に係る層構造では、活性層108のインジウム組成(量子井戸層のインジウム組成)をx、p型クラッド層111のインジウム組成をyとしたとき、xが0.44であり、(x−y)が0.17である。
以上のように、本実施例に係る層構造では、活性層108のインジウム組成(量子井戸層のインジウム組成)をx、p型クラッド層111のインジウム組成をyとしたとき、xが0.44であり、(x−y)が0.17である。
得られたレーザ素子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。その結果、室温において閾値電流密度4kA/cm2、閾値電圧7Vで、発振波長がほぼ650nmの連続発振が確認され、室温で1000時間以上の寿命を示した。
本実施例では、活性層より上層に位置する半導体層のすべてを、活性層よりもIn組成比の小さいInGaNとした。また、活性層108とp型クラッド層111との間に低温成長層であるp型格子緩和層112を設けている。また、GaN基板を用い、その上に半導体レーザ構造を形成している。こうした構成とすることにより、長波長でも良好で安定したレーザ素子を得ることができた。
[実施例3]
図3は、本実施例に係る窒化物半導体レーザ素子の断面構造図である。実施例1〜2ではInGaNからなる格子緩和層を用いたが、本実施例ではGaNからなる格子緩和層を用いる。
図3は、本実施例に係る窒化物半導体レーザ素子の断面構造図である。実施例1〜2ではInGaNからなる格子緩和層を用いたが、本実施例ではGaNからなる格子緩和層を用いる。
この半導体レーザ素子は以下のようにして作製される。まず、基板としてはn型低転位GaN基板201を用い、この基板上に800℃でSiドープn型In0.1Ga0.9N層105、Siドープn型In0.27Ga0.73N層(厚さ1.5μm)からなるn型クラッド層106、Siドープn型In0.31Ga0.69N(厚さ0.1μm)からなるn型光ガイド層107を成長させた後、温度を700℃にしてアンドープIn0.44Ga0.56N量子井戸層(厚さ3nm)とアンドープIn0.34Ga0.66N障壁層(厚さ5nm)からなる多重量子井戸構造を有する活性層108、750℃でMgドープp型In0.2Ga0.8Nキャップ層(厚さ20nm)109、Mgドープp型In0.31Ga0.69N(厚さ0.16μm)からなるp型光ガイド層110を成長する。その後、p型光ガイド層110上にSiO2マスク(厚さ0.3μm)202をスパッタにより形成し、エッチングにより幅2μmのストライプ状に開口部を作製する。さらにこの開口部に引き続き、p型格子緩和層120としてMgドープp型GaN層を500℃の低温で10nm成長した後、温度を750℃に上げてMgドープp型In0.27Ga0.73N層(厚さ0.6μm)からなるp型クラッド層111、Mgドープp型In0.1Ga0.9N(厚さ0.05μm)からなるp型コンタクト層113を選択成長することによりリッジ構造を形成する。その上にSiO2マスクを形成してエッチングによりストライプ部分に開口部を設けた後にNiとAuからなるp電極114を蒸着する。その後n型GaN基板201の裏面を研磨してTiとAlからなるn電極115を蒸着する。以上のようにして、n電極とp電極とを形成したウエハをストライプ状の電極に垂直な方向でバー状に劈開し、劈開面に共振器を作製する。共振器面にTiO2とAl2O3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、バーを切断して図3に示すようなレーザ素子とする。なお共振器長は500〜800μmとすることが望ましい。
以上のように、本実施例に係る層構造では、活性層108のインジウム組成(量子井戸層のインジウム組成)をx、p型クラッド層111のインジウム組成をyとしたとき、xが0.44であり、(x−y)が0.17である。
以上のように、本実施例に係る層構造では、活性層108のインジウム組成(量子井戸層のインジウム組成)をx、p型クラッド層111のインジウム組成をyとしたとき、xが0.44であり、(x−y)が0.17である。
得られたレーザ素子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。その結果、室温において閾値電流密度4kA/cm2、閾値電圧7Vで、発振波長がほぼ650nmの連続発振が確認され、室温で1000時間以上の寿命を示した。
[実施例4]
本実施例に係る窒化物半導体レーザ素子の断面構造を図2に示す。断面構造は概略実施例2と類似しているが、実施例2ではn型クラッド層をInGaNにより構成しているのに対し本実施例ではGaNを用いる。
本実施例に係る窒化物半導体レーザ素子の断面構造を図2に示す。断面構造は概略実施例2と類似しているが、実施例2ではn型クラッド層をInGaNにより構成しているのに対し本実施例ではGaNを用いる。
この半導体レーザ素子は以下のようにして作製される。基板としてはn型低転位GaN基板201を用い、この基板上に800℃でSiドープn型In0.1Ga0.9N層105を成長した後、温度を900℃に上げてSiドープn型GaN層(厚さ1.5μm)からなるn型クラッド層106を成長し、その後温度を750℃に下げてSiドープn型In0.31Ga0.69N(厚さ0.1μm)からなるn型光ガイド層107を成長させる。続いて温度を700℃にしてアンドープIn0.44Ga0.56N量子井戸層(厚さ3nm)とアンドープIn0.34Ga0.66N障壁層(厚さ5nm)からなる多重量子井戸構造を有する活性層108を成長し、750℃でMgドープp型In0.2Ga0.8Nキャップ層(厚さ20nm)109、Mgドープp型In0.31Ga0.69N(厚さ0.16μm)からなるp型光ガイド層110を成長する。
その後、p型光ガイド層110上にSiO2マスク(厚さ0.3μm)202をスパッタにより形成し、エッチングにより幅2μmのストライプ状に開口部を作製する。さらにこの開口部に引き続き、p型格子緩和層112としてMgドープp型In0.1Ga0.9N層を500℃の低温で10nm成長した後、温度を750℃に上げてMgドープp型In0.27Ga0.73N層(厚さ0.6μm)からなるp型クラッド層111、Mgドープp型In0.1Ga0.9N(厚さ0.05μm)からなるp型コンタクト層113を選択成長することによりリッジ構造を形成する。その上にSiO2マスクを形成してエッチングによりストライプ部分に開口部を設けた後にNiとAuからなるp電極114を蒸着する。その後n型GaN基板201の裏面を研磨してTiとAlからなるn電極115を蒸着する。
以上のように、本実施例に係る層構造では、活性層108のインジウム組成(量子井戸層のインジウム組成)をx、p型クラッド層111のインジウム組成をyとしたとき、xが0.44であり、(x−y)が0.17である。
以上のように、本実施例に係る層構造では、活性層108のインジウム組成(量子井戸層のインジウム組成)をx、p型クラッド層111のインジウム組成をyとしたとき、xが0.44であり、(x−y)が0.17である。
以上のようにして、n電極とp電極とを形成したウエハをストライプ状の電極に垂直な方向でバー状に劈開し、劈開面に共振器を作製する。共振器面にTiO2とAl2O3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、バーを切断して図2に示すようなレーザ素子とする。なお共振器長は500〜800μmとすることが望ましい。得られたレーザ素子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。その結果、室温において閾値電流密度6kA/cm2、閾値電圧7Vで、発振波長がほぼ650nmの連続発振が確認され、室温で1000時間以上の寿命を示した。
本実施例ではn型クラッド層をInGaNではなくGaNにより構成しているが、このように活性層108よりも基板側にInGaN以外の半導体層を設けても、活性層108上部の層がInGaNにより構成されていれば、良好な素子性能が得られる。
[実施例5]
本実施例に係る窒化物半導体レーザ素子の断面構造を図2に示す。断面構造は概略実施例2と類似しているが、実施例2ではp型コンタクト層をInGaNにより構成しているのに対し本実施例ではGaNを用いる。
本実施例に係る窒化物半導体レーザ素子の断面構造を図2に示す。断面構造は概略実施例2と類似しているが、実施例2ではp型コンタクト層をInGaNにより構成しているのに対し本実施例ではGaNを用いる。
この半導体レーザ素子は以下のようにして作製される。基板としてはn型低転位GaN基板201を用い、この基板上に800℃でSiドープn型In0.1Ga0.9N層105、Siドープn型In0.27Ga0.73N層(厚さ1.5μm)からなるn型クラッド層106、Siドープn型In0.31Ga0.69N(厚さ0.1μm)からなるn型光ガイド層107を成長させた後、温度を700℃にしてアンドープIn0.44Ga0.56N量子井戸層(厚さ3nm)とアンドープIn0.34Ga0.66N障壁層(厚さ5nm)からなる多重量子井戸構造を有する活性層108、750℃でMgドープp型In0.2Ga0.8Nキャップ層(厚さ20nm)109、Mgドープp型In0.31Ga0.69N(厚さ0.16μm)からなるp型光ガイド層110を成長する。その後、p型光ガイド層110上にSiO2マスク(厚さ0.3μm)202をスパッタにより形成し、エッチングにより幅2μmのストライプ状に開口部を作製する。さらにこの開口部に引き続き、p型格子緩和層112としてMgドープp型In0.1Ga0.9N層を500℃の低温で10nm成長した後、温度を750℃に上げてMgドープp型In0.27Ga0.73N層(厚さ0.6μm)からなるp型クラッド層111、Mgドープp型GaN(厚さ0.05μm)からなるp型コンタクト層113を選択成長することによりリッジ構造を形成する。その上にSiO2マスクを形成してエッチングによりストライプ部分に開口部を設けた後にNiとAuからなるp電極114を蒸着する。その後n型GaN基板201の裏面を研磨してTiとAlからなるn電極115を蒸着する。
以上のように、本実施例に係る層構造では、活性層108のインジウム組成(量子井戸層のインジウム組成)をx、p型クラッド層111のインジウム組成をyとしたとき、xが0.44であり、(x−y)が0.17である。
以上のように、本実施例に係る層構造では、活性層108のインジウム組成(量子井戸層のインジウム組成)をx、p型クラッド層111のインジウム組成をyとしたとき、xが0.44であり、(x−y)が0.17である。
以上のようにして、n電極とp電極とを形成したウエハをストライプ状の電極に垂直な方向でバー状に劈開し、劈開面に共振器を作製する。共振器面にTiO2とAl2O3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、バーを切断して図2に示すようなレーザ素子とする。なお共振器長は500〜800μmとすることが望ましい。得られたレーザ素子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。その結果、室温において閾値電流密度6kA/cm2、閾値電圧6Vで、発振波長がほぼ650nmの連続発振が確認され、室温で1000時間以上の寿命を示した。
本実施例ではp型コンタクト層をInGaNではなくGaNにより構成しているが、このように活性層108から離れた位置にある薄い膜がInGaN以外の半導体により構成されていても、活性層108上部の層の大部分がInGaNにより構成されていれば、良好な素子性能が得られる。
[実施例6]
本実施例では、InGaNからなる量子井戸活性層のPL(フォトルミネッセンス)特性を評価した。評価にあたっては、GaN基板上に量子井戸活性層を形成した構造体を測定試料とした。実施例2と同様の構造、形成方法で量子井戸層を形成した。成長温度は700℃である。井戸層および障壁層の組成および膜厚は以下のとおりである。
本実施例では、InGaNからなる量子井戸活性層のPL(フォトルミネッセンス)特性を評価した。評価にあたっては、GaN基板上に量子井戸活性層を形成した構造体を測定試料とした。実施例2と同様の構造、形成方法で量子井戸層を形成した。成長温度は700℃である。井戸層および障壁層の組成および膜厚は以下のとおりである。
アンドープIn0.44Ga0.56N量子井戸層(厚さ3nm)
アンドープIn0.34Ga0.66N障壁層(厚さ5nm)
成長後、温度を上げずに室温まで冷却して得られたものを試料1とする。一方、成長後、いったん900℃10分の熱処理を加えた後、室温まで冷却して得られたものを試料2とする。
アンドープIn0.34Ga0.66N障壁層(厚さ5nm)
成長後、温度を上げずに室温まで冷却して得られたものを試料1とする。一方、成長後、いったん900℃10分の熱処理を加えた後、室温まで冷却して得られたものを試料2とする。
試料1および2についてPL特性を評価した。図5はその結果を示す図である。図5中、aが試料1、bが試料2にそれぞれ対応する。試料1は長波長領域で良好な発光が観測されたのに対し、試料2では長波長領域と短波長領域の両方の発光が観測された。
図6および図7は、これらの試料のCL(カソードルミネッセンス像)観測結果を示す図である。ここでは、赤色発光および青色発光を観測するための複数のフィルタを用意し、これら通して観察することで発光状態を観測した。図6は試料1に対応するもので、500nm以上の赤色発光のみが観測された。図7は試料2に対応するもので、500nm未満の青色発光および500nm以上の赤色発光が観測された。
本実施例の結果から、成長温度700℃で形成されたInGaN活性層を、その後、900℃で熱処理すると、活性層の性状が変化し、目的とする発光特性が得られないことが確認された。
[実施例7]
本実施例では、InGaN活性層のインジウム組成比と、その活性層を形成するのに好適な成長温度との関係を検討した例を示す。
本実施例では、InGaN活性層のインジウム組成比と、その活性層を形成するのに好適な成長温度との関係を検討した例を示す。
図8は、InGaN活性層におけるインジウム組成比とバンドギャップエネルギーEgとの関係を示す図である。
図9は、InGaN活性層成長温度と、PL測定により得られたPLピークエネルギーとの関係を示す図である。PLピークエネルギーは、理想的にはバンドギャップEgと一致する。
図8のグラフから、以下の近似式が得られる。
E=−2.9x+3.2
EはEg、すなわちバンドギャップエネルギーを示す。
xはIn組成比を示す。
E=−2.9x+3.2
EはEg、すなわちバンドギャップエネルギーを示す。
xはIn組成比を示す。
一方、図9のグラフから、以下の近似式が得られる。
E=0.012Ts−6.42
Tsは成長温度である。
E=0.012Ts−6.42
Tsは成長温度である。
以上から、
Ts=−240x+800 ・・・式(A)
なる関係式が得られる。なお、上記取扱では、バンドギャップエネルギーおよびPLピークエネルギーをいずれもEとして同一に取り扱った。
Ts=−240x+800 ・・・式(A)
なる関係式が得られる。なお、上記取扱では、バンドギャップエネルギーおよびPLピークエネルギーをいずれもEとして同一に取り扱った。
上記式(A)より、InGaN活性層のインジウム組成比と、その活性層を形成するのに好適な成長温度との関係は、以下のようになる。
インジウム組成0.2:成長温度 約750℃
インジウム組成0.4:成長温度 約700℃
インジウム組成0.6:成長温度 約650℃
InGaN活性層を好適に形成するには、その上部に位置するクラッド層等の成長温度を低くすることが重要となる。具体的には、(活性層成長温度+100℃)を超えない温度とすることが好ましい。こうすることにより、熱履歴による活性層の品質劣化を効果的に抑制できる。これを式(A)を用いて組成に換算すると、組成比で0.41、すなわち、活性層インジウム組成比とクラッド層インジウム組成比との差が0.41以下であることに対応する。したがって、活性層および上部クラッド層のインジウム組成の差は、0.41以下とすることが好ましく、こうすることにより、安定した長波長発光を実現することができる。
[実施例8]
活性層108およびp型クラッド層111の材料および成長温度を以下のように変更したこと以外は実施例1と同様にしてレーザ素子を得た。
(i)活性層108
構造:In0.47Ga0.53N量子井戸層(厚さ3.5nm)とIn0.36Ga0.64N障壁層(厚さ10.5nm)からなる多重量子井戸構造
成長温度:680℃
(ii)p型クラッド層111
構造:Mgドープp型In0.07Ga0.93N(厚さ0.6μm)
成長温度:780℃
以上のように、本実施例に係る層構造では、活性層108のインジウム組成(量子井戸層のインジウム組成)をx、p型クラッド層111のインジウム組成をyとしたとき、xが0.47であり、(x−y)が0.4である。
得られたレーザ素子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。その結果、室温において閾値電流密度6.5kA/cm2、閾値電圧7Vで、発振波長がほぼ680nmの連続発振が確認された。
[実施例9]
活性層108およびp型クラッド層111の材料および成長温度を以下のように変更したこと以外は実施例1と同様にしてレーザ素子を得た。
(i)活性層108
構造:In0.47Ga0.53N量子井戸層(厚さ3.5nm)とIn0.36Ga0.64N障壁層(厚さ10.5nm)からなる多重量子井戸構造
成長温度:680℃
(ii)p型クラッド層111
構造:Mgドープp型In0.04Ga0.96N(厚さ0.6μm)
成長温度:780℃
以上のように、本実施例に係る層構造では、活性層108のインジウム組成(量子井戸層のインジウム組成)をx、p型クラッド層111のインジウム組成をyとしたとき、xが0.47であり、(x−y)が0.43である。
得られたレーザ素子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。その結果、室温において閾値電流密度10kA/cm2、閾値電圧9Vで、発振波長がほぼ680nmの連続発振が確認された。実施例1と比較して若干閾値電流密度が高めの値となった。実施例1の構造の方が、ワイヤーボンディング時における活性層等の膜質低下がより効果的に抑制されたためと考えられる。
上記実施例8、9の比較からわかるように、(x−y)が0.4を超える場合に比べ、(x−y)が0.4以下とした場合、閾値電流密度が改善される。この傾向は、xを0.3以上の範囲内で行った幾つかの実験結果でも同様であった。
以上、図面を参照して本発明の実施例について述べたが、これらは本発明の例示であり、上記以外の様々な構成を採用することもできる。
たとえば、レーザ素子の構造は、上述の実施例で示したリッジ型のものに限定されず、たとえば、レーザ構造中に電流ブロック層を設けたインナーストライプ型のものを用いてもよい。
また、レーザ構造中、格子緩和層112を設けない構成としてもよい。
インジウム組成0.4:成長温度 約700℃
インジウム組成0.6:成長温度 約650℃
InGaN活性層を好適に形成するには、その上部に位置するクラッド層等の成長温度を低くすることが重要となる。具体的には、(活性層成長温度+100℃)を超えない温度とすることが好ましい。こうすることにより、熱履歴による活性層の品質劣化を効果的に抑制できる。これを式(A)を用いて組成に換算すると、組成比で0.41、すなわち、活性層インジウム組成比とクラッド層インジウム組成比との差が0.41以下であることに対応する。したがって、活性層および上部クラッド層のインジウム組成の差は、0.41以下とすることが好ましく、こうすることにより、安定した長波長発光を実現することができる。
[実施例8]
活性層108およびp型クラッド層111の材料および成長温度を以下のように変更したこと以外は実施例1と同様にしてレーザ素子を得た。
(i)活性層108
構造:In0.47Ga0.53N量子井戸層(厚さ3.5nm)とIn0.36Ga0.64N障壁層(厚さ10.5nm)からなる多重量子井戸構造
成長温度:680℃
(ii)p型クラッド層111
構造:Mgドープp型In0.07Ga0.93N(厚さ0.6μm)
成長温度:780℃
以上のように、本実施例に係る層構造では、活性層108のインジウム組成(量子井戸層のインジウム組成)をx、p型クラッド層111のインジウム組成をyとしたとき、xが0.47であり、(x−y)が0.4である。
得られたレーザ素子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。その結果、室温において閾値電流密度6.5kA/cm2、閾値電圧7Vで、発振波長がほぼ680nmの連続発振が確認された。
[実施例9]
活性層108およびp型クラッド層111の材料および成長温度を以下のように変更したこと以外は実施例1と同様にしてレーザ素子を得た。
(i)活性層108
構造:In0.47Ga0.53N量子井戸層(厚さ3.5nm)とIn0.36Ga0.64N障壁層(厚さ10.5nm)からなる多重量子井戸構造
成長温度:680℃
(ii)p型クラッド層111
構造:Mgドープp型In0.04Ga0.96N(厚さ0.6μm)
成長温度:780℃
以上のように、本実施例に係る層構造では、活性層108のインジウム組成(量子井戸層のインジウム組成)をx、p型クラッド層111のインジウム組成をyとしたとき、xが0.47であり、(x−y)が0.43である。
得られたレーザ素子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。その結果、室温において閾値電流密度10kA/cm2、閾値電圧9Vで、発振波長がほぼ680nmの連続発振が確認された。実施例1と比較して若干閾値電流密度が高めの値となった。実施例1の構造の方が、ワイヤーボンディング時における活性層等の膜質低下がより効果的に抑制されたためと考えられる。
上記実施例8、9の比較からわかるように、(x−y)が0.4を超える場合に比べ、(x−y)が0.4以下とした場合、閾値電流密度が改善される。この傾向は、xを0.3以上の範囲内で行った幾つかの実験結果でも同様であった。
以上、図面を参照して本発明の実施例について述べたが、これらは本発明の例示であり、上記以外の様々な構成を採用することもできる。
たとえば、レーザ素子の構造は、上述の実施例で示したリッジ型のものに限定されず、たとえば、レーザ構造中に電流ブロック層を設けたインナーストライプ型のものを用いてもよい。
また、レーザ構造中、格子緩和層112を設けない構成としてもよい。
Claims (24)
- 基板と、
該基板上に形成された下部クラッド層と、
前記下部クラッド層の上部に形成された活性層と、
前記活性層の上部に形成された上部クラッド層と、
を備え、
前記活性層および前記上部クラッド層は、いずれもインジウムを含む窒化物半導体からなり、
前記活性層のインジウム組成をx、前記上部クラッド層のインジウム組成をyとしたとき、
xが0.3以上であり、(x−y)が0.4以下であることを特徴とする窒化物半導体発光素子。 - 請求の範囲第1項に記載の窒化物半導体発光素子において、
前記活性層の成長温度をT2(℃)、前記上部クラッド層のインジウムの成長温度をT1(℃)としたとき、
T1−T2が100℃以下であることを特徴とする窒化物半導体発光素子。 - 請求の範囲第1項に記載の窒化物半導体発光素子において、
前記活性層と前記上部クラッド層との間、または前記上部クラッド層中に格子緩和層を設けたことを特徴とする窒化物半導体発光素子。 - 請求の範囲第3項に記載の窒化物半導体発光素子において、
前記格子緩和層は、600℃以下の温度で形成された低温成長層であることを特徴とする窒化物半導体発光素子。 - 請求の範囲第3項に記載の窒化物半導体発光素子において、
前記格子緩和層は、インジウムを含むことを特徴とする窒化物半導体発光素子。 - 請求の範囲第3項に記載の窒化物半導体発光素子において、
前記格子緩和層の厚みが10nm以上100nm以下であることを特徴とする窒化物半導体発光素子。 - 請求の範囲第1項に記載の窒化物半導体発光素子において、
前記上部クラッド層のインジウム組成比が前記活性層のインジウム組成比よりも小さいことを特徴とする窒化物半導体発光素子。 - 請求の範囲第1項に記載の窒化物半導体発光素子において、
前記活性層の上部に設けられ、インジウムを含む窒化物半導体により構成されたコンタクト層と、
該コンタクト層と接して設けられた電極と
を備えることを特徴とする窒化物半導体発光素子。 - 請求の範囲第1項に記載の窒化物半導体発光素子において、
前記活性層の上部に位置する半導体層が、いずれもインジウムを含む窒化物半導体により構成されていることを特徴とする窒化物半導体発光素子。 - 請求の範囲第1項に記載の窒化物半導体発光素子において、
前記上部クラッド層は、InyGa1−yN(0<y<1)からなることを特徴とする窒化物半導体発光素子。 - 請求の範囲第10項に記載の窒化物半導体発光素子において、
InyGa1−yN(0<y<1)からなる前記上部クラッド層の厚みが、0.4μm以上1.0μm以下であることを特徴とする窒化物半導体発光素子。 - 基板と、
該基板上に形成された下部クラッド層と、
前記下部クラッド層の上部に形成された活性層と、
前記活性層の上部に形成された上部クラッド層と、
を備え、
前記活性層および前記上部クラッド層は、いずれもインジウムを含む窒化物半導体からなり、
前記活性層の成長温度をT2(℃)、前記上部クラッド層のインジウムの成長温度をT1(℃)としたとき、
T1−T2が100℃以下であることを特徴とする窒化物半導体発光素子。 - 基板と、
該基板上に形成された下部クラッド層と、
前記下部クラッド層の上部に形成された活性層と、
前記活性層の上部に形成された上部クラッド層と、
を備え、
前記活性層はインジウムを含む窒化物半導体からなり、
前記活性層と前記上部クラッド層との間、または前記上部クラッド層中に格子緩和層を設けたことを特徴とする窒化物半導体発光素子。 - 請求の範囲第13項に記載の窒化物半導体発光素子において、
前記上部クラッド層はインジウムを含む窒化物半導体からなることを特徴とする窒化物半導体発光素子。 - 請求の範囲第13項に記載の窒化物半導体発光素子において、
前記格子緩和層は、600℃以下の温度で形成された低温成長層であることを特徴とする窒化物半導体発光素子。 - 請求の範囲第13項に記載の窒化物半導体発光素子において、
前記格子緩和層は、インジウムを含むことを特徴とする窒化物半導体発光素子。 - 請求の範囲第13項に記載の窒化物半導体発光素子において、
前記格子緩和層の厚みが10nm以上100nm以下であることを特徴とする窒化物半導体発光素子。 - 請求の範囲第12項または13項に記載の窒化物半導体発光素子において、
前記上部クラッド層のインジウム組成比が前記活性層のインジウム組成比よりも小さいことを特徴とする窒化物半導体発光素子。 - 請求の範囲第12項または13項に記載の窒化物半導体発光素子において、
前記活性層の上部に設けられ、インジウムを含む窒化物半導体により構成されたコンタクト層と、
該コンタクト層と接して設けられた電極と
を備えることを特徴とする窒化物半導体発光素子。 - 請求の範囲第12項または13項に記載の窒化物半導体発光素子において、
前記活性層の上部に位置する半導体層が、いずれもインジウムを含む窒化物半導体により構成されていることを特徴とする窒化物半導体発光素子。 - 請求の範囲第12項または13項に記載の窒化物半導体発光素子において、
前記上部クラッド層は、InyGa1−yN(0<y<1)からなることを特徴とする窒化物半導体発光素子。 - 請求の範囲第12項または13項に記載の窒化物半導体発光素子において、
InyGa1−yN(0<y<1)からなる前記上部クラッド層の厚みが、0.4μm以上1.0μm以下であることを特徴とする窒化物半導体発光素子。 - 基板上に下部クラッド層を形成する工程と、
前記下部クラッド層の上部に、インジウムを含む窒化物半導体からなる活性層を形成する工程と、
前記活性層の上部に、インジウムを含む窒化物半導体からなる上部クラッド層を形成する工程と、
を含み、
前記活性層の成長温度をT2(℃)、前記上部クラッド層のインジウムの成長温度をT1(℃)としたとき、
T1−T2が100℃以下であることを特徴とする窒化物半導体発光素子の製造方法。 - 基板上に下部クラッド層を形成する工程と、
前記下部クラッド層の上部に、インジウムを含む窒化物半導体からなる活性層を形成する工程と、
前記活性層の上部に、600℃以下の温度で格子緩和層を形成する工程と、
前記格子緩和層の上部に上部クラッド層を形成する工程と、
を含むことを特徴とする窒化物半導体発光素子の製造方法。
Applications Claiming Priority (3)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2003307668 | 2003-08-29 | ||
JP2003307668 | 2003-08-29 | ||
PCT/JP2004/012216 WO2005022711A1 (ja) | 2003-08-29 | 2004-08-25 | 窒化物半導体発光素子およびその製造方法 |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPWO2005022711A1 true JPWO2005022711A1 (ja) | 2007-11-01 |
Family
ID=34269455
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2005513448A Pending JPWO2005022711A1 (ja) | 2003-08-29 | 2004-08-25 | 窒化物半導体発光素子およびその製造方法 |
Country Status (2)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JPWO2005022711A1 (ja) |
WO (1) | WO2005022711A1 (ja) |
Families Citing this family (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2008021403A2 (en) * | 2006-08-16 | 2008-02-21 | The Regents Of The University Of California | Method for deposition of magnesium doped (al, in, ga, b)n layers |
JP2010512661A (ja) | 2006-12-11 | 2010-04-22 | ザ リージェンツ オブ ザ ユニバーシティ オブ カリフォルニア | 高特性無極性iii族窒化物光デバイスの有機金属化学気相成長法(mocvd)による成長 |
Family Cites Families (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPH08167735A (ja) * | 1994-12-12 | 1996-06-25 | Hitachi Cable Ltd | 発光素子 |
JP2000299530A (ja) * | 1999-02-08 | 2000-10-24 | Fuji Photo Film Co Ltd | 半導体発光装置 |
JP2000261099A (ja) * | 1999-03-10 | 2000-09-22 | Fuji Electric Co Ltd | Iii族窒化物レーザーダイオードおよびその製造方法 |
-
2004
- 2004-08-25 JP JP2005513448A patent/JPWO2005022711A1/ja active Pending
- 2004-08-25 WO PCT/JP2004/012216 patent/WO2005022711A1/ja active Application Filing
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
WO2005022711A1 (ja) | 2005-03-10 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
KR101179319B1 (ko) | Ⅲ족 질화물 반도체 레이저 | |
JP3594826B2 (ja) | 窒化物半導体発光素子及びその製造方法 | |
JP4328366B2 (ja) | 半導体素子 | |
KR100902109B1 (ko) | 질화 갈륨계 화합물 반도체 소자 | |
JP4161603B2 (ja) | 窒化物半導体素子 | |
JP4075324B2 (ja) | 窒化物半導体素子 | |
JP3538275B2 (ja) | 窒化物半導体発光素子 | |
JP3705047B2 (ja) | 窒化物半導体発光素子 | |
JP4074290B2 (ja) | 半導体発光素子及びその製造方法 | |
WO2002080320A1 (en) | Nitride semiconductor element | |
JP2003289176A (ja) | 半導体発光素子およびその製造方法 | |
JP3311275B2 (ja) | 窒化物系半導体発光素子 | |
JP2003204122A (ja) | 窒化物半導体素子 | |
JP4291960B2 (ja) | 窒化物半導体素子 | |
JP4646359B2 (ja) | 窒化物半導体発光素子の製造方法 | |
US20060081860A1 (en) | Group III nitride semiconductor light-emitting element and method of manufacturing the same | |
JP4628651B2 (ja) | 窒化物半導体発光素子の製造方法 | |
JP2002289914A (ja) | 窒化物半導体素子 | |
JP5332955B2 (ja) | Iii族窒化物半導体レーザ | |
JP2008177438A (ja) | 窒化物半導体発光素子 | |
JP4481385B2 (ja) | 半導体発光素子及びその製造方法 | |
JP4179280B2 (ja) | 半導体発光素子の製造方法 | |
JPWO2005022711A1 (ja) | 窒化物半導体発光素子およびその製造方法 | |
JP3888036B2 (ja) | n型窒化物半導体の成長方法 | |
JP2002252427A (ja) | Iii族窒化物半導体素子およびiii族窒化物半導体基板 |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20090310 |
|
A02 | Decision of refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02 Effective date: 20091020 |