WO2005124950A1 - Iii族窒化物半導体光素子およびその製造方法 - Google Patents

Iii族窒化物半導体光素子およびその製造方法 Download PDF

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WO2005124950A1
WO2005124950A1 PCT/JP2005/011130 JP2005011130W WO2005124950A1 WO 2005124950 A1 WO2005124950 A1 WO 2005124950A1 JP 2005011130 W JP2005011130 W JP 2005011130W WO 2005124950 A1 WO2005124950 A1 WO 2005124950A1
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WO
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layer
nitride semiconductor
group iii
iii nitride
optical device
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PCT/JP2005/011130
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English (en)
French (fr)
Inventor
Akitaka Kimura
Original Assignee
Nec Corporation
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82—NANOTECHNOLOGY
    • B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y20/00—Nanooptics, e.g. quantum optics or photonic crystals
    • 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
    • H01S5/34—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising quantum well or superlattice structures, e.g. single quantum well [SQW] lasers, multiple quantum well [MQW] lasers or graded index separate confinement heterostructure [GRINSCH] lasers
    • H01S5/343—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising quantum well or superlattice structures, e.g. single quantum well [SQW] lasers, multiple quantum well [MQW] lasers or graded index separate confinement heterostructure [GRINSCH] lasers in AIIIBV compounds, e.g. AlGaAs-laser, InP-based laser
    • H01S5/34333—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising quantum well or superlattice structures, e.g. single quantum well [SQW] lasers, multiple quantum well [MQW] lasers or graded index separate confinement heterostructure [GRINSCH] lasers in AIIIBV compounds, e.g. AlGaAs-laser, InP-based laser with a well layer based on Ga(In)N or Ga(In)P, e.g. blue laser

Definitions

  • the present invention relates to a semiconductor optical device having a current confinement layer.
  • Group III nitride semiconductors typified by gallium nitride can emit blue-violet light with high efficiency. Therefore, light emitting diodes (LEDs) and lasers (1 aser diode, LD) ) It has been attracting attention as a material.
  • LEDs light emitting diodes
  • LDs are expected to be used as light sources for large-capacity optical disc devices.
  • high-power LDs have been energetically developed as light sources for writing.
  • high-frequency characteristics are important with the high transfer speed of optical disks, and it is necessary to reduce the element resistance and the parasitic capacitance of the element as much as possible.
  • LDs having a ridge-type structure are widely used.
  • the ridge type LD has a ridge formed by dry etching on the LD structure.
  • the upper part of the ridge is covered with an insulating film having a stripe-shaped opening, and a p-type electrode is provided in the opening.
  • the current confinement is performed by the stripe-shaped electrodes, and the lateral mode is controlled by adjusting the ridge width and the ridge height.
  • FIG. 2 is a diagram showing a structure of an embedded structure type (inner 'stripe type') LD described in Patent Document 1: Japanese Patent Application Laid-Open No. 11-261160.
  • an amorphous layer is formed on the active layer 305.
  • a high-resistance layer made of a crystalline or polycrystalline nitride-based compound semiconductor layer is grown, and a stripe-shaped opening 320 is formed by wet etching to form a current confinement layer 308.
  • the second cladding layer is irradiated with charged particles by removing the striped portion, and the carrier trap is increased.
  • a high-resistance current constriction layer 308 is formed at a high density. The current injection layer 308 improves carrier injection efficiency.
  • FIG. 3 is a diagram showing a semiconductor laser described in JP-A-2003-347238.
  • this semiconductor laser fine irregularities are formed in the p-type GaN contact layer 28 to improve the adhesion of the p-side electrode 36.
  • the formation of the unevenness is performed as follows.
  • a p-type GaN contact Grow layer 28 At the end of the growth of the ⁇ -type GaN contact layer 28, the substrate temperature is not kept for 1 minute while continuing to supply TMG, TMI, Me Cp Mg, and NH gas to the deposition chamber.
  • the temperature is lowered to room temperature to complete the formation of the laminated structure.
  • a groove-like recess having a typical depth of l to 2 nm is formed on the outermost surface of the formed p-type GaN contact layer 28 in an irregular network at intervals of several tens to several hundreds of nm over the entire surface.
  • the structure that spreads out is formed.
  • striped ridges 30 and mesas 32 are formed in the same manner as in the conventional method, and SiO films 34 are formed on both side surfaces of the ridges 30 and the remaining layer of the p-type AlGalnN cladding layer 26.
  • a p-side electrode 36 is provided on the p-type GaN contact layer 28, and an n-side electrode 38 is provided on the n-type GaN contact layer 16.
  • the operating voltage is low
  • the adhesion and the adhesion between the metal film of the p-side electrode 36 and the p-type GaN contact layer are improved, and the P-side electrode 36 is not easily peeled off. It is said that it can be done.
  • FIG. 4 shows the semiconductor laser of this document. As shown, this is a ridge-type semiconductor laser (LD), not an inner-strip type.
  • 1 is a substrate
  • 2 is a buffer layer
  • 3 is an undoped GaN layer
  • 4 is an AlGaN layer
  • 5 is an Mg-doped p-type GaN layer
  • 6 is a p-electrode.
  • Au is deposited on the surface and A photoresist pattern is formed on the substrate by photolithography.
  • the exposed Au part is removed by etching, and a structure is created in which only the required part is exposed to p-type GaN and the others are covered with Au.
  • the sample was treated with dihydrogen phosphate ammonium (NH
  • a p-electrode 6 is formed thereon, and the structure shown in the figure is obtained.
  • the present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to improve the adhesion of an upper electrode and reduce the device resistance in a group III nitride semiconductor optical device having a current confinement layer inside.
  • a semiconductor layer made of a group III nitride semiconductor, a current confinement layer provided on the semiconductor layer and having a predetermined opening, and provided on the semiconductor layer and the opening above the opening A m-nitride semiconductor optical device, comprising: a contact layer having an uneven surface; and an electrode provided on the uneven surface of the contact layer.
  • a group nitride semiconductor optical device is provided.
  • a group III nitride semiconductor refers to a semiconductor having a group III element and nitrogen as constituent elements.
  • a typical example is a semiconductor represented by the general formula In GaAlN (0 ⁇ x ⁇ l, 0 ⁇ y ⁇ l, 0 ⁇ x + y ⁇ l) (hereafter, GaN-based semiconductor and! / ⁇ ⁇ ). Is mentioned.
  • the contact layer may have a shape extending in a horizontal direction along the uneven surface above the current constriction layer.
  • the contact layer since the contact layer has a cross-sectional shape along the uneven surface above the current constriction layer, current flows in the contact layer along the uneven surface.
  • a wide range of electrode forces can collect the injected current in the opening, and a device having low device resistance and good IV characteristics can be realized.
  • the contact layer may be formed continuously from a region above the current confinement layer to a region above the opening. According to this configuration, when a current flows in the contact layer, the current can be collected not only from the electrode portion provided above the opening but also from the electrode portion above the current constriction layer. Thus, an element having good IV characteristics can be realized.
  • the contact layer may have a concavo-convex surface above the current constriction layer and a flat surface above the opening. According to this configuration, since the electrode is provided on the uneven surface of the contact layer, excellent electrode adhesion can be obtained, and the element resistance can be effectively reduced. On the other hand, since the surface of the contact layer is flat in the current-carrying region where the opening is provided, it is possible to preferably conduct current in the stacking direction. In other words, the crystal that directly contributes to laser oscillation is not affected by the irregularities.
  • the contact layer is made of InGaAlN (0 ⁇ a ⁇ l, 0 ⁇ b ⁇ l, a + b ⁇ l a b 1— a— b
  • the current confinement layer can be formed of In x Ga y Al N (0 ⁇ x ⁇ 1, 0 ⁇ y ⁇ 1, x + y ⁇ 1).
  • the root mean square roughness (Roughness) of the uneven surface is larger than the thickness of the contact layer.
  • the root-mean-square roughness of the uneven surface is preferably at least 10 nm, more preferably at least 100 nm. There is no particular upper limit, but it is sufficient to set it to 1 m or less. With such irregularities, excellent electrode adhesion can be obtained.
  • the uneven surface may be constituted by a crystal plane. With this configuration, a contact with the electrode is established through the crystal plane, so that a low device resistance can be stably realized.
  • the contact layer is made of GaN or AlGaN
  • the crystal plane can be a (1-101) plane when the contact layer has a (0001) plane.
  • etch the uneven surface If the crystal growth surface is used instead of the surface formed by etching, damage to the contact layer and the like due to etching can be avoided, and the contact layer is formed to extend in the horizontal direction, improving the current collection effect from the electrodes. The element resistance can be sufficiently reduced.
  • the uneven surface may be configured to include hexagonal pyramid-shaped pits. By doing so, hexagonal pyramid-shaped pits are formed, so that excellent electrode adhesion and good element resistance can be obtained.
  • a cladding layer having a superlattice structure is provided between the current confinement layer and the contact layer, and the thin layer constituting the superlattice structure extends in the horizontal direction along the uneven surface. May be provided.
  • the device of the present invention can be applied to various devices.
  • a structure including an active layer below the semiconductor layer may be employed.
  • it is suitably applied to light emitting diodes, semiconductor lasers and the like.
  • a step of forming a semiconductor layer made of a group III nitride semiconductor on the substrate, and a step of forming a current confinement layer having a predetermined opening on the semiconductor layer Growing a group III nitride semiconductor at a growth temperature of 1,000 ° C. or less on the semiconductor layer and the opening to form a contact layer having an uneven surface; Forming a group III-nitride semiconductor optical device.
  • the electrode is provided on the uneven surface of the contact layer. Therefore, excellent electrode adhesion can be obtained, and the element resistance can be effectively reduced.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing the structure of an inner stripe semiconductor laser according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view schematically showing a structure of a conventional inner'stripe type semiconductor laser.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view schematically showing a structure of a conventional ridge-type semiconductor laser.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view schematically showing a structure of a conventional semiconductor laser.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view schematically showing a structure of a semiconductor laser having an uneven surface formed by etching.
  • FIG. 6 is a diagram schematically illustrating a state of irregularities formed on a contact layer surface in the inner-stripe semiconductor laser according to the embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a cross-sectional view schematically showing a structure of an AlGaNZGaN superlattice cladding layer in the inner-stripe semiconductor laser according to the embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 is a cross-sectional view schematically showing a structure of an AlGaNZGaN superlattice cladding layer formed at an optimum temperature, which is used when forming an uneven surface by etching.
  • the symbols shown in the figure have the following meanings.
  • Si-doped n-type GaN layer 103 on the n-type GaN substrate 102 Si concentration 4 X 10 17 cm_ 3, thickness: m
  • Si-doped n-type Al Ga N Si concentration 4 X 10 17 cm_ 3 , thickness
  • ⁇ -type cladding layer 104 which also has 2 ⁇ ) force
  • 11-type optical confinement layer 105 composed of Si-doped ⁇ -type GaN (Si concentration 4 ⁇ 10 17 cm _3 , thickness 0.1 111), 111 Ga N (thickness 3 nm )
  • MQW Multiple quantum well
  • a contact layer 111 made of Mg-doped p-type GaN (Mg concentration l ⁇ 10 2 ° cm_3 , thickness 0.02 m) is laminated.
  • the root-mean-square roughness on the top surface of the contact layer 111 is about 150 nm Are formed.
  • a 300 hPa reduced-pressure MOVPE (metal-organic chemical vapor deposition) apparatus was used for manufacturing the element structure.
  • a mixed gas of hydrogen and nitrogen was used as a carrier gas, and trimethylgallium (TMG), trimethylaluminum (TMA), and trimethylindium (TMI) were used as Ga, Al, and In sources, respectively.
  • TMG trimethylgallium
  • TMA trimethylaluminum
  • TMI trimethylindium
  • SiH silane
  • bis-six is used for p-type dopant.
  • an n-type GaN substrate 102 is prepared.
  • a 100-m-thick ⁇ -type GaN (0001) substrate manufactured by the FIELO method (A. Usui et al., Jpn. J. Appl. Phys., 36, L899 (1997)) was used. .
  • An active layer, an n-type cladding layer, a p-type cladding layer, and low-temperature A1N growth for current confinement are performed on the GaN substrate.
  • this step is referred to as an “active layer growing step”.
  • the substrate After putting the n-type GaN substrate 102 into the growth apparatus, the substrate is heated while supplying NH, and the growth is performed.
  • Multiple quantum well layer 106 Mg-doped p-type Al GaN cap layer 107, M
  • a p-type optical confinement layer 108 that also becomes g-doped p-type GaN is sequentially deposited.
  • the substrate temperature was 1,080 ° C
  • the TMG supply amount was 58 ⁇ mol / min
  • the NH supply amount was 0.
  • AlGaN growth was performed at a substrate temperature of 1,080 ° C, a TMA supply of 36 ⁇ mol Zmin, a TMG supply of 58 ⁇ mol / min, and an NH supply of 0.36 molZmin.
  • the substrate temperature was 800 ° C
  • TMG supply was 8 ⁇ mol / min
  • NH was 0.36 molZmin
  • TMIn was supplied at 48 ⁇ mol / min for the well layer and 48 ⁇ mol / min for the barrier layer.
  • the substrate temperature is subsequently lowered to a predetermined temperature, and a low-temperature-grown A1N layer (which will later become the current confinement layer 109) is deposited.
  • Low temperature growth A1N layer Deposition temperature is desirably 200 to 600 ° C.
  • the deposition temperature was 300 ° C.
  • the TMA and NH feed rates were 36 ⁇ mol / min ⁇ 0.36 mol / mi, respectively.
  • n and the deposited film thickness is 0.1 ⁇ m.
  • stripe forming step After depositing SiO on the A1N layer with lOOnm and applying resist,
  • a 2 m wide stripe 'pattern is formed on the resist by lithography.
  • the resist is dissolved in an organic solvent.
  • the etching of the IN layer is performed using a solution in which phosphoric acid and sulfuric acid are mixed at a volume ratio of 1: 1. 80 ° C for A1N layer in areas not covered by SiO mask
  • the solution is removed by etching for 10 minutes in the above solution held in the solution, and a striped opening is obtained. Furthermore, the SiO used as a mask was removed with buffered hydrofluoric acid, and 2N was added to the A1N layer.
  • a structure having a ⁇ m-wide stripe-shaped opening is obtained.
  • the etchant for the A1N layer may be 50 ° C or more and 200 ° C or less, preferably 80 ° C to 120 ° C from the viewpoint of force controllability that can be achieved even with nitric acid heated to 80 ° C or more. Solutions containing phosphoric acid heated to C are preferred. With these solutions, the A1N layer grown at a low temperature is etched at an etching rate of about 1 to 30 nm / min. On the other hand, crystalline GaN and AlGaN are not etched. As a result, only the low-temperature-grown A1N layer is etched with high selectivity.
  • isotropic etching is realized because the etching rate does not depend on the plane orientation as in the case of single crystal A1N. As a result, it is possible to suppress side 'etching at the time of forming the LD stripe.
  • SiO was used as an etching mask for the A1N layer.
  • cladding regrowth step After feeding into MOV PE equipment, the temperature is raised to 980 ° C, which is the growth temperature, at an NH supply rate of 0.36 molZmin.
  • Mg-doped p-type Al GaN (Mg concentration 1 X 10 19 cm _3 , thickness
  • a ⁇ -type cladding layer 110 of 0.5 ⁇ m in thickness and a contact layer 111 of Mg-doped ⁇ -type GaN (Mg concentration 1 ⁇ 10 2 ° cm _3 , 0.02 m in thickness) are also grown.
  • p-type cladding layer 1 For the growth of the 10 and p-type contact layers 111, the NH flow rate should be lower than the optimal value of 10 slm.
  • the V / m ratio is about 4,500.
  • the growth temperature of the p-type cladding layer 110 and the p-type GaN contact layer 111 can be selected in the range of 900 to 1,000 ° C.
  • the corresponding VZIII ratio is in the range of 2,300 to 14,000. It is important that these conditions have appropriate values depending on the materials and thicknesses of the current confinement layer, the contact layer, and the cladding layer.
  • an LD wafer having a p-type contact layer, an A1N current confinement layer, p-type and n-type cladding layers, p-type and n-type guide layers, and an active layer is obtained.
  • P-type and n-type electrodes are formed on this LD wafer. This step is called an “electrode step”. 5 nm of Ti and 20 nm of Al are vacuum-deposited in this order on the back surface of the n-type GaN substrate, and then 10 nm of Ni and 10 nm of Au are vacuum-deposited in this order on the p-type contact layer.
  • the above sample is put into an RTA (Rapid Thermal Sealing) apparatus, and subjected to alloying at 600 ° C.
  • Au is vacuum-deposited to a thickness of 500 nm on TiAl on the back surface of the substrate and NiAu on the front surface to form an n-type electrode 101 and a p-type electrode 112.
  • the sample after electrode formation is cleaved in the direction perpendicular to the stripe to form an LD chip.
  • a typical element length is 500 ⁇ m. The following evaluation was performed for the semiconductor laser manufactured as described above! / Puru.
  • the surface was observed with a scanning electron microscope.
  • a defect such as a crack or a pit was observed just above the stripe-shaped opening 113.
  • hexagonal pyramid pits were formed on the surface, and irregularities were formed.
  • the side surface of the hexagonal pyramid was often the (1-101) plane of (Al) GaN and a plane equivalent thereto.
  • the p-type GaN contact layer 111 is formed on the current confinement layer 109 in a horizontal direction along the uneven surface. In this case, the region force above the current constriction layer 109 was also formed continuously over the region above the opening 113 (the contact layer 111 in FIG. 1).
  • Example 1 As a control experiment, the semiconductor laser of Example 1 was experimentally manufactured using dry etching.
  • Example 1 Up to the current confinement layer 109 in Example 1, it was formed in the same manner as in Embodiment 1. Thereafter, a p-type cladding layer 110 and a p-type GaN contact layer 111 were formed at a growth temperature of 1,080 ° C. Subsequently, a mask patterned into a predetermined shape was provided on the surface of the p-type GaN contact layer 111, and the p-type GaN contact layer 111 was selectively etched using the mask to form an uneven surface.
  • the p-type contact layer 111 When the p-type contact layer 111 was formed, the surface was observed with a scanning electron microscope. Irregularities were formed on the entire surface of the p-type contact layer 111. When the cross section of the obtained LD structure was observed, the p-type GaN contact layer 111 had a shape divided at the concave portion, as shown in FIG.
  • the operating voltage at a laser output of 30 mW was 5.5 V.
  • the A1N current confinement layer 109 is formed by low-temperature growth, the film quality of the cladding layer and the contour outer layer is improved, and the substantial effective area of the electrode is increased. And the element resistance can be greatly reduced.
  • the A1N layer deposited at a high temperature of 1,000 ° C. or higher was selectively removed by etching to form the A1N current confinement layer 109.
  • the current blocking layer is made of SiO or the like.
  • the polycrystal deposited on it does not inherit the underlying crystal information at all, and has no order and no conductivity.
  • an amorphous layer is formed by low-temperature deposition at a temperature of 600 ° C. or lower, an opening is formed by etching, and then the non-connection is performed.
  • a step of converting an amorphous layer into a crystal layer by forming a layer above the p-type cladding layer 110 at a temperature higher than the crystal layer formation temperature is employed.
  • the Mg-doped p-type AlGaN cladding layer 110 and the Mg-doped p-type GaN contact layer 111 on the current confinement layer 109 are p-type conductive.
  • the substrate temperature was set to 980 ° C, which is lower than the optimum value, and the NH flow rate was greatly reduced from the optimum value of 10 slm to 1 slm (vs. The corresponding VZIII ratio was about 4,500).
  • moderate irregularities are formed on the surface of the p-type GaN contact layer 111 as described above, and the electrode adhesion is remarkably improved and the device is improved. Resistance can be stably reduced.
  • the surface of the Mg-doped p-type AlGaN cladding layer 110 and the surface of the Mg-doped p-type GaN contact layer 111 are uneven above the A1N current confinement layer 109.
  • the crystal growth proceeds in a state where the A1N current confinement layer 109 is generated, the crystal growth proceeds on the opening 113 of the A1N current confinement layer 109 while the surface remains flat. Therefore, a structure is obtained in which the interface between the p-type electrode 112 and the p-type GaN contact layer 111 is flat in the current-carrying region and has an uneven surface in the current confinement region. While the electrode adhesion is improved by the uneven surface in the current confinement region, a flat interface is formed in the energized region passing through the opening 113, so that good carrier injection efficiency is stably realized.
  • a low-resistance p-type GaN contact layer 111 extends in a horizontal direction along the uneven surface, and extends from a region above the current confinement layer to a region above the opening. It is formed continuously over the area. Therefore, a wide range of electrode current can be collected, and the above-described effects can be obtained.
  • the Mg-doped p-type AlGaN cladding layer 11 of the first embodiment is used.
  • a Mg-doped p-type AlGaN ZGaN superlattice cladding layer 501 was employed.
  • the shape of the irregularities on the surface of the p-type GaN contact layer 111 is a hexagonal pyramid, as in Example 1 (FIG. 7).
  • the superlattice cladding layer and the contact layer thereover have an uneven structure.
  • the semiconductor laser of the present embodiment can improve the adhesion of the P-type electrode without impairing the original function of the superlattice cladding and can reduce the element resistance.
  • an inner'strip type semiconductor laser having a structure similar to that of the semiconductor laser of Example 2 was experimentally manufactured using dry etching.
  • the structure of the semiconductor laser of this example will be described with reference to FIG.
  • the Si-doped n-type GaN layer 103 to the Mg-doped p-type GaN optical confinement layer 108 (excluding the InGaN MQW active layer 106), the Mg-doped p-type AlGaNZGaN superlattice cladding layer 501 and Mg
  • the doped p-type GaN contact layer 111 is formed at the optimum temperature for forming (Al) GaN of the MOVPE apparatus at 1,080 ° C. Therefore, the surface is flat when the crystal growth is completed. Thereafter, dry etching was performed to form irregularities on the surface.
  • the characteristic of the surface irregularities formed by dry etching is Mg-doped p-type AlGa
  • the inside of the layer structure such as the interface between the N cladding layer 110 and the Mg-doped p-type GaN contact layer 111, is formed flat (Fig. 8).
  • the p-type GaN contact layer 111 and the superlattice cladding layer 501 are partially separated at the concave portions.
  • the operating voltage of the obtained semiconductor laser at a laser output of 30 mW was a high value of 5.8 V. If surface irregularities are formed by dry etching, a sufficiently low element resistance cannot be obtained. The reason for the failure was presumed as follows.
  • the thin layer constituting the superlattice structure conforms to the shape of the irregular surface formed on the upper surface of the current constriction layer which is initially amorphous. It has a shape extending in the horizontal direction. That is, the layers between the thin layers constituting the superlattice structure are stacked so as to conform to the unevenness formed on the upper surface of the current confinement layer. Since the above thin layer has low resistivity in the lateral direction in the layer, as shown in FIG. 7, a wide range of electrode forces near the laser 'stripe Injected current force gathers in the laser' stripe (opening), and the result and As a result, low resistance and good IV characteristics are realized.
  • the thin layer constituting the superlattice structure formed at the optimum temperature for (Al) GaN formation also has The substrates are stacked along a horizontal plane. That is, the surface force between the thin layers constituting the superlattice structure is formed in parallel with the horizontal plane of the substrate. For this reason, the uneven portion formed by dry etching has a structure in which each thin layer is divided, and the current can be collected only by the narrow force that has not been damaged by the dry etching and the range force injected. It is difficult to sufficiently obtain the IV improvement effect of the superlattice cladding layer.
  • any other substance may be used as long as it can block a force current using A1N as the material of the current confinement layer 109.
  • A1N the material of the current confinement layer 109.
  • the layers represented by 0 ⁇ x ⁇ 0.4, 0 ⁇ y ⁇ 0.4, x + y ⁇ 0.4) are the upper and lower layers (for example, p-type GaN guide layer 108 and Mg-doped p-type Al GaN cladding layer 110) and crystal structure and lattice constant
  • GaN was used as the contact layer 111.
  • the contact layer 111 and a-b may be composed of N (0 ⁇ a ⁇ l, 0 ⁇ b ⁇ l, a + b ⁇ l).
  • the p-type contact layer 111 is selected to have a lower A1 composition than the p-type cladding layer 110, and at the same time, the forbidden band width Eg is further reduced.
  • the effect of the present invention is more remarkable in an element structure having a p-type doped contact layer as the contact layer 111 and forming a p-type electrode thereon as in the first and second embodiments. It is exhibited in.
  • the current concentration in the opening 113 provided in the current constriction layer 109 is caused by the concentration of the current from the p-type electrode 112 to the opening 113 via the p-type contact layer 111 and the p-type cladding layer 110.
  • Advances. Therefore, at the interface between the p-type electrode 112 and the p-type contact layer 111, the current density per unit area is reduced.
  • the thickness and the doping concentration of the p-type cladding layer 110 and the p-type contact layer 111 can be appropriately selected according to the current concentration process.
  • an edge-emitting gallium nitride semiconductor laser has been described.
  • a light-emitting element that is not a laser, or a semiconductor optical element that is not a light-emitting element, such as a light-receiving element may be used.
  • the present invention can be implemented without any trouble. Further, the present invention can be applied to a surface emitting laser. In this case, a ring-shaped upper electrode is provided on the uneven surface, and the opening is used as a light emitting window.
  • the flat surface force at the upper part of the opening also has a structure in which light is emitted, so that a semiconductor laser excellent in light emission efficiency and electrode adhesion can be obtained.

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Abstract

　本発明は、内部に電流狭窄層を備えるIII族窒化物半導体光素子において、上部電極の密着性を向上するとともに、素子抵抗を低減する上で有効な構造を提供する。例えば、インナー・ストライプ型III族窒化物半導体レーザにおいて、ｎ型ＧａＮ基板１０２上に、Ｓｉドープｎ型ＧａＮ層１０３、ｎ型クラッド層１０４、ｎ型光閉じ込め層１０５、３つの井戸層を有する多重量子井戸層１０６、キャップ層１０７、ｐ型ＧａＮガイド層１０８が積層される。そして、この上に、低温成長ＡｌＮ電流狭窄層１０９、Ｍｇドープｐ型Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ｎからなるｐ型クラッド層１１０、Ｍｇドープｐ型ＧａＮからなるコンタクト層１１１が積層される。電流狭窄層１０９上部のコンタクト層１１１の上面には、二乗平均粗さが１５０ｎｍ程度の凹凸が形成されており、この上に、ｐ型電極１１２を設ける。ｐ型クラッド層１１０、コンタクト層１１１を、９８０°C程度の成長温度で形成し、その成長過程で前記の凹凸が形成される。

Description

明 細 書
m族窒化物半導体光素子およびその製造方法
技術分野
[0001] 本発明は、電流狭窄層を備える半導体光素子に関する。
背景技術
[0002] 窒化ガリウムに代表される III族窒化物半導体は、高効率の青紫色発光が得られる ことから、発光ダイオード（light emitting diode、： LED)やレーザ^ ~·ダイオード（1 aser diode, LD)材料として注目を浴びてきた。なかでも LDは大容量光ディスク装 置の光源として期待され、近年では書き込み用光源として高出力 LDの開発が精力 的に進められている。光ディスクへの応用では、レーザー 'ビームをスポット状に絞り 込むためにビーム形状を整える必要がある。このため横モードの制御が重要となる。 また高出力化を図るためには、キャリアの注入効率を高めることがポイントとなる。さら に、光ディスクの転送速度高速ィヒにともない高周波特性が重要となっており、素子抵 抗の低減とともに素子の寄生容量をできるだけ小さくする必要がある。
[0003] これらを実現する窒化物 LD構造として、リッジ型構造の LDが広く利用されている。
リッジ型構造の LDは、 LD構造の上部にドライエッチングにより形成されたリッジを備 える。リッジ上部はストライプ状開口部を有する絶縁膜でカバーされ、開口部に p型電 極が設けられる。電流狭窄はストライプ状電極でなされ、リッジ幅およびリッジ高さを 調整することにより横モードの制御がなされる。
[0004] 一方、リッジ型 LDよりも効率のょ 、電流狭窄を実現する構造として、埋め込み構造 型の LDが提案されている。図 2は、特許文献 1 :特開平 11— 261160号公報に記載 された埋め込み構造型 (インナー 'ストライプ型）の LDの構造を示す図である。この半 導体レーザでは、 n型第 1クラッド層 304と p型第 2クラッド層 307とで挟まれた活性層 305を有する窒化物系化合物半導体レーザ素子 300において、活性層 305の上に 、非晶質又は多結晶の窒化物系化合物半導体層からなる高抵抗層を成長させ、ゥェ ット 'エッチングでストライプ状開口部 320を形成して電流狭窄層 308とする。或いは ストライプ状部分を除 、て第 2クラッド層に荷電粒子を照射し、キャリア ·トラップを高 密度に形成して高抵抗な電流狭窄層 308とする。電流狭窄層 308によりキャリア注 入効率の向上が図られる。
[0005] し力しながら、リッジ型、埋め込み構造型の!/、ずれの型式にぉ 、ても、上部電極の 密着性を充分に得ることが困難であるという課題があった。
[0006] 特開 2003— 347238号公報には、リッジ型 LDにおける電極密着性を改善する技 術が記載されている。図 3は、特開 2003— 347238号公報に記載の半導体レーザ を示す図である。この半導体レーザでは、 p型 GaNコンタクト層 28に微小な凹凸を形 成し、 p側電極 36の密着性を改善している。凹凸の形成は、以下のようにして行う。
[0007] 図 3において、 p型 AlGaNクラッド層 26を成長させた後、 p型 GaNコンタクト層 28を 成長させる際に、先ず、基板温度約 1, 000°Cで所定膜厚の p型 GaNコンタクト層 28 を成長させる。 ρ型 GaNコンタクト層 28の成長を終了した時点で、 TMG、 TMI、 Me Cp Mg、及び NHガスを成膜チャンバに供給し続けながら、基板温度を 1分間ない
2 3
し 2分間力けて 1, 000°C力ら 700°Cに降温し、 700°Cで 5秒間から 60秒間維持する 。次に、 TMG、 TMI、及び MeCp Mgの供給を停止し、 NH3ガスだけを供給しなが
2
ら室温に下げて、積層構造の形成を終了する。こうすること〖こより、形成した p型 GaN コンタクト層 28の最表面に、深さの典型値が l〜2nmである溝状凹部が表面全域に 数十〜数百 nm間隔で不規則な網目状に広がった構造が形成される。
[0008] その後、従来の方法と同様にして、ストライプ状リッジ 30及びメサ 32を形成し、リッジ 30の両側面及び p型 AlGalnNクラッド層 26の残り層上に SiO膜 34を成膜する。続
2
いて、 p型 GaNコンタクト層 28上に p側電極 36を、 n型 GaNコンタクト層 16上に n側電 極 38を設ける。これにより、動作電圧が低ぐ p側電極 36の金属膜と p型 GaNコンタク ト層との密着性及び固着性が向上して P側電極 36が剥がれ難い GaN系半導体レー ザ素子を製造することができるとされて 、る。
[0009] 特開平 11— 16852号公報には、電極下地に凹凸を設けることにより電極密着性を 向上させる技術が記載されている。同文献の半導体レーザを図 4に示す。図示したよ うに、これはリッジ型半導体レーザ (LD)であり、インナー 'ストライプ型ではない。図 中、 1は基板、 2はバッファ層、 3はアンドープ GaN層、 4は AlGaN層、 5は Mgドープ p型 GaN層、 6は p電極を示す。 p型 GaN層 5を形成した後、表面に Auを蒸着し、こ の上にフォトリソグラフィによってフォトレジストのパターンを形成する。次いで露出し た Au部分をエッチングして除去し、必要部分だけ p型 GaNの露出し他は Auで覆わ れた構造を作製する。この Auマスクのっ 、た試料をリン酸二水素アンモ-ゥム (NH
4
H PO )の溶融塩で湿式エッチングすることにより、六角柱型のエッチピットが多数形
2 4
成される。この上に p電極 6を形成し、図示した構造が得られる。
[0010] しカゝしながら、特開 2003 - 347238号公報、特開平 11— 16852号公速に記載さ れた技術では、電極密着性を充分に改善することは困難であった。また、素子抵抗 を充分に低減することが困難であった。
発明の開示
[0011] 本発明は上記事情に鑑みなされたものであって、内部に電流狭窄層を備える III族 窒化物半導体光素子において、上部電極の密着性を向上するとともに素子抵抗を 低減することを目的とする。
[0012] 本発明によれば、 III族窒化物半導体からなる半導体層と、前記半導体層上に設け られ所定の開口部を有する電流狭窄層と、前記半導体層および前記開口部の上部 に設けられ、凹凸表面を有するコンタクト層と、前記コンタクト層の前記凹凸表面に設 けられた電極と、を備えることを特徴とする m族窒化物半導体光素子、特には、
III族窒化物半導体からなる半導体層と、前記半導体層上に設けられ所定の開口部 を有する電流狭窄層と、前記半導体層上に設けらている前記電流狭窄層および前 記開口部の上部に設けられ、前記電流狭窄層の上部に形成される部分は凹凸表面 を有するコンタクト層と、前記凹凸表面部分を有する前記コンタクト層の上面に設けら れた電極と、を備えることを特徴とする m族窒化物半導体光素子が提供される。
[0013] 本発明によれば、コンタクト層の凹凸面に電極が設けられている。このため、優れた 電極密着性が得られるとともに、素子抵抗を効果的に低減させることができる。なお、 III族窒化物半導体とは、 III族元素と窒素とを構成元素として有する半導体をいう。代 表例としては、一般式 In Ga Al N (0≤x≤l、 0≤y≤l, 0≤x+y≤l)で表さ れる半導体 (以下、 GaN系半導体と!/ヽぅ）が挙げられる。
[0014] 本発明において、前記コンタクト層は、前記電流狭窄層の上部において、前記凹凸 表面に沿って水平方向に延在する形状を有する構成とすることができる。この構成に よれば、コンタクト層が、電流狭窄層の上部において、凹凸表面に沿った断面形状を 有するため、凹凸表面に沿ってコンタクト層内に電流が流れる。このため、広い範囲 の電極力も注入された電流を開口部に集めることができ、低い素子抵抗で、良好な I —V特性を有する素子を実現することができる。
[0015] 本発明において、前記コンタクト層は、前記電流狭窄層の上部の領域から前記開 口部の上部の領域にわたって連続的に形成されている構成とすることができる。この 構成によれば、コンタクト層内に電流が流れることにより、開口部の上部に設けられた 電極部分のみならず、電流狭窄層の上部の電極部分からも電流を集めることができ 、低い素子抵抗で、良好な I—V特性を有する素子を実現することができる。
[0016] 本発明において、前記コンタクト層は、前記電流狭窄層の上部において凹凸表面 を有し、前記開口部の上部において平坦表面を有する構成とすることができる。この 構成によれば、コンタクト層の凹凸面に電極が設けられた構造となっているため、優 れた電極密着性が得られるとともに、素子抵抗を効果的に低減させることができる。 その一方、開口部の設けられた通電領域ではコンタクト層表面が平坦であるため、積 層方向へ好適に通電することができる。すなわち、レーザ発振に直接的に寄与する 結晶には、この凹凸は悪影響を及ぼさない。
[0017] 本発明において、コンタクト層は、 In Ga Al N (0≤a≤l, 0≤b≤l, a+b≤l a b 1— a— b
)により構成することができる。また、電流狭窄層は、 InxGayAl N (0≤x≤ 1、 0 ≤y≤ 1、 x+y≤ 1)により構成することができる。
[0018] 本発明にお 、て、凹凸表面の二乗平均粗さ（Root Mean Square Roughness)がコン タクト層の厚みよりも大きい構成とすることができる。また、凹凸表面の二乗平均粗さ は、好ましくは 10nm以上、より好ましくは lOOnm以上とする。上限は特にないが、 1 m以下とすることで充分である。このような凹凸とすることにより、優れた電極密着性 が得られる。
[0019] 凹凸表面は、結晶面により構成してもよい。このようにすれば、結晶面を介して電極 とのコンタクトがとられるため、低い素子抵抗を安定的に実現することができる。結晶 面としては、コンタクト層を GaNあるいは AlGaNで構成する場合、該コンタクト層表面 力 （0001)面である際、（1— 101)面とすることができる。また、凹凸表面を、エッチ ングにより形成した面ではなく結晶成長面とすれば、エッチングによるコンタクト層等 の損傷を避けることができるとともに、コンタクト層が水平方向に延在して形成され、 電極からの集電効果が向上し素子抵抗を充分に低減することができる。
[0020] 凹凸表面は、六角錐状のピットを含む構成としてもよい。こうすることにより、六角錐 状のピットが形成されるため、優れた電極密着性および良好な素子抵抗が得られる。
[0021] 本発明において、電流狭窄層とコンタクト層との間に超格子構造のクラッド層を備え 、この超格子構造を構成する薄層が、前記凹凸表面に沿って水平方向に延在する 形状を有する構成としてもよい。こうすることにより、電極からの集電効率が顕著に向 上し、低い素子抵抗が実現される。
本発明の素子は、種々の素子に適用することができる。たとえば、前記半導体層の 下に活性層を備える構造としてもよい。これにより、発光ダイオード、半導体レーザ等 に好適に適用される。
[0022] さらに本発明によれば、基板の上部に、 III族窒化物半導体からなる半導体層を形 成する工程と、前記半導体層上に、所定の開口部を有する電流狭窄層を形成する 工程と、前記半導体層および前記開口部の上部に、 1, 000°C以下の成長温度で III 族窒化物半導体を成長させ、凹凸表面を有するコンタクト層を形成する工程と、前記 コンタクト層の前記凹凸表面に電極を形成する工程と、を備えることを特徴とする III族 窒化物半導体光素子の製造方法が提供される。
[0023] この製造方法によれば、電極密着性に優れ、素子抵抗が効果的に低減された半導 体レーザを安定的に製造することができる。
[0024] 本発明によれば、コンタクト層の凹凸面に電極が設けられている。このため、優れた 電極密着性が得られるとともに、素子抵抗を効果的に低減させることができる。
図面の簡単な説明
[0025] [図 1]図 1は、本発明の実施形態に係るインナー 'ストライプ型半導体レーザの構造を 模式的に示す断面図である。
[図 2]図 2は、従来のインナー 'ストライプ型半導体レーザの構造を模式的に示す断面 図である。
[図 3]図 3は、従来のリッジ型半導体レーザの構造を模式的に示す断面図である。 [図 4]図 4は、従来の半導体レーザの構造を模式的に示す断面図である。
[図 5]図 5は、エッチングにより凹凸表面を形成した半導体レーザの構造を模式的に 示す断面図である。
[図 6]図 6は、本発明の実施形態に係るインナ一'ストライプ型半導体レーザにおける 、コンタクト層表面に形成されている凹凸の様子を模式的に説明する図である。
[図 7]図 7は、本発明の実施形態に係るインナ一'ストライプ型半導体レーザにおける 、 AlGaNZGaN超格子クラッド層の構造を模式的に示す断面図である。
[図 8]図 8は、エッチングにより凹凸表面を形成する際に利用される、最適温度で形成 される AlGaNZGaN超格子クラッド層の構造を模式的に示す断面図である。 図中 に示される符号は、下記の意味を有する。
10 GaN半導体レーザ素子
12 サファイア基板
14 GaN— ELO構造層
16 n型 GaNコンタクト層
18 n型 AlGaNクラッド層
20 n型 GaNガイド層
22 GalnN多重井戸（MQW)構造の活性層
24 p型 GaNガイド層
26 p型 AlGaNクラッド層
28 p型 GaNコンタクト層
30 ストライプ状リッジ
32 メサ
34 SiO膜
2
36 P側電極
38 n側電極
101 n型電極
102 n型 GaN基板
103 Siドープ n型 GaN層 104 Siドープ n型 AlGaNクラッド層
105 Siドープ n型 GaN光閉込層
106 InGaN MQW活性層
107 Mgドープ p型 AlGaNキャップ層
108 Mgドープ p型 GaN光閉込層
109 A1N電流狭窄層
110 Mgドープ p型 AlGaNクラッド層
111 Mgドープ p型 GaNコンタクト層
112 p型電極
401 半導体表面
402 六角錘状の穴
501 Mgドープ p型 AlGaNZGaN超格子クラッド層 発明を実施するための最良の形態
[0027] 以下、実施例に基づいて本発明をより詳細に説明する。
[0028] [実施例 1]
本実施例に係るインナー 'ストライプ型半導体レーザについて、図 1を参照して説明 する。この半導体レーザは、 n型 GaN基板 102上に Siドープ n型 GaN層 103 (Si濃度 4 X 1017cm_3、厚さ: m)、 Siドープ n型 Al Ga N (Si濃度 4 X 1017cm_3、厚さ
0. 1 0. 9
2 μ χη)力もなる η型クラッド層 104、 Siドープ η型 GaN (Si濃度 4 X 1017cm_3、厚さ 0 . 1 111)からなる11型光閉じ込め層105、111 Ga N (厚さ 3nm)井戸層と Siドー
0. 15 0. 85
プ In Ga N (Si濃度 1 X 1018cm_3、厚さ 4nm)バリア層からなる 3つの井戸層を
0. 01 0. 99
持つ多重量子井戸（MQW)層 106、 Mgドープ p型 Al Ga Nからなるキャップ層
0. 2 0. 8
107、 Mgドープ p型 GaN (Mg濃度 2 X 1019cm_3、厚さ 0. 1 μ m)からなる ρ型 GaN ガイド層 108が積層した構造を有する。そしてこの上に、 A1N電流狭窄層 109、 Mgド ープ p型 Al Ga N (Mg濃度 1 X 1019cm_3、厚さ 0. 5 m)力 なる p型クラッド層
0. 1 0. 9
110、 Mgドープ p型 GaN (Mg濃度 l X 102°cm_3、厚さ 0. 02 m)からなるコンタク ト層 111が積層している。コンタクト層 111の上面には、二乗平均粗さが 150nm程度 の凹凸が形成されている。
[0029] 以下、この半導体レーザの作製方法にっ 、て説明する。
[0030] 素子構造の作製には、 300hPaの減圧 MOVPE (有機金属気相成長法)装置を用 いた。キャリアガスには、水素と窒素の混合ガスを用い、 Ga、 Al、 Inソースとしてそれ ぞれ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。また、 n型ドーパントにはシラン（SiH )、 p型ドーパントにはビスシク
4
口ペンタジェ-ルマグネシウム（Cp Mg)を用いた。
2
[0031] はじめに、 n型 GaN基板 102を用意する。 n型 GaN基板 102としては、 FIELO法（ A. Usui他、 Jpn. J. Appl. Phys. , 36, L899 ( 1997) )により作製した厚 さ 100 mの η型 GaN (0001)基板を用いた。
[0032] この GaN基板の上に、活性層、 n型クラッド層、 p型クラッド層、電流狭窄のための低 温 A1N成長を行う。以下この工程を「活性層成長工程」という。
[0033] n型 GaN基板 102を成長装置に投入後、 NHを供給しながら基板を昇温し、成長
3
温度まで達した時点で成長を開始する。 Siドープ n型 GaN層 103、 Siドープ n型 A1
0.
Ga Nからなる n型クラッド層 104、 Siドープ n型 GaNからなる n型光閉じ込め層 10
1 0. 9
5、 In Ga N井戸層と Siドープ In Ga Nバリア層からなる、 3つの井戸層を
0. 15 0. 85 0. 01 0. 99
有する多重量子井戸層 106、 Mgドープ p型 Al Ga Nからなるキャップ層 107、 M
0. 2 0. 8
gドープ p型 GaN力もなる p型光閉じ込め層 108を順次堆積する。
[0034] GaN成長は、基板温度 1 , 080°C、 TMG供給量 58 μ mol/min, NH供給量 0.
3
36molZminで行い、 AlGaN成長は、基板温度 1 , 080°C、 TMA供給量 36 μ mol Zmin、 TMG供給量 58 μ mol/min, NH供給量 0. 36molZminにて行っている
3
。 InGaN MQW成長においては、基板温度 800°C、 TMG供給量 8 μ mol/min, NH 0. 36molZminとし、 TMIn供給量は、井戸層で 48 μ mol/min,バリア層で
3
3 μ mol/ mmとして ヽ 。
[0035] これらの構造を堆積後、引き続いて、基板温度を所定の温度まで降温し、低温成長 A1N層（後に電流狭窄層 109となる）の堆積を行って ヽる。低温成長 A1N層 堆積 温度は、 200°C以上 600°C以下が望ましい。ここでは、堆積温度（基板温度）は、 30 0°Cとした。 TMAおよび NH供給量は、それぞれ 36 μ mol/minゝ 0. 36mol/mi nとし、堆積膜厚は 0. 1 μ mとして 、る。
[0036] 次に、低温成長 A1N層にストライプ開口部を形成する。以下、この工程を「ストライ プ形成工程」という。 A1N層上に SiOを lOOnm堆積し、レジストを塗布した後、フォト
2
リソグラフィにより幅 2 mのストライプ 'パターンをレジスト上に形成する。次に、バッフ ァード.フッ酸により、レジストをマスクとして、 SiOをエッチング後、レジストを有機溶
2
媒により除去し、水洗を行う。 A1N層は、ノ ッファード 'フッ酸、有機溶媒、水洗の各ェ 程でエッチングまたは損傷を受けることはない。次に、 SiOをマスクとして低温成長 A
2
IN層のエッチングを行 エッチング液には、リン酸と硫酸を体積比 1 : 1の割合で混 合した溶液を用いている。 SiOマスクでカバーされていない領域の A1N層は、 80°C
2
に保持した上記溶液中 10分間のエッチングにより除去され、ストライプ状開口部が得 られる。さらに、バッファード'フッ酸でマスクとして用いた SiOを除去し、 A1N層に 2
2
μ m幅のストライプ状開口部を有する構造を得て 、る。
[0037] 低温成長 A1N層のエッチング液は、 80°C以上に加熱された硝酸などでも可能であ る力 制御性の点から 50°C以上 200°C以下、望ましくは 80°C〜120°Cに加熱された リン酸を含む溶液が好適である。これらの溶液により、低温成長 A1N層は、 l〜30nm /min.程度のエッチング速度でエッチングされる。一方、結晶状の GaN、 AlGaN はエッチングされない。これにより低温成長 A1N層のみ力 高い選択性でエッチング される。また、アモルファス A1Nでは、単結晶 A1Nで見られるようなエッチング速度の 面方位依存性がないため、等方的なエッチングが実現される。これにより、 LDストラ イブ形成時のサイド'エッチングを抑制することが可能となる。また、上記実施形態で は A1N層のエッチングマスクとして SiOを用いたが、エッチング液に侵されない材料
2
であれば、 SiNxやレジストを含む有機物を用いてもよ!、。
[0038] 以上により得られるストライプ開口部を有する試料に対し、 p型 AlGaNクラッド層の 埋め込み再成長を行っている。以下この工程を クラッド再成長工程」という。 MOV PE装置に投入後、 NH供給量 0. 36molZminにて成長温度である 980°Cまで昇
3
温する。 980°Cに達した後、 Mgドープ p型 Al Ga N (Mg濃度 1 X 1019cm_3、厚
0. 1 0. 9
さ 0. 5 μ m)からなる ρ型クラッド層 110および Mgドープ ρ型 GaN (Mg濃度 1 X 102°c m_3、厚さ 0. 02 m)力もなるコンタクト層 111を成長させる。ここで、 p型クラッド層 1 10および p型コンタクト層 111の成長においては、 NH流量を最適値の 10 slmより
3
大きく下げ、 1 slmとしている。なお、前記 NH流量： 1 slmの条件を選択することに
3
より、 V/m比 =4, 500程度となっている。 p型クラッド層 110および p型 GaNコンタク ト層 111の成長温度は、 900〜1, 000°Cの範囲で選択することがよぐ NH流量は、
3
0. 5〜3 slm以下の範囲（対応する VZIII比は、 2, 300〜14, 000の範囲）で選択 することが好ましい。これらの条件は、電流狭窄層や、コンタクト層、クラッド層の材料 や膜厚に応じて適切な値をすることが重要である。
[0039] 以上により、 p型コンタクト層、 A1N電流狭窄層、 p型および n型クラッド層、 p型およ び n型ガイド層、活性層を備えた LDウェハが得られる。この LDウェハに対し、 p型お よび n型電極を形成する。この工程を「電極工程」という。 n型 GaN基板裏面に、 Ti 5 nm、 Al 20nmをこの順で真空蒸着し、次に、 p型コンタクト層上に Ni 10nm、 Au 10nmをこの順で真空蒸着している。上記試料を RTA (Rapid Thermal Anealin g)装置に投入し、 600°C、 30秒間のァロイングを行って、ォーミック'コンタクトを形成 して 、る。基板裏面側の TiAlおよび表面側の NiAu上に Auを 500nm真空蒸着し、 n型電極 101および p型電極 112とする。電極形成後の試料をストライプに垂直な方 向に劈開し、 LDチップとしている。典型的な素子長は 500 μ mである。 以上のようにして作製される半導体レーザにつ!、て、以下の評価を行って！/ヽる。
[0040] (i) p型コンタクト層 111の形態観察
p型コンタクト層 111を形成した時点で、その表面を走査型電子顕微鏡により観察し た。 p型コンタクト層 111の表面は、ストライプ状開口部 113の直上においてはクラック やピットなどの欠陥は見られな力つた。一方、 A1N電流狭窄層 109によるマスク領域 上では、図 6に示すように、表面に六角錘のピットが生じ凹凸が形成されていた。六 角錘の側面は、（Al) GaNの（1— 101)面およびこれと等価な面である場合が多かつ た。凹凸表面の表面粗さを AMF (原子間力顕微鏡）により測定したところ、二乗平均 粗さで 150nm程度であり、コンタクト層 111の厚みを超える表面粗さとなつて 、た。
[0041] また、得られた LD構造の断面を観察したところ、以下のことが確認された。 p型 Ga Nコンタクト層 111は、電流狭窄層 109の上部において、凹凸表面に沿って水平方 向に延在する形状を有し、電流狭窄層 109の上部の領域力も前記開口部 113の上 部の領域にわたって連続的に形成されて 、た（図 1のコンタクト層 111)。
[0042] (ii)半導体レーザの素子性能
上記レーザ素子に電流注入をしたところ、レーザ出力 30mWの動作電圧は、 4. 8 Vと非常に良好な電気特性が得られた。このように良好な電気特性が得られたのは、 p型電極 112と p型 GaNコンタクト層 111との接触 (ォーミック 'コンタクト）が十分に確 保されて!、ることに因って 、ると考えられる。
[0043] 対照実験として、実施例 1の半導体レーザを、ドライエッチングを用いて試作した。
実施例 1における電流狭窄層 109までは、実施形態 1と同様にして形成した。その後 、p型クラッド層 110および p型 GaNコンタクト層 111を、 1, 080°Cの成長温度で形成 した。つづいて、 p型 GaNコンタクト層 111の表面に所定の形状にパターユングされ たマスクを設け、このマスクを用いて p型 GaNコンタクト層 111を選択的にエッチング し、凹凸面を形成した。
[0044] p型コンタクト層 111を形成した時点で、その表面を走査型電子顕微鏡により観察し た。 p型コンタクト層 111の表面全面に凹凸が形成されていた。また、得られた LD構 造の断面を観察したところ、 p型 GaNコンタクト層 111は、図 5に示すように、凹部のと ころで分断された形状となって 、た。
[0045] 本例によって得られたレーザ素子に電流注入をしたところ、レーザ出力 30mWの動 作電圧は、 5. 5 Vであった。
[0046] 以下、本実施例による半導体レーザおよびその製造方法の効果について詳述する
[0047] 第一に、本実施例では、 A1N電流狭窄層 109を低温成長により形成しているため、 クラッド層やコンタ外層の膜質を良好にするとともに、電極の実質的な有効面積を広 く取ることができ、素子抵抗を大幅に低減できる。
[0048] 従来技術においては、 1, 000°C以上の高温で堆積した A1N層を選択的にエッチ ング除去して A1N電流狭窄層 109を形成して ヽたが、高温成長 A1N層のエッチング は一般に困難であり、また、 A1N層成長時や、その後の A1N層上への半導体層の成 長時において層中にクラックが発生する等、課題を有していた。本実施例では、 A1N を 600°C以下の低温で成長させているため、アモルファス状の A1Nが得られる。この ため、成長時のクラックを抑制するとともに GaN単結晶もしくは AlGaN単結晶との良 好な選択エッチングが可能となる。
[0049] また、前述の特開 2003— 347238号公報では、電流ブロック層として SiOなどの
2 全くの非晶質を用いているため、その上に析出した多結晶は、全く下地の結晶情報 を引き継いでおらず、秩序がなく導電性のないものとなっている。それに対し、本実 施例に係る半導体レーザでは、電流狭窄層 109形成に際し、まず、 600°C以下の低 温堆積により非結晶層を形成した後、エッチングにより開口部を設け、その後、非結 晶層形成温度よりも高 ヽ温度で p型クラッド層 110上部の層を形成することにより、非 結晶層を結晶層に変換するという工程を採用している。このため、電流狭窄層 109用 の低温成長 A1N層形成時には、ー且は非晶質ライクなものが堆積したとしても、その 後の昇温過程において、結晶化が進行する。このため、電流狭窄層 109の上の Mg ドープ p型 Al Ga Nクラッド層 110や Mgドープ p型 GaNコンタクト層 111が p型導
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電性を示す。したがって、電極の実質的な有効面積を広く取ることができる。
[0050] 第二に、 p型 GaNコンタクト層 111の表面に適度な凹凸が形成されるため、電極密 着性が顕著に向上するとともに、素子抵抗を安定的に低減することができる。凹凸構 造により電極密着性を改善する試みは、従来技術の項で述べたようにこれまでも検 討された例があった。しかしながら、インナー 'ストライプ型の半導体レーザにおいて、 コンタクト層表面に凹凸形状を付与する検討がなされた例はない。また、特開 2003 — 347238号公報に記載されているものは、凹凸が 0. 25nm以上と原子レベルの大 きさの凹凸であり、充分な密着性を得ることは困難であった。また、湿式エッチングに よりピットを形成する方法 (特開平 11 - 16852号公報)では、素子抵抗が上昇する傾 向があり、改善の余地を有していた。この点、本実施例では、電流狭窄層 109の形成 およびその上部の層の形成において、新規なプロセスを採用することにより、電極密 着性および素子抵抗を改善するのに有効な凹凸構造を実現している。すなわち、本 実施例では、電流狭窄層 109の材料として、低温成長 A1Nを用いている。また、 p型 クラッド層 110および p型 GaNコンタクト層 111を形成する際、基板温度を最適値より 低い 980°Cとするとともに、 NH流量を最適値の 10 slmより大きく下げ、 1 slm (対 応する VZIII比は、 4, 500程度）とした。本実施例では、上記のような新規なプロセ スを組み合わせて採用することにより、上記したように p型 GaNコンタクト層 111表面 に適度な凹凸が形成され、電極密着性が顕著に向上するとともに素子抵抗を安定的 に低減することができる。
[0051] また、上記プロセスの採用により、 A1N電流狭窄層 109の上方では、 Mgドープ p型 Al Ga Nクラッド層 110および Mgドープ p型 GaNコンタクト層 111の表面に凹凸
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が生じた状態で結晶成長が進行する一方、 A1N電流狭窄層 109の開口部 113上で は表面は平坦なままで結晶成長が進行する。このため、 p型電極 112と p型 GaNコン タクト層 111との間の界面が、通電領域にお 、ては平坦であり電流狭窄領域にぉ ヽ ては凹凸面となる構造が得られる。電流狭窄領域における凹凸面によって電極密着 性が向上する一方、開口部 113を経由する通電領域においては平坦な界面となるた め良好なキャリア注入効率が安定的に実現される。
[0052] 開口部 113を経由する通電領域においては平坦であり、電流狭窄領域においては 凹凸面となる構造が得られる理由は、以下のように推察される。電流狭窄層 109用の 低温成長 A1N層の表面には、汚染物質や酸ィ匕物などが多量に存在するために、 Mg ドープ p型 Al Ga Nクラッド層 110の再成長初期には、電流狭窄層 109用の低温
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成長 A1N層上では十分な核形成がなされない。さらに、基板温度が比較的低い場合 には、 Mgドープ p型 Al Ga Nクラッド層 110成長時にあまり顕著な横方向成長が
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生じないために、再成長開始後に、二次元的な成長に移行することができず、最後 まで三次元成長が残ったものと考えられる。一方、 A1N電流狭窄層 109の開口部 11 3上では、表面が清浄であるために基板温度が低温でも再成長初期から平坦な二次 元成長が実現されたと思われる。
[0053] 第三に、本実施例の構成によれば、広い範囲の電極から注入された電流を開口部 に集めることができ、低抵抗で良好な I—V特性を有する素子を実現することができる 。本実施例では、図 1に示すように、低抵抗の p型 GaNコンタクト層 111が、凹凸表面 に沿って水平方向に延在し、電流狭窄層の上部の領域から前記開口部の上部の領 域にわたって連続的に形成される。このため、広い範囲の電極力 電流を集めること ができ、上記のような効果が得られる。 [0054] [実施例 2]
本発明によるインナー 'ストライプ型半導体レーザの他の例につ 、て図 7を参照して 説明する。本実施例では、実施例 1における Mgドープ p型 Al Ga Nクラッド層 11
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0に代え、 Mgドープ p型 AlGaNZGaN超格子クラッド層 501を採用した。 p型 GaNコ ンタクト層 111表面の凹凸の様子は実施例 1と同様に六角錘状である（図 7)。
[0055] 本実施例では、超格子クラッド層およびその上のコンタクト層が凹凸構造を有する。
力かる構成をとることにより、本実施例の半導体レーザは、超格子クラッド本来の機能 を損なうことなぐ P型電極の密着性を改善するとともに素子抵抗を低減することがで きる。
[0056] 本実施例に係るレーザ素子に電流注入をしたところ、レーザ出力 30mWの動作電 圧は、 4. 5Vと非常に良好な電気特性が得られた。このように良好な電気特性が得ら れたのは、 p型電極 112と p型 GaNコンタクト層 111との接触（ォーミック 'コンタクト）が 十分に確保されて 、ることによると考えられる。
[0057] 対照実験として、実施例 2の半導体レーザと同様の構造を有するインナー 'ストライ プ型半導体レーザを、ドライエッチングを用いて試作した。
[0058] 本例の半導体レーザの構造について図 8を参照して説明する。本例では、 Siドー プ n型 GaN層 103から Mgドープ p型 GaN光閉込層 108まで（ただし、 InGaN MQ W活性層 106を除く）と、 Mgドープ p型 AlGaNZGaN超格子クラッド層 501および Mgドープ p型 GaNコンタクト層 111とは、本 MOVPE装置の（Al) GaN形成最適温 度 1, 080°Cで形成されている。したがって、結晶成長が終了した段階では、表面は 平坦である。その後、ドライエッチングを施すことにより、表面に凹凸を形成した。この ようにドライエッチで表面に凹凸を形成した場合の特徴は、 Mgドープ p型 Al Ga
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Nクラッド層 110と Mgドープ p型 GaNコンタクト層 111との界面など、層構造の内部は 平坦に形成されていることである（図 8)。この構造においては、 p型 GaNコンタクト層 111および超格子クラッド層 501の一部力 凹部のところで分断された形態となって いる。
[0059] 得られた半導体レーザのレーザ出力 30mWの動作電圧は、 5. 8Vと高い値であつ た。ドライエッチングで表面に凹凸を形成した場合には、充分に低い素子抵抗が得ら れなかった理由は、以下のように推察される。
[0060] 凹凸をドライエッチングで形成した場合は、ドライエッチングの際に、エッチング粒 子に曝された面の損傷が激しぐ p型電極との間のコンタクト抵抗が高くなり、素子抵 抗が非常に高くなる。また、 p型電極の有効面積が狭ぐ I V特性が低下する。こうし た問題は、超格子クラッド層を採用した場合、特に顕著となる。超格子クラッド層を採 用する場合、凹部のところで分断が生じてなければ、図 7に示すように、広い範囲の 電極から注入された電流を集めることができるようになるからである。
[0061] 実施例 2のように、成長により表面に凹凸を形成した場合、超格子構造を構成する 薄層は、当初非結晶質である電流狭窄層上面に形成される凹凸表面の形状に沿つ て水平方向に延在する形状を有する。すなわち、超格子構造を構成する薄層間の 界面が、電流狭窄層の上面に形成される凹凸形状に沿うように積層される。上記薄 層は、層内横方向の抵抗率が低いため、図 7で示すように、レーザ'ストライプ近傍の 広い範囲の電極力 注入された電流力 レーザ'ストライプ（開口部）に集まり、結果と して、低い抵抗、良好な I V特性が実現される。
[0062] 一方、図 8のようにドライエッチングにより表面に凹凸を形成する場合、（Al) GaN形 成最適温度で形成される超格子構造を構成する薄層は、電流狭窄層上面において も、基板水平面に沿って積層される。すなわち、超格子構造を構成する薄層間の界 面力 基板水平面と平行に形成される。このため、ドライエッチングにより形成される 凹凸部では、各薄層が分断された構造となり、ドライエッチングにより損傷を受けてい な ヽ狭 、範囲力 注入された範囲力 しか電流を集めることができず、超格子クラッド 層による I—V改善効果を充分に得ることが困難となる。
[0063] 以上、図面を参照して本発明の実施形態について述べたが、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。
[0064] たとえば、上記実施例では、電流狭窄層 109の材料として A1Nを用いた力 電流を ブロックすることができれば他の物質でも構わな 、。特に、一般式 In Ga Al N (
0≤x≤0. 4, 0≤y≤0. 4、x+y≤0. 4)で表される層は、上下の層（例えば、 p型 G aNガイド層 108や Mgドープ p型 Al Ga Nクラッド層 110)と結晶構造や格子定数
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が近ぐ相性が良いので好ましい。 [0065] また、上記実施例 1、 2では、コンタクト層 111として、 GaNを用いたが、 In Ga Al
a b 1 -
N (0≤a≤l、 0≤b≤l、 a + b≤l)により構成してもよい。なお、コンタクト層 111と a-b
して、 In Ga Al N (0≤a≤l、 0≤b≤l, a+b≤l)を用いる際、 Alの組成（1— a b 1— a— b
a-b)は、 0≤ (1 -a-b)≤0. 4の範囲に選択することが望ましい。通常、 p型コンタ タト層 111は、 p型クラッド層 110と比較して、その A1の組成を低く選択し、同時に、禁 制帯幅 Egも、より小さくすることが好ましい。
[0066] 加えて、上記実施例 1、 2のように、コンタクト層 111として、 p型ドープのコンタクト層 を持ち、 p型電極をその上に形成する素子構造において、本発明の効果がより顕著 に発揮される。その際、電流狭窄層 109に設ける開口部 113への電流集中は、 p型 電極 112から、 p型コンタクト層 111、 p型クラッド層 110を介して、開口部 113に達す る間に電流の集中が進む。従って、 p型電極 112と p型コンタクト層 111との界面では 、単位面積当たりの電流密度は低減する。一方、 p型クラッド層 110、 p型コンタクト層 111の厚さ、ドーピング濃度は、前記電流の集中過程に応じて、適宜選択することが できる。
[0067] 上記実施例 1、 2では、端面発光型の窒化ガリウム半導体レーザの適用例について 説明したが、レーザではない発光素子や、さらには発光素子ではない半導体光素子 、たとえば受光素子等においても、本発明は支障なく実施することができる。また、本 発明は、面発光レーザに適用することもできる。この場合、上記凹凸表面にリング状 の上部電極を設け、開口部を発光窓とする。この場合、凹凸を有する部分で電極と のコンタクトがとられる一方、開口部上部の平坦面力も光が出射される構造となり、発 光効率および電極密着性に優れる半導体レーザが得られる。

Claims

請求の範囲
[1] III族窒化物半導体からなる半導体層と、
前記半導体層上に設けられ、所定の開口部を有する電流狭窄層と、
前記半導体層上に設けられている前記電流狭窄層および前記開口部の上部に設 けられ、前記電流狭窄層の上部となる領域に形成される部分は凹凸表面を有するコ ンタクト層と、
前記凹凸表面部分を有する前記コンタクト層の上面に設けられた電極と、 を備える
ことを特徴とする III族窒化物半導体光素子。
[2] 請求項 1に記載の III族窒化物半導体光素子にお 、て、
前記コンタクト層は、前記電流狭窄層の上部となる領域に形成される前記凹凸表面 部分が該凹凸に沿って水平方向に延在している形状を有する
ことを特徴とする III族窒化物半導体光素子。
[3] 請求項 1または 2に記載の III族窒化物半導体光素子において、
前記コンタクト層は、前記電流狭窄層の上部の領域力 前記開口部の上部の領域 にわたつて連続的に形成されている
ことを特徴とする III族窒化物半導体光素子。
[4] 請求項 1〜3のいずれか一項に記載の III族窒化物半導体光素子において、
前記コンタクト層は、前記電流狭窄層の上部の領域において凹凸表面を有し、前 記開口部の上部の領域にぉ 、て平坦表面を有する
ことを特徴とする III族窒化物半導体光素子。
[5] 請求項 1〜4のいずれか一項に記載の III族窒化物半導体光素子において、
前記凹凸表面の二乗平均粗さが前記コンタクト層の厚みよりも大きい
ことを特徴とする III族窒化物半導体光素子。
[6] 請求項 1〜5のいずれか一項に記載の III族窒化物半導体光素子において、
前記凹凸表面の二乗平均粗さが lOnm以上である
ことを特徴とする III族窒化物半導体光素子。
[7] 請求項 1〜6のいずれか一項に記載の III族窒化物半導体光素子において、 前記凹凸表面は、結晶面により構成されている
ことを特徴とする III族窒化物半導体光素子。
[8] 請求項 1〜7のいずれか一項に記載の III族窒化物半導体光素子において、
前記凹凸表面は、六角錐状のピットを含む
ことを特徴とする III族窒化物半導体光素子。
[9] 請求項 1〜8のいずれか一項に記載の III族窒化物半導体光素子において、
前記電流狭窄層と前記コンタクト層との間に、超格子構造のクラッド層を備え、 前記超格子構造を構成する薄層は、前記凹凸表面に沿って水平方向に延在する 形状を有する
ことを特徴とする III族窒化物半導体光素子。
[10] 請求項 1〜9のいずれか一項に記載の III族窒化物半導体光素子において、
前記コンタクト層は、 In Ga Al N (0≤a≤l、 0≤b≤l, a+b≤l)により構成さ a b 1— a— b
れる
ことを特徴とする III族窒化物半導体光素子。
[11] 請求項 1〜10のいずれか一項に記載の III族窒化物半導体光素子において、 前記電流狭窄層【ま、 In Ga Al N (0≤x≤0. 4、 0≤y≤0. 4、 x+y≤0. 4)に より構成される
ことを特徴とする III族窒化物半導体光素子。
[12] 請求項 1〜11のいずれか一項に記載の III族窒化物半導体光素子において、 前記電流狭窄層は、 A1Nにより構成される
ことを特徴とする ΠΙ族窒化物半導体光素。
[13] 請求項 1〜12のいずれか一項に記載の III族窒化物半導体光素子において、 前記半導体層の下に活性層を備える
ことを特徴とする III族窒化物半導体光素子。
[14] 基板の上部に III族窒化物半導体力 なる半導体層を形成する工程と、
前記半導体層上に、所定の開口部を有する電流狭窄層を形成する工程と、 前記半導体層上に形成される前記電流狭窄層および前記開口部の上部に、 100 0°C以下の成長温度で III族窒化物半導体を成長させ、前記電流狭窄層の上部の領 域に形成される部分は凹凸表面を有するコンタクト層を形成する工程と、 前記凹凸表面を有するコンタクト層上に電極を形成する工程と、 を備えることを特徴とする m族窒化物半導体光素子の製造方法。
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