JP2000340882A - 窒化物半導体発光素子とその製造方法 - Google Patents
窒化物半導体発光素子とその製造方法Info
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 単一モード安定性の高い窒化物半導体からな
る発光素子とその製造方法を提供することを目的とす
る。 【解決手段】 少なくともインジウムを含む窒化物半導
体からなる発光層と、前記インジウムを含む窒化物半導
体よりもバンドギャップが大きい第一の窒化物半導体層
とを少なくともこの順に備え、さらに前記第一の窒化物
半導体層の上に第二の窒化物半導体層を備えた窒化物半
導体発光素子であって、前記第一の窒化物半導体層と前
記第二の窒化物半導体層とが接合されてなる界面領域
に、周期的な筒状の空洞からなる空隙が複数設けられて
いる構成とすることによって、層構造の中に空隙からな
る回折格子を配設させることができ、単一モード安定性
の高いＤＦＢレーザ素子を得ることができる。
る発光素子とその製造方法を提供することを目的とす
る。 【解決手段】 少なくともインジウムを含む窒化物半導
体からなる発光層と、前記インジウムを含む窒化物半導
体よりもバンドギャップが大きい第一の窒化物半導体層
とを少なくともこの順に備え、さらに前記第一の窒化物
半導体層の上に第二の窒化物半導体層を備えた窒化物半
導体発光素子であって、前記第一の窒化物半導体層と前
記第二の窒化物半導体層とが接合されてなる界面領域
に、周期的な筒状の空洞からなる空隙が複数設けられて
いる構成とすることによって、層構造の中に空隙からな
る回折格子を配設させることができ、単一モード安定性
の高いＤＦＢレーザ素子を得ることができる。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は窒化物半導体を利用
した発光素子及びその製造方法に係り、特に窒化物半導
体レーザ素子に関する。
した発光素子及びその製造方法に係り、特に窒化物半導
体レーザ素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】近年、近紫外領域を含む青色領域での発
光が可能な半導体材料として、窒化ガリウム（ＧａＮ）
に代表される窒化物半導体の研究が活発に行われてい
る。特に、低温バッファ層技術や熱処理によるｐ型化技
術が開発されてからは、発光デバイスへの応用が精力的
に進められており、高輝度発光ダイオードの実用化や短
波長半導体レーザの実現へと結びついている。
光が可能な半導体材料として、窒化ガリウム（ＧａＮ）
に代表される窒化物半導体の研究が活発に行われてい
る。特に、低温バッファ層技術や熱処理によるｐ型化技
術が開発されてからは、発光デバイスへの応用が精力的
に進められており、高輝度発光ダイオードの実用化や短
波長半導体レーザの実現へと結びついている。
【０００３】窒化物半導体の結晶成長技術の進展ととも
に、結晶性の良い窒化物半導体が得られるようになり、
窒化物半導体同士あるいは窒化物半導体と他の化合物半
導体との接合を半導体デバイスあるいは半導体製造に応
用しようとする試みも始まっている。この種の接合の手
法の一つに直接接着法がある。
に、結晶性の良い窒化物半導体が得られるようになり、
窒化物半導体同士あるいは窒化物半導体と他の化合物半
導体との接合を半導体デバイスあるいは半導体製造に応
用しようとする試みも始まっている。この種の接合の手
法の一つに直接接着法がある。
【０００４】直接接着法は、文献等（例えば、Ａｐｐ
ｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．５６（８），１９９０，ｐ
ｐ．７３７−７３９）に記載されているように、二つの
半導体を接着剤を介在させずに直接張り合わせて高温・
加圧下で一体化させることにより接着させる方法であ
る。この方法によれば、格子定数等の物性定数が一致す
るものは勿論、異なった材料を一体化できることから、
種々の分野で応用されている。
ｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．５６（８），１９９０，ｐ
ｐ．７３７−７３９）に記載されているように、二つの
半導体を接着剤を介在させずに直接張り合わせて高温・
加圧下で一体化させることにより接着させる方法であ
る。この方法によれば、格子定数等の物性定数が一致す
るものは勿論、異なった材料を一体化できることから、
種々の分野で応用されている。
【０００５】例えば、特開昭６１−１８２２８０号公報
においては、炭化珪素（ＳｉＣ）や硫化セレン化亜鉛
（ＺｎＳＳｅ）等のｐ型半導体とＧａＮやＺｎＳＳｅ等
のｎ型半導体の各表面を平坦に形成し、所定の処理の
後、各平坦面を直接密着させて熱処理により接合するこ
とにより、異なった導電型、異なった材料の半導体から
なるｐｎ接合を含む青色発光素子を製造する方法が提案
されている。
においては、炭化珪素（ＳｉＣ）や硫化セレン化亜鉛
（ＺｎＳＳｅ）等のｐ型半導体とＧａＮやＺｎＳＳｅ等
のｎ型半導体の各表面を平坦に形成し、所定の処理の
後、各平坦面を直接密着させて熱処理により接合するこ
とにより、異なった導電型、異なった材料の半導体から
なるｐｎ接合を含む青色発光素子を製造する方法が提案
されている。
【０００６】また、例えば、特開平１０−２２９２１８
号公報においては、第一の基板の上に窒化物半導体が形
成されたウェハと、第二の基板上に形成された窒化物半
導体が形成されたウェハとを、それぞれの窒化物半導体
の平坦な面同士が密着するようにして直接接着法により
接着した後、第一および第二の基板を除去する窒化物半
導体基板の製造方法が提案されている。この方法によれ
ば、従来、実現が困難であった結晶性の良い窒化物半導
体基板を非常に簡単な操作で得ることができるとされて
いる。
号公報においては、第一の基板の上に窒化物半導体が形
成されたウェハと、第二の基板上に形成された窒化物半
導体が形成されたウェハとを、それぞれの窒化物半導体
の平坦な面同士が密着するようにして直接接着法により
接着した後、第一および第二の基板を除去する窒化物半
導体基板の製造方法が提案されている。この方法によれ
ば、従来、実現が困難であった結晶性の良い窒化物半導
体基板を非常に簡単な操作で得ることができるとされて
いる。
【０００７】ところで、窒化物半導体を利用した短波長
半導体レーザ、中でも端面発光型の半導体レーザを作製
するには、共振器の反射面となる端面を作製する必要が
ある。窒化物半導体を用いる場合、劈開、反応性イオン
エッチング（ＲＩＥ）法、化学的ウエットエッチング法
等の方法が用いられている。しかしながら、現在のとこ
ろ、窒化物半導体の特性上、平坦で垂直な端面が得られ
ないという問題がある。
半導体レーザ、中でも端面発光型の半導体レーザを作製
するには、共振器の反射面となる端面を作製する必要が
ある。窒化物半導体を用いる場合、劈開、反応性イオン
エッチング（ＲＩＥ）法、化学的ウエットエッチング法
等の方法が用いられている。しかしながら、現在のとこ
ろ、窒化物半導体の特性上、平坦で垂直な端面が得られ
ないという問題がある。
【０００８】すなわち、窒化物半導体を利用した半導体
レーザとしては、従来、サファイアや炭化珪素（Ｓｉ
Ｃ）等からなる基板の上に、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、Ｉｎ
ＧａＮ等の窒化物半導体を多層に成長させ、ＩｎＧａＮ
等からなる活性層をＧａＮやＡｌＧａＮ等のｎ型クラッ
ド層及びｐ型クラッド層で挟んだダブルヘテロ構造を利
用するものが主流であり、このダブルヘテロ構造に対し
共振器を形成することによって、端面発光型の半導体レ
ーザが得られるのであるが、劈開によって端面を形成し
ようとすれば、窒化物半導体の結晶構造が他のＩＩＩ−
Ｖ族化合物半導体と大きく異なるため、容易に劈開され
ない、また、劈開が容易な方位が基板と異なるため、所
望の方位の劈開面が得られにくい等の問題がある。
レーザとしては、従来、サファイアや炭化珪素（Ｓｉ
Ｃ）等からなる基板の上に、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、Ｉｎ
ＧａＮ等の窒化物半導体を多層に成長させ、ＩｎＧａＮ
等からなる活性層をＧａＮやＡｌＧａＮ等のｎ型クラッ
ド層及びｐ型クラッド層で挟んだダブルヘテロ構造を利
用するものが主流であり、このダブルヘテロ構造に対し
共振器を形成することによって、端面発光型の半導体レ
ーザが得られるのであるが、劈開によって端面を形成し
ようとすれば、窒化物半導体の結晶構造が他のＩＩＩ−
Ｖ族化合物半導体と大きく異なるため、容易に劈開され
ない、また、劈開が容易な方位が基板と異なるため、所
望の方位の劈開面が得られにくい等の問題がある。
【０００９】また、ＲＩＥ法により端面を形成しようと
すれば、共振器端面にエッチング時の損傷が与えられた
り、平坦性が悪い等の問題がある。さらに、窒化物半導
体の結晶が化学的に非常に安定であることから、化学的
ウェットエッチング法を用いることは実際には極めて困
難である。
すれば、共振器端面にエッチング時の損傷が与えられた
り、平坦性が悪い等の問題がある。さらに、窒化物半導
体の結晶が化学的に非常に安定であることから、化学的
ウェットエッチング法を用いることは実際には極めて困
難である。
【００１０】このため、垂直で平坦な端面を有する窒化
物半導体レーザを得るために、サファイア等の基板の上
に窒化物半導体からなる積層構造を成長させ、この窒化
物半導体に良好な劈開性を有するＧａＡｓやＧａＰ等の
III-V族半導体の基板を直接接着法により接着させ、窒
化物半導体を劈開する方法が提案されている（例えば、
特開平９−３０７１８８号公報参照）。この方法によれ
ば、III-V族半導体基板の劈開容易性を利用して窒化物
半導体を容易に劈開することができ、平坦で垂直な端面
が得られるとされている。
物半導体レーザを得るために、サファイア等の基板の上
に窒化物半導体からなる積層構造を成長させ、この窒化
物半導体に良好な劈開性を有するＧａＡｓやＧａＰ等の
III-V族半導体の基板を直接接着法により接着させ、窒
化物半導体を劈開する方法が提案されている（例えば、
特開平９−３０７１８８号公報参照）。この方法によれ
ば、III-V族半導体基板の劈開容易性を利用して窒化物
半導体を容易に劈開することができ、平坦で垂直な端面
が得られるとされている。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】以上のように、直接接
着法を用いることにより窒化物半導体を利用したものに
おいても、端面発光型の半導体レーザが実現されるよう
になってきたが、単一モードで安定に動作する半導体レ
ーザは未だ実現されていないのが現状である。
着法を用いることにより窒化物半導体を利用したものに
おいても、端面発光型の半導体レーザが実現されるよう
になってきたが、単一モードで安定に動作する半導体レ
ーザは未だ実現されていないのが現状である。
【００１２】一方、窒化物半導体を用いた単一モード動
作可能な半導体レーザとして、例えば、Ａｐｐｌ．Ｐｈ
ｙｓ．Ｌｅｔｔ．７３（１５），１９９８，ｐｐ．２１
５８−２１６０に記載されているように、ＩｎＧａＮか
らなる活性層の上に成長されたＧａＮからなる光ガイド
層に周期的な凹凸を形成させ、この光ガイド層の上にさ
らにＡｌＧａＮからなるクラッド層及びＧａＮからなる
コンタクト層を成長させることによって得られた、分布
帰還型半導体レーザ（ＤＦＢレーザ）が示されている。
分布帰還型構造を用いると、端面発光型のように高い光
学品質が必要となる共振器端面の形成が不要となり、上
述の端面形成に係る問題が解決されることが期待されて
いる。
作可能な半導体レーザとして、例えば、Ａｐｐｌ．Ｐｈ
ｙｓ．Ｌｅｔｔ．７３（１５），１９９８，ｐｐ．２１
５８−２１６０に記載されているように、ＩｎＧａＮか
らなる活性層の上に成長されたＧａＮからなる光ガイド
層に周期的な凹凸を形成させ、この光ガイド層の上にさ
らにＡｌＧａＮからなるクラッド層及びＧａＮからなる
コンタクト層を成長させることによって得られた、分布
帰還型半導体レーザ（ＤＦＢレーザ）が示されている。
分布帰還型構造を用いると、端面発光型のように高い光
学品質が必要となる共振器端面の形成が不要となり、上
述の端面形成に係る問題が解決されることが期待されて
いる。
【００１３】しかしながら、このようなＤＦＢレーザに
おいても安定な単一モード動作は未だ得られておらず、
実用化にあたってはさらなる改善が求められている。
おいても安定な単一モード動作は未だ得られておらず、
実用化にあたってはさらなる改善が求められている。
【００１４】本発明において解決すべき課題は、安定な
単一モード動作可能な窒化物半導体からなる発光素子及
びその製造方法を提供することである。
単一モード動作可能な窒化物半導体からなる発光素子及
びその製造方法を提供することである。
【００１５】
【課題を解決するための手段】本発明者らは、ＤＦＢレ
ーザの構造および作製方法について鋭意検討した結果、
発光層の上に形成した窒化物半導体層に周期的な凹凸か
らなる溝を形成した後、この窒化物半導体層と他の基板
上に備えた窒化物半導体又炭化珪素半導体とを直接接合
させ、これらの半導体の界面領域に回折格子を形成する
ことにより、安定な単一モード動作が可能なＤＦＢレー
ザを得ることができることが判った。
ーザの構造および作製方法について鋭意検討した結果、
発光層の上に形成した窒化物半導体層に周期的な凹凸か
らなる溝を形成した後、この窒化物半導体層と他の基板
上に備えた窒化物半導体又炭化珪素半導体とを直接接合
させ、これらの半導体の界面領域に回折格子を形成する
ことにより、安定な単一モード動作が可能なＤＦＢレー
ザを得ることができることが判った。
【００１６】また、発光層の上に形成した窒化物半導体
層と、周期的な凹凸から成る溝を形成した窒化物半導体
層若しくは炭化珪素半導体とを直接接合させることによ
っても、同様のＤＦＢレーザが得られることが判った。
さらにまた、発光層の上に形成した窒化物半導体層と、
窒化物半導体層若しくは炭化珪素半導体層の両方に周期
的な凹凸からなる溝を形成したのち、両者を直接接合さ
せることによっても同様のＤＦＢレーザが得られること
が判った。
層と、周期的な凹凸から成る溝を形成した窒化物半導体
層若しくは炭化珪素半導体とを直接接合させることによ
っても、同様のＤＦＢレーザが得られることが判った。
さらにまた、発光層の上に形成した窒化物半導体層と、
窒化物半導体層若しくは炭化珪素半導体層の両方に周期
的な凹凸からなる溝を形成したのち、両者を直接接合さ
せることによっても同様のＤＦＢレーザが得られること
が判った。
【００１７】すなわち、本発明の窒化物半導体発光素子
は、少なくともインジウムを含む窒化物半導体からなる
発光層と、前記インジウムを含む窒化物半導体よりもバ
ンドギャップが大きい第一の窒化物半導体層とを少なく
ともこの順に備え、さらに前記第一の窒化物半導体層の
上に第二の窒化物半導体層を備えた窒化物半導体発光素
子であって、前記第一の窒化物半導体層と前記第二の窒
化物半導体層とが接合されてなる界面領域に、周期的な
筒状の空洞からなる空隙が複数設けられていることを特
徴とする。
は、少なくともインジウムを含む窒化物半導体からなる
発光層と、前記インジウムを含む窒化物半導体よりもバ
ンドギャップが大きい第一の窒化物半導体層とを少なく
ともこの順に備え、さらに前記第一の窒化物半導体層の
上に第二の窒化物半導体層を備えた窒化物半導体発光素
子であって、前記第一の窒化物半導体層と前記第二の窒
化物半導体層とが接合されてなる界面領域に、周期的な
筒状の空洞からなる空隙が複数設けられていることを特
徴とする。
【００１８】このような構成によれば、発光層の上に設
けた周期的な空隙が回折格子として機能し、従来の技術
による再成長を用いて形成した回折格子が半導体同士間
の小さい屈折率差に基づく小さい周期的屈折率変化しか
有さないのに比べて、本発明の窒化物半導体発光素子に
おける回折格子は窒化物半導体と空隙との間の大きい屈
折率差に基づく大きな周期的屈折率変化を有するので、
強い光内部帰還を容易に得ることができ、単一モード安
定性を改善することができる。
けた周期的な空隙が回折格子として機能し、従来の技術
による再成長を用いて形成した回折格子が半導体同士間
の小さい屈折率差に基づく小さい周期的屈折率変化しか
有さないのに比べて、本発明の窒化物半導体発光素子に
おける回折格子は窒化物半導体と空隙との間の大きい屈
折率差に基づく大きな周期的屈折率変化を有するので、
強い光内部帰還を容易に得ることができ、単一モード安
定性を改善することができる。
【００１９】さらに本発明の窒化物半導体発光素子の製
造方法は、第一の基板の上に少なくともインジウムを含
む窒化物半導体からなる発光層と前記インジウムを含む
窒化物半導体よりもバンドギャップが大きい第一の窒化
物半導体層とを成長させた第一のウェハを準備する工程
と、第二の基板の上に窒化物半導体を備えてなるか、あ
るいは炭化珪素半導体からなる第二のウェハを準備する
工程と、前記第一の窒化物半導体又は前記第二のウェハ
の表面、若しくはこれら表面の両方に、周期的な凹凸か
らなる溝を形成する工程と、前記第一の窒化物半導体の
表面と前記第二のウェハの表面とが密着するとともに前
記溝が空洞を形成するようにして前記第一のウェハと前
記第二のウェハとを接合させる工程と、を含むことを特
徴とするものである。
造方法は、第一の基板の上に少なくともインジウムを含
む窒化物半導体からなる発光層と前記インジウムを含む
窒化物半導体よりもバンドギャップが大きい第一の窒化
物半導体層とを成長させた第一のウェハを準備する工程
と、第二の基板の上に窒化物半導体を備えてなるか、あ
るいは炭化珪素半導体からなる第二のウェハを準備する
工程と、前記第一の窒化物半導体又は前記第二のウェハ
の表面、若しくはこれら表面の両方に、周期的な凹凸か
らなる溝を形成する工程と、前記第一の窒化物半導体の
表面と前記第二のウェハの表面とが密着するとともに前
記溝が空洞を形成するようにして前記第一のウェハと前
記第二のウェハとを接合させる工程と、を含むことを特
徴とするものである。
【００２０】このような構成によれば、窒化物半導体を
利用した、単一モード安定性の高いＤＦＢレーザを作製
することができる。
利用した、単一モード安定性の高いＤＦＢレーザを作製
することができる。
【００２１】
【発明の実施の形態】請求項１に記載の発明は、少なく
ともインジウムを含む窒化物半導体からなる発光層と、
前記インジウムを含む窒化物半導体よりもバンドギャッ
プが大きい第一の窒化物半導体層とを少なくともこの順
に備え、さらに前記第一の窒化物半導体層の上に第二の
窒化物半導体層を備えた窒化物半導体発光素子であっ
て、前記第一の窒化物半導体層と前記第二の窒化物半導
体層とが接合されてなる界面領域に、周期的な筒状の空
洞からなる空隙が複数設けられていることを特徴とする
ものであり、発光層上に形成された光ガイド層として機
能する窒化物半導体層と空隙との大きな屈折率差によ
り、大きな周期的屈折率変化を有する回折格子を得るこ
とができるという作用を有する。
ともインジウムを含む窒化物半導体からなる発光層と、
前記インジウムを含む窒化物半導体よりもバンドギャッ
プが大きい第一の窒化物半導体層とを少なくともこの順
に備え、さらに前記第一の窒化物半導体層の上に第二の
窒化物半導体層を備えた窒化物半導体発光素子であっ
て、前記第一の窒化物半導体層と前記第二の窒化物半導
体層とが接合されてなる界面領域に、周期的な筒状の空
洞からなる空隙が複数設けられていることを特徴とする
ものであり、発光層上に形成された光ガイド層として機
能する窒化物半導体層と空隙との大きな屈折率差によ
り、大きな周期的屈折率変化を有する回折格子を得るこ
とができるという作用を有する。
【００２２】請求項２に記載の発明は、請求項１記載の
発明において、前記空隙には窒素を主成分として含む気
体が充填されていることを特徴とするものであり、空隙
に窒素を主成分として含む気体を充填することにより、
発光素子の作製時あるいは動作時の当該界面の結晶性の
劣化を防止することができるという作用を有する。
発明において、前記空隙には窒素を主成分として含む気
体が充填されていることを特徴とするものであり、空隙
に窒素を主成分として含む気体を充填することにより、
発光素子の作製時あるいは動作時の当該界面の結晶性の
劣化を防止することができるという作用を有する。
【００２３】請求項３に記載の発明は、第一の基板の上
に少なくともインジウムを含む窒化物半導体からなる発
光層と前記インジウムを含む窒化物半導体よりもバンド
ギャップが大きい第一の窒化物半導体層とを成長させた
第一のウェハを準備する工程と、第二の基板の上に窒化
物半導体を備えてなるか、あるいは炭化珪素半導体から
なる第二のウェハを準備する工程と、前記第一の窒化物
半導体又は前記第二のウェハの表面、若しくはこれら表
面の両方に、周期的な凹凸からなる溝を形成する工程
と、前記第一の窒化物半導体の表面と前記第二のウェハ
の表面とが密着するとともに前記溝が空洞を形成するよ
うにして前記第一のウェハと前記第二のウェハとを接合
させる工程と、を含むことを特徴とするものであり、周
期的凹凸からなる溝によって形成される空隙を回折格子
として利用することができるという作用を有する。
に少なくともインジウムを含む窒化物半導体からなる発
光層と前記インジウムを含む窒化物半導体よりもバンド
ギャップが大きい第一の窒化物半導体層とを成長させた
第一のウェハを準備する工程と、第二の基板の上に窒化
物半導体を備えてなるか、あるいは炭化珪素半導体から
なる第二のウェハを準備する工程と、前記第一の窒化物
半導体又は前記第二のウェハの表面、若しくはこれら表
面の両方に、周期的な凹凸からなる溝を形成する工程
と、前記第一の窒化物半導体の表面と前記第二のウェハ
の表面とが密着するとともに前記溝が空洞を形成するよ
うにして前記第一のウェハと前記第二のウェハとを接合
させる工程と、を含むことを特徴とするものであり、周
期的凹凸からなる溝によって形成される空隙を回折格子
として利用することができるという作用を有する。
【００２４】請求項４に記載の発明は、請求項３に記載
の発明において、前記接合させる工程が、窒素雰囲気中
で前記第一のウェハと前記第二のウェハとを加圧接触さ
せながら加熱することにより行われることを特徴とする
ものであり、空隙に窒素を主成分とする気体を充填する
ことができるとともに、界面の結晶性の低下を防止する
ことができるという作用を有する。
の発明において、前記接合させる工程が、窒素雰囲気中
で前記第一のウェハと前記第二のウェハとを加圧接触さ
せながら加熱することにより行われることを特徴とする
ものであり、空隙に窒素を主成分とする気体を充填する
ことができるとともに、界面の結晶性の低下を防止する
ことができるという作用を有する。
【００２５】請求項５に記載の発明は、請求項４に記載
の発明において、前記接合させる工程における加圧の強
度は、１Ｋｇ重／ｃｍ2から１００Ｋｇ重／ｃｍ2の範囲
であることを特徴とするものであり、接合面全面に亙
り、均一に接合が得られるという作用を有する。
の発明において、前記接合させる工程における加圧の強
度は、１Ｋｇ重／ｃｍ2から１００Ｋｇ重／ｃｍ2の範囲
であることを特徴とするものであり、接合面全面に亙
り、均一に接合が得られるという作用を有する。
【００２６】請求項６に記載の発明は、請求項４または
５に記載の発明において、前記接合させる工程における
加熱の温度は、５００℃から９５０℃の範囲であること
を特徴とするものであり、ガリウム原子のマストランス
ポートを生じさせるとともに、空隙へのガリウム金属の
析出を防止することができるという作用を有する。
５に記載の発明において、前記接合させる工程における
加熱の温度は、５００℃から９５０℃の範囲であること
を特徴とするものであり、ガリウム原子のマストランス
ポートを生じさせるとともに、空隙へのガリウム金属の
析出を防止することができるという作用を有する。
【００２７】以下に、本発明の実施の形態の具体例を、
図面を参照しながら説明する。
図面を参照しながら説明する。
【００２８】（実施の形態１）図１に、本発明の一実施
の形態に係る窒化物半導体発光素子の構造を示す断面
図、図２に本発明の一実施の形態に係る窒化物半導体発
光素子の製造方法の説明図、図３に本発明の一実施の形
態に係る窒化物半導体発光素子の構造図を示す。
の形態に係る窒化物半導体発光素子の構造を示す断面
図、図２に本発明の一実施の形態に係る窒化物半導体発
光素子の製造方法の説明図、図３に本発明の一実施の形
態に係る窒化物半導体発光素子の構造図を示す。
【００２９】図１において、サファイア基板からなる第
一の基板１１の上に、ＧａＮからなるバッファ層１２
と、ＳｉドープＧａＮからなるｎ型コンタクト層１３
と、ＳｉドープＡｌ0.1Ｇａ0.9Ｎからなるｎ型クラッド
層１４と、ＳｉドープＧａＮからなるｎ型光ガイド層１
５と、アンドープＩｎ0.1Ｇａ0.9Ｎ量子井戸層３１とＳ
ｉドープＧａＮからなる障壁層３２とを交互に複数回積
層させた多重量子井戸構造からなる活性層１６と、Ｍｇ
ドープＧａＮからなる第一ｐ型光ガイド層１７と、が順
に積層されており、さらに第一ｐ型光ガイド層１７の上
には、ＭｇドープＧａＮからなる第二ｐ型光ガイド層２
２とｐ型クラッド層として機能するＳｉＣからなる第二
の基板２１とが積層されている。
一の基板１１の上に、ＧａＮからなるバッファ層１２
と、ＳｉドープＧａＮからなるｎ型コンタクト層１３
と、ＳｉドープＡｌ0.1Ｇａ0.9Ｎからなるｎ型クラッド
層１４と、ＳｉドープＧａＮからなるｎ型光ガイド層１
５と、アンドープＩｎ0.1Ｇａ0.9Ｎ量子井戸層３１とＳ
ｉドープＧａＮからなる障壁層３２とを交互に複数回積
層させた多重量子井戸構造からなる活性層１６と、Ｍｇ
ドープＧａＮからなる第一ｐ型光ガイド層１７と、が順
に積層されており、さらに第一ｐ型光ガイド層１７の上
には、ＭｇドープＧａＮからなる第二ｐ型光ガイド層２
２とｐ型クラッド層として機能するＳｉＣからなる第二
の基板２１とが積層されている。
【００３０】本発明の窒化物半導体発光素子には、発光
層となる活性層１６の上に形成された第一ｐ型光ガイド
層１７に周期的な凹凸により形成された溝が設けられ、
この第一ｐ型光ガイド層１７に第二ｐ型光ガイド層２２
を接合させることにより、これらの層の界面領域に周期
的な空隙５１が複数設けられている。このように、第一
ｐ型光ガイド層１７と第二ｐ型光ガイド層２２とで構成
されるｐ型光ガイド層２０１の中に周期的に配設された
複数の空隙５１からなる回折格子を形成することができ
る。
層となる活性層１６の上に形成された第一ｐ型光ガイド
層１７に周期的な凹凸により形成された溝が設けられ、
この第一ｐ型光ガイド層１７に第二ｐ型光ガイド層２２
を接合させることにより、これらの層の界面領域に周期
的な空隙５１が複数設けられている。このように、第一
ｐ型光ガイド層１７と第二ｐ型光ガイド層２２とで構成
されるｐ型光ガイド層２０１の中に周期的に配設された
複数の空隙５１からなる回折格子を形成することができ
る。
【００３１】空隙５１には、窒素を主成分とする気体が
充填されている。この気体は、前述した接合の形成時の
雰囲気ガスが充填されたものとすることができ、接合形
成時あるいはレーザ動作時の熱による界面領域の結晶性
の低下を防止することができる。さらに、空隙５１と第
一および第二ｐ型光ガイド層１７および２２を構成する
窒化物半導体との大きな屈折率差を利用することで、従
来の技術による再成長を用いて形成した回折格子より大
きな周期的屈折率変化を得ることがきるので、従来の技
術によるＤＦＢレーザに比してレーザ動作時の単一モー
ドの安定性を高めることができる。尚、空隙５１に窒素
を主成分とする気体を充填する別の方法としては、接合
形成後に窒化物半導体発光素子をパッケージに実装する
際に、パッケージ内の雰囲気を窒素を主成分とする気体
とする方法もある。
充填されている。この気体は、前述した接合の形成時の
雰囲気ガスが充填されたものとすることができ、接合形
成時あるいはレーザ動作時の熱による界面領域の結晶性
の低下を防止することができる。さらに、空隙５１と第
一および第二ｐ型光ガイド層１７および２２を構成する
窒化物半導体との大きな屈折率差を利用することで、従
来の技術による再成長を用いて形成した回折格子より大
きな周期的屈折率変化を得ることがきるので、従来の技
術によるＤＦＢレーザに比してレーザ動作時の単一モー
ドの安定性を高めることができる。尚、空隙５１に窒素
を主成分とする気体を充填する別の方法としては、接合
形成後に窒化物半導体発光素子をパッケージに実装する
際に、パッケージ内の雰囲気を窒素を主成分とする気体
とする方法もある。
【００３２】本発明の窒化物半導体発光素子の作製は以
下のようにして行われる。すなわち、図２（ａ）に示す
ように、まず、有機金属気相成長法や分子線エピタキシ
ー法等の結晶成長法を用いて、第一の基板１１の上に、
バッファ層１２と、ｎ型コンタクト層１３と、ｎ型クラ
ッド層１４と、ｎ型光ガイド層１５と、活性層１６と、
第一ｐ型光ガイド層１７とを順次積層させ、第一のウェ
ハ１０１を得る。一方、同様に結晶成長法によりＳｉＣ
からなる第二の基板２１の上に第二ｐ型光ガイド層２２
を成長させ、第二のウェハ１０２を準備する。
下のようにして行われる。すなわち、図２（ａ）に示す
ように、まず、有機金属気相成長法や分子線エピタキシ
ー法等の結晶成長法を用いて、第一の基板１１の上に、
バッファ層１２と、ｎ型コンタクト層１３と、ｎ型クラ
ッド層１４と、ｎ型光ガイド層１５と、活性層１６と、
第一ｐ型光ガイド層１７とを順次積層させ、第一のウェ
ハ１０１を得る。一方、同様に結晶成長法によりＳｉＣ
からなる第二の基板２１の上に第二ｐ型光ガイド層２２
を成長させ、第二のウェハ１０２を準備する。
【００３３】次に、図２（ｂ）に示すように、第一のウ
ェハ１０１の第一ｐ型光ガイド層１７の表面に、レーザ
干渉露光法あるいは電子ビーム露光法と化学イオンビー
ムエッチング法を用い、フォトリソグラフィー法により
周期的な凹凸を有する溝５２を形成する。
ェハ１０１の第一ｐ型光ガイド層１７の表面に、レーザ
干渉露光法あるいは電子ビーム露光法と化学イオンビー
ムエッチング法を用い、フォトリソグラフィー法により
周期的な凹凸を有する溝５２を形成する。
【００３４】溝５２を形成後、第一のウェハ１０１と第
二のウェハ１０２を有機溶剤で洗浄し、第一のウェハ１
０１の第一ｐ型光ガイド層１７を形成した表面と第二の
ウェハ１０２の第二ｐ型光ガイド層２２を形成した表面
をＨＦ希釈液で洗浄する。これらを各々洗浄後に超純水
洗浄してスピンナ乾燥し、第一のウェハ１０１と第二の
ウェハ１０２の洗浄した表面同士を向かい合わせで重ね
る。これらのウェハをアニール炉に載置し、これらのウ
ェハが接触するように１Ｋｇ重／ｃｍ2から１００Ｋｇ
重／ｃｍ2の範囲の荷重を掛けながら窒素ガスを流しな
がら５００℃から９５０℃の範囲の温度に昇温し、一定
温度で３０分間加熱させる。この加熱工程により第一の
ウェハ１０１の第一ｐ型光ガイド層１７の表面に形成さ
れた凹凸のうち凸部と第二のウェハ１０２の第二ｐ型光
ガイド層２２の表面との間でガリウム原子のマストラン
スポートが起こり、これらが接着される。
二のウェハ１０２を有機溶剤で洗浄し、第一のウェハ１
０１の第一ｐ型光ガイド層１７を形成した表面と第二の
ウェハ１０２の第二ｐ型光ガイド層２２を形成した表面
をＨＦ希釈液で洗浄する。これらを各々洗浄後に超純水
洗浄してスピンナ乾燥し、第一のウェハ１０１と第二の
ウェハ１０２の洗浄した表面同士を向かい合わせで重ね
る。これらのウェハをアニール炉に載置し、これらのウ
ェハが接触するように１Ｋｇ重／ｃｍ2から１００Ｋｇ
重／ｃｍ2の範囲の荷重を掛けながら窒素ガスを流しな
がら５００℃から９５０℃の範囲の温度に昇温し、一定
温度で３０分間加熱させる。この加熱工程により第一の
ウェハ１０１の第一ｐ型光ガイド層１７の表面に形成さ
れた凹凸のうち凸部と第二のウェハ１０２の第二ｐ型光
ガイド層２２の表面との間でガリウム原子のマストラン
スポートが起こり、これらが接着される。
【００３５】このようにして、図２（ｃ）に示すよう
に、第一光ガイド層１７の表面に形成された凹部、すな
わち溝５２と第二ｐ型光ガイド層２２とで、雰囲気ガス
として用いた窒素が充填された空隙５１が形成され、第
一ｐ型光ガイド層１７と第二ｐ型光ガイド層２２とで構
成されるｐ型光ガイド層２０１の中に回折格子が形成さ
れる。
に、第一光ガイド層１７の表面に形成された凹部、すな
わち溝５２と第二ｐ型光ガイド層２２とで、雰囲気ガス
として用いた窒素が充填された空隙５１が形成され、第
一ｐ型光ガイド層１７と第二ｐ型光ガイド層２２とで構
成されるｐ型光ガイド層２０１の中に回折格子が形成さ
れる。
【００３６】この後、図３に示すように、第二の基板２
１からｎ型クラッド層１４までの積層構造の一部をＲＩ
Ｅ法により除去して、ｎ型コンタクト層１３を露出さ
せ、露出させたｎ型コンタクト層１３の表面にｎ側電極
１８を、また、第二の基板２１の表面にｐ側電極２３
を、蒸着法およびフォトリソグラフィー法により形成し
て、スクライブ等によりチップ化して発光素子を得る。
１からｎ型クラッド層１４までの積層構造の一部をＲＩ
Ｅ法により除去して、ｎ型コンタクト層１３を露出さ
せ、露出させたｎ型コンタクト層１３の表面にｎ側電極
１８を、また、第二の基板２１の表面にｐ側電極２３
を、蒸着法およびフォトリソグラフィー法により形成し
て、スクライブ等によりチップ化して発光素子を得る。
【００３７】さらに別の素子形状として、図４に示すよ
うに、サファイアからなる基板１１を機械研磨により除
去し、ｎ型コンタクト層１３を露出させ、露出させたｎ
型コンタクト層１３の表面にｎ側電極１８を、また、第
二の基板２１の表面にｐ側電極２３を、蒸着法およびフ
ォトリソグラフィー法により形成して、スクライブ等に
よりチップ化して発光素子を得ることもできる。
うに、サファイアからなる基板１１を機械研磨により除
去し、ｎ型コンタクト層１３を露出させ、露出させたｎ
型コンタクト層１３の表面にｎ側電極１８を、また、第
二の基板２１の表面にｐ側電極２３を、蒸着法およびフ
ォトリソグラフィー法により形成して、スクライブ等に
よりチップ化して発光素子を得ることもできる。
【００３８】（実施の形態２）図４に本発明の他の実施
の形態に係る窒化物半導体発光素子の構造図を示す。図
５に、本発明の他の実施の形態に係る窒化物半導体発光
素子の構造を示す断面図を示す。又、図６に本発明の他
の実施の形態に係る窒化物半導体発光素子の構造を示す
断面図を示す。
の形態に係る窒化物半導体発光素子の構造図を示す。図
５に、本発明の他の実施の形態に係る窒化物半導体発光
素子の構造を示す断面図を示す。又、図６に本発明の他
の実施の形態に係る窒化物半導体発光素子の構造を示す
断面図を示す。
【００３９】図５において、サファイア基板からなる第
一の基板１１の上に、ＧａＮからなるバッファ層１２
と、ＳｉドープＧａＮからなるｎ型コンタクト層１３
と、ＳｉドープＡｌ0.1Ｇａ0.9Ｎからなるｎ型クラッド
層１４と、ＳｉドープＧａＮからなるｎ型光ガイド層１
５と、図１と同様にアンドープＩｎ0.1Ｇａ0.9Ｎ量子井
戸層とＳｉドープＧａＮからなる障壁層とを交互に複数
回積層させた多重量子井戸構造からなる活性層１６と、
ＭｇドープＧａＮからなる第一ｐ型光ガイド層１７と、
が順に積層されており、さらに第一ｐ型光ガイド層１７
の上には、ＭｇドープＧａＮからなる第二ｐ型光ガイド
層２２とｐ型クラッド層として機能するＳｉＣからなる
第二の基板２１とが積層されている。
一の基板１１の上に、ＧａＮからなるバッファ層１２
と、ＳｉドープＧａＮからなるｎ型コンタクト層１３
と、ＳｉドープＡｌ0.1Ｇａ0.9Ｎからなるｎ型クラッド
層１４と、ＳｉドープＧａＮからなるｎ型光ガイド層１
５と、図１と同様にアンドープＩｎ0.1Ｇａ0.9Ｎ量子井
戸層とＳｉドープＧａＮからなる障壁層とを交互に複数
回積層させた多重量子井戸構造からなる活性層１６と、
ＭｇドープＧａＮからなる第一ｐ型光ガイド層１７と、
が順に積層されており、さらに第一ｐ型光ガイド層１７
の上には、ＭｇドープＧａＮからなる第二ｐ型光ガイド
層２２とｐ型クラッド層として機能するＳｉＣからなる
第二の基板２１とが積層されている。
【００４０】本実施の形態の窒化物半導体発光素子に
は、実施の形態１の窒化物半導体素子とは異なり、第二
ｐ型光ガイド層２２の表面に周期的な凹凸により形成さ
れた溝が設けられ、この第二ｐ型光ガイド層２２に第一
のウェハの第一ｐ型光ガイド層１７を接合させることに
より、これらの層の界面領域に周期的な空隙５１が複数
設けられている。このように、第一ｐ型光ガイド層１７
と第二ｐ型光ガイド層２２とで構成されるｐ型光ガイド
層２０１の中に周期的に配設された複数の空隙５１から
なる回折格子を形成することができる。
は、実施の形態１の窒化物半導体素子とは異なり、第二
ｐ型光ガイド層２２の表面に周期的な凹凸により形成さ
れた溝が設けられ、この第二ｐ型光ガイド層２２に第一
のウェハの第一ｐ型光ガイド層１７を接合させることに
より、これらの層の界面領域に周期的な空隙５１が複数
設けられている。このように、第一ｐ型光ガイド層１７
と第二ｐ型光ガイド層２２とで構成されるｐ型光ガイド
層２０１の中に周期的に配設された複数の空隙５１から
なる回折格子を形成することができる。
【００４１】（実施の形態３）図６は本発明の他の実施
の形態に係る窒化物半導体発光素子の構造を示す断面図
を示す。
の形態に係る窒化物半導体発光素子の構造を示す断面図
を示す。
【００４２】図６において、サファイア基板からなる第
一の基板１１の上に、ＧａＮからなるバッファ層１２
と、ＳｉドープＧａＮからなるｎ型コンタクト層１３
と、ＳｉドープＡｌ0.1Ｇａ0.9Ｎからなるｎ型クラッド
層１４と、ＳｉドープＧａＮからなるｎ型光ガイド層１
５と、図１と同様にアンドープＩｎ0.1Ｇａ0.9Ｎ量子井
戸層とＳｉドープＧａＮからなる障壁層とを交互に複数
回積層させた多重量子井戸構造からなる活性層１６と、
ＭｇドープＧａＮからなる第一ｐ型光ガイド層１７と、
が順に積層されており、さらに第一ｐ型光ガイド層１７
の上には、ｐ型クラッド層として機能するＳｉＣからな
る第二の基板２１とが積層されている。
一の基板１１の上に、ＧａＮからなるバッファ層１２
と、ＳｉドープＧａＮからなるｎ型コンタクト層１３
と、ＳｉドープＡｌ0.1Ｇａ0.9Ｎからなるｎ型クラッド
層１４と、ＳｉドープＧａＮからなるｎ型光ガイド層１
５と、図１と同様にアンドープＩｎ0.1Ｇａ0.9Ｎ量子井
戸層とＳｉドープＧａＮからなる障壁層とを交互に複数
回積層させた多重量子井戸構造からなる活性層１６と、
ＭｇドープＧａＮからなる第一ｐ型光ガイド層１７と、
が順に積層されており、さらに第一ｐ型光ガイド層１７
の上には、ｐ型クラッド層として機能するＳｉＣからな
る第二の基板２１とが積層されている。
【００４３】本実施の形態の窒化物半導体発光素子に
は、実施の形態１の窒化物半導体発光素子と同様に、第
一ｐ型光ガイド層１７の表面に周期的な凹凸により形成
された溝が形成されているが、この第一ｐ型光ガイド層
１７に第二のウェハの第二の基板２１が直接接合されて
いる点が異なる。このように、第一ｐ型光ガイド層１７
と第二の基板２１とを直接接合する場合においても、第
一ｐ型光ガイド層１７の中に周期的に配設された複数の
空隙５１からなる回折格子を形成することができる。
は、実施の形態１の窒化物半導体発光素子と同様に、第
一ｐ型光ガイド層１７の表面に周期的な凹凸により形成
された溝が形成されているが、この第一ｐ型光ガイド層
１７に第二のウェハの第二の基板２１が直接接合されて
いる点が異なる。このように、第一ｐ型光ガイド層１７
と第二の基板２１とを直接接合する場合においても、第
一ｐ型光ガイド層１７の中に周期的に配設された複数の
空隙５１からなる回折格子を形成することができる。
【００４４】尚、本実施の形態において、第一ｐ型光ガ
イド層１７の代わりに第二の基板２１の表面に周期的な
凹凸を形成しても同様の機能を有する回折格子を形成す
ることができる。
イド層１７の代わりに第二の基板２１の表面に周期的な
凹凸を形成しても同様の機能を有する回折格子を形成す
ることができる。
【００４５】
【発明の効果】以上のように本発明によれば、窒化物半
導体発光素子の層構造の中に周期的な空隙で形成される
回折格子を配設させることができるので、窒化物半導体
と空隙に充填された気体との間の大きな屈折率差に基づ
く強い光内部帰還を得ることができる。これにより、青
色から紫外線の短波長領域において単一モード安定性の
高いＤＦＢレーザを作製することができる。
導体発光素子の層構造の中に周期的な空隙で形成される
回折格子を配設させることができるので、窒化物半導体
と空隙に充填された気体との間の大きな屈折率差に基づ
く強い光内部帰還を得ることができる。これにより、青
色から紫外線の短波長領域において単一モード安定性の
高いＤＦＢレーザを作製することができる。
【図１】本発明の一実施の形態に係る窒化物半導体発光
素子の構造を示す断面図
素子の構造を示す断面図
【図２】本発明の一実施の形態に係る窒化物半導体発光
素子の製造方法の説明図
素子の製造方法の説明図
【図３】本発明の一実施の形態に係る窒化物半導体発光
素子の構造図
素子の構造図
【図４】本発明の他の実施の形態に係る窒化物半導体発
光素子の構造図
光素子の構造図
【図５】本発明の他の実施の形態に係る窒化物半導体発
光素子の構造を示す断面図
光素子の構造を示す断面図
【図６】本発明の他の実施の形態に係る窒化物半導体発
光素子の構造を示す断面図
光素子の構造を示す断面図
１１ 第一の基板 １２ バッファ層 １３ ｎ型コンタクト層 １４ ｎ型クラッド層 １５ ｎ型光ガイド層 １６ 活性層 １７ 第一ｐ型光ガイド層 １８ ｎ側電極 ２１ 第二の基板 ２２ 第二ｐ型光ガイド層 ２３ ｐ側電極
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ▲徳▼田 崇 京都市左京区岩倉東五田町20−２センチュ リー21 202号 (72)発明者 亀井 英徳 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 (72)発明者 奥 保成 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 Ｆターム(参考） 5F041 AA11 CA04 CA05 CA33 CA34 CA40 CA46 CA73 5F073 AA45 AA64 AA74 CA07 CB04 CB05 DA35 EA07
Claims (6)
- 【請求項１】少なくともインジウムを含む窒化物半導体
からなる発光層と、前記インジウムを含む窒化物半導体
よりもバンドギャップが大きい第一の窒化物半導体層と
を少なくともこの順に備え、さらに前記第一の窒化物半
導体層の上に第二の窒化物半導体層を備えた窒化物半導
体発光素子であって、前記第一の窒化物半導体層と前記
第二の窒化物半導体層とが接合されてなる界面領域に、
周期的な筒状の空洞からなる空隙が複数設けられている
ことを特徴とする窒化物半導体発光素子。 - 【請求項２】前記空隙には窒素を主成分として含む気体
が充填されていることを特徴とする請求項１記載の窒化
物半導体発光素子。 - 【請求項３】第一の基板の上に少なくともインジウムを
含む窒化物半導体からなる発光層と前記インジウムを含
む窒化物半導体よりもバンドギャップが大きい第一の窒
化物半導体層とを成長させた第一のウェハを準備する工
程と、第二の基板の上に窒化物半導体を備えてなるか、
あるいは炭化珪素半導体からなる第二のウェハを準備す
る工程と、前記第一の窒化物半導体又は前記第二のウェ
ハの表面に、周期的な凹凸からなる溝を形成する工程
と、前記第一の窒化物半導体の表面と前記第二のウェハ
の表面とが密着するとともに前記溝が空洞を形成するよ
うにして前記第一のウェハと前記第二のウェハとを接合
させる工程と、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。 - 【請求項４】前記接合させる工程が、窒素雰囲気中で前
記第一のウェハと前記第二のウェハとを加圧接触させな
がら加熱することにより行われることを特徴とする請求
項３記載の窒化物半導体発光素子の製造方法。 - 【請求項５】前記接合させる工程における加圧の強度
は、１Ｋｇ重／ｃｍ2から１００Ｋｇ重／ｃｍ2の範囲で
あることを特徴とする請求項４記載の窒化物半導体発光
素子の製造方法。 - 【請求項６】前記接合させる工程における加熱の温度
は、５００℃から９５０℃の範囲であることを特徴とす
る請求項４または５記載の窒化物半導体発光素子の製造
方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP14788199A JP2000340882A (ja) | 1999-05-27 | 1999-05-27 | 窒化物半導体発光素子とその製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP14788199A JP2000340882A (ja) | 1999-05-27 | 1999-05-27 | 窒化物半導体発光素子とその製造方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2000340882A true JP2000340882A (ja) | 2000-12-08 |
Family
ID=15440333
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP14788199A Pending JP2000340882A (ja) | 1999-05-27 | 1999-05-27 | 窒化物半導体発光素子とその製造方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2000340882A (ja) |
Cited By (5)
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| JP2010177716A (ja) * | 2010-05-21 | 2010-08-12 | Sharp Corp | 窒化物半導体レーザ素子、この窒化物半導体レーザ素子の製造方法およびこの窒化物半導体レーザ素子を用いた光学装置 |
| KR101047677B1 (ko) * | 2004-02-19 | 2011-07-08 | 엘지이노텍 주식회사 | 발광 다이오드 및 그 제조방법 |
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1999
- 1999-05-27 JP JP14788199A patent/JP2000340882A/ja active Pending
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