JP3668031B2 - 窒化物系半導体発光素子の製造方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はＧａＮ等の窒化物系の半導体材料よりなる半導体レーザ、発光ダイオード等の窒化物系半導体発光素子の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、この種の窒化物系の半導体発光素子では、基板としてサファイア基板が用いられている。しかしながら、サファイア基板は、その形成される窒化物系の半導体層との格子不整合率が大きいため、サファイア基板上に５００〜６００℃の低温で第１のバッファ層を形成した後、９００〜１２００℃の高温で第２のバッファ層を成長させ、その上に発光層等の窒化物系半導体層を形成する必要があった。
【０００３】
このため、最近、ＧａＮ基板上に直接９００〜１２００℃の高温でバッファ層を形成し、その上にクラッド層、活性層等の発光層を形成する方法が、研究され提案されている。
【０００４】
しかしながら、単にＧａＮ基板上に高温でバッファ層を形成しただけでは、その上の形成される発光層の結晶性は満足できるものではなく、発光素子を長時間使用した場合、発光特性が劣化するという問題がある。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上記従来例の欠点に鑑み為されたものであり、ＧａＮ基板上に形成される窒化物系発光層の結晶性が良く、長時間使用した場合においても、発光特性が劣化するのを抑えた窒化物系半導体発光素子の製造方法を提供することを目的とするものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の窒化物系半導体発光素子の製造方法は、Ｃ面に対して０．０３°以上、１０°以下の角度で傾斜しているＧａＮ基板の上面に、窒化物半導体からなる厚みが０．５μｍ以上のバッファ層を９００℃以上、１２００℃以下の温度で成長させ、該バッファ層上に窒化物半導体からなる発光層を成長させ、該発光層上にｐ−コンタクト層を形成することにより、該ｐ−コンタクト層表面の格子欠陥密度を１．０×１０ ^６ ／ｃｍ ^２ 以下とすると共に、表面の格子欠陥密度が１．０×１０ ^６ ／ｃｍ ^２ 以下とされた前記ｐ−コンタクト層上にｐ−電極を形成することを特徴とする。
【０００８】
これにより製造された半導体発光素子では、基板の上面に形成される半導体発光素子の上面に形成されるｐ−コンタクト層表面の格子欠陥密度を１．０×１０ ^６ ／ｃｍ ^２ 以下とするので、寿命が長くなる。
【０００９】
特に、前記基板の上面の傾斜角度が、０．０３°以上、１０°以下であれば、上述の格子欠陥の減少が明らかに現われ、しかも傾斜させたために生じるステップ状の段差による悪影響が抑えれる。
【００１０】
更に、前記基板の上面の傾斜角度が、０．０５°以上であれば、上述の格子欠陥の減少が顕著に現れる。
【００１２】
前記バッファ層の厚みが、０．５μｍ以上であれば、上述の格子欠陥の減少が一層顕著に現れる。
【００１３】
特に、前記バッファ層の厚みが、１μｍ以上であれば、上述の格子欠陥の減少がより一層顕著に現れる。
【００１４】
この場合、前記基板の上面の傾斜角度が、０．５°以下であれば、上述の格子欠陥の減少は十分に得られる。
【００１５】
また、前記バッファ層のキャリア濃度が、１×１０²⁰／ｃｍ³以下であれば、上述の格子欠陥の減少が一層顕著に現れる。
【００１６】
特に、前記バッファ層のキャリア濃度が、１×１０¹⁸／ｃｍ³以下であれば、上述の格子欠陥の減少がより一層顕著に現れる。
【００１７】
この場合、前記基板の上面の傾斜角度が、１°以下であれば、上述の格子欠陥の減少は十分に得られる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態について詳細に説明する。
【００２２】
先ず、図１に示すように、ｎ−ＧａＮからなる基板１のＣ面から所定角度θ傾斜した面上に、ＭＯＣＶＤ法によりＳｉドープのｎ−ＧａＮからなるバッファ層２を形成した。尚、この時の成長温度は１０５０℃である。
その上にＳｉドープのｎ−Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎからなる厚さ０．８μｍのｎ−クラッド層３、多重量子井戸構造の活性層４、Ｍｇドープのｐ−Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎからなる厚さ０．８μｍのｐ−クラッド層５、Ｍｇドープのｐ−ＧａＮからなる厚さ０．１μｍのｐ−コンタクト層６をＭＯＣＶＤ法により順に形成し、更に、ＧａＮ基板１の下面にはｎ−電極７を形成し、ｐ−コンタクト層６上にｐ−電極８を形成することにより発光ダイオードを作成した。
【００２３】
バッファ層２は厚さ１μｍ、Ｓｉドープのキャリア濃度が５×１０¹⁸ｃｍ^-3である。
【００２４】
また、活性層４は、ＧａＮからなる厚さ０．１μｍの一対の光ガイド層の間に、Ｉｎ_0.02Ｇａ_0.98Ｎからなる厚さ６０Åの障壁層と、Ｉｎ_0.10Ｇａ_0.90Ｎからなる厚さ３０Åの井戸層とが交互に形成された多重量子井戸構造である。尚、障壁層の層数は４層、井戸層の層数は３層であり、両側の層は障壁層である。
【００２５】
尚、基板１の上面を所定角度だけ傾斜させる方法としては、例えば、予め基板上面をＣ面に形成した後、ラッピング装置等を用いてＣ面に対して斜め方向に研磨を施す方法が採用可能である。また、基板ウエハを切断形成する際に、基板上面をＣ面に対して傾斜させることも考えられる。
【００２６】
図２は、図１に示した構成の発光ダイオードにおいて、傾斜角度θを変化させた場合におけるｐ−コンタクト層６表面の格子欠陥密度と、寿命との関係を示す図である。
【００２７】
尚、バッファ層６表面の格子欠陥密度は、発光ダイオードをＮａＯＨまたはＫＯＨの溶液中に入れて４００℃で煮沸した後、電子走査線顕微鏡で１ｃｍ²当たりの欠陥の個数を数えることにより求めた。また、寿命は、その各試料を７０℃の環境下で３０ｍＡの電流を流して連続動作させた場合において、発光強度が初期値より１０％低下した時間である。
【００２８】
この図２より判るように、ＧａＮからなる基板の上面をＣ面から傾斜させ、その傾斜した上面上に形成された発光素子は、Ｃ面上に形成した発光素子（傾斜角度θ＝０°）に比べ、ｐ−コンタクト層６表面における格子欠陥密度は低下し、寿命が長くなる。尚、ｐ−コンタクト層６表面における格子欠陥密度の低下は、基板１上に形成されるバッファ層２、ｎ−クラッド層３、活性層４、ｐ−クラッド層５の結晶性が良化したためであることは明らかである。
【００２９】
特に、傾斜角度が０．０３°以上になると、ｐ−コンタクト層６表面の格子欠陥密度は急激に低下し、１．０×１０⁶／ｃｍ²以下となり、これに伴い寿命も大幅に長くなることが判る。
【００３０】
尚、基板１のＣ面から傾斜した面上に窒化物層を成長させる場合、成長層の表面にステップ状の段差が生じ、このステップ状の段差は傾斜角度θが大きくなる程、顕著に現れる。そして、例えば、半導体レーザを製造する場合、活性層に段差が生じ、共振器内の損失が大きくなる等の問題が生じる。このため、傾斜角度θは１０°以下にしておくことが好ましい。
【００３１】
図３は、バッファ層２の厚みを０．１μｍ、０．５μｍ、１μｍ、５μｍ、１０μｍと変えた場合における、傾斜角度θとｐ−コンタクト層６表面の格子欠陥密度を前述と同様に測定して、その結果を示した図である。
【００３２】
この図３から判るように、バッファ層２は、０．１μｍ〜１０μｍの何れの厚みにおいても、基板上面がＣ面から傾斜すると、表面の格子欠陥密度は低下する。特に、バッファ層２の厚みが０．５μｍ以上になると、格子欠陥密度の低下は大きく、その効果は傾斜角度θが０．０３°以上で急激に現れる。更に、傾斜角度θが０．０５°以上になると、バッファ層２の厚みに応じて格子欠陥密度が十分に低い値となる。
【００３３】
また、バッファ層２の厚みが１μｍ以上になると、上述した効果は一層顕著に現れる。また、バッファ層２の厚みが１μｍ以上の場合、特に、傾斜角度θが０．５°まで大きくなると、格子欠陥密度が１×１０⁵／ｃｍ²程度に十分に小さくなり、傾斜角度θがそれ以上に大きくなっても、格子欠陥密度の更なる低下は表われなかった。
【００３４】
図４は、バッファ層２のＳｉドープのキャリア濃度を１×１０²¹／ｃｍ³、１×１０²⁰／ｃｍ³、１×１０¹⁹／ｃｍ³、１×１０¹⁸／ｃｍ³、１×１０¹⁷／ｃｍ³と変えた場合における、傾斜角度θとｐ−コンタクト層６表面の格子欠陥密度を前述と同様に測定して、その結果を示した図である。
【００３５】
この図４から判るように、バッファ層２のキャリア濃度が１×１０¹⁷／ｃｍ³〜１×１０²¹／ｃｍ³の何れの場合においても、基板上面がＣ面から傾斜すると、ｐ−コンタクト層６表面の格子欠陥密度は低下する。特に、バッファ層２のキャリア濃度が１×１０²⁰／ｃｍ³以下になると、格子欠陥密度の低下は大きく、その効果は傾斜角度θが０．０３°以上で急激に現れる。更に、傾斜角度θが０．０５°以上になると、バッファ層２のキャリア濃度に応じて格子欠陥密度が十分に低い値となる。
【００３６】
また、バッファ層２のキャリア濃度が１×１０¹⁸／ｃｍ³以下になると、上述した効果は一層顕著に現れる。特に、バッファ層２のキャリア濃度が１×１０¹⁸／ｃｍ³以下の場合、傾斜角度θが１°まで大きくなると、格子欠陥密度が１×１０⁵／ｃｍ²程度に十分に小さくなり、傾斜角度θがそれ以上に大きくなっても、格子欠陥密度の更なる低下は表われなかった。
【００３７】
本発明は、例えば、図５に示すようなリッジ導波型の半導体レーザ素子に用いることが可能である。
【００３８】
図５において、１１はＧａＮよりなる基板であり、基板１１上にｎ−ＧａＮからなるバッファ層１２が形成され、その上にはｎ−ＩｎＧａＮからなるクラック防止層１３、ｎ−ＡｌＧａＮからなる厚さ第１クラッド層１４、アンドープのｉ−ＩｎＧａＮからなる多重量子井戸構造の活性層１５、ｐ−ＡｌＧａＮからなる第２クラッド層１６、ｐ−ＧａＮからなるｐ−コンタクト層１７をＭＯＣＶＤ法により順に形成されている。第２クラッド層１６の所定の深さまで除去されてストライプ状のリッジ部１８が形成されている。基板１１の下面にはｎ−電極１９が、ｐ−コンタクト層１７の上面にはｐ−電極２０が形成されている。また、リッジ部１８の側面から第２クラッド層１６のエッチング除去された上面に亘って保護膜２１が形成されている。
【００３９】
この構成の半導体レーザにおいて、上述の図２〜図４の結果に基づいて、基板１の上面をＣ面から所定角度θ傾斜させ、バッファ層１２の厚み及びキャリア濃度を設定することにより、格子欠陥を減少させ、寿命を長くすることが出来る。
【００４０】
尚、上述の図２〜図４は、基板１の上面の傾斜方向を＜１１−２０＞方向とした場合であるが、例えば＜１０−１０＞方向、＜１０−１０＞方向と＜１１−２０＞方向との間の方向等、他の方向に傾斜させた場合においても、略同様の結果が得られた。
【００４１】
また、本発明は、セルフアライン構造等の他の半導体レーザは勿論のこと、半導体レーザ以外の他の半導体発光素子にも適用可能である。
【００４２】
また、基板上に形成される窒化物系半導体層としても、上述した以外のものでも良く、III属元素として、Ｇａ、或いはＧａにＡｌ、Ｉｎ、Ｂの少なくと１つを含んでいれば良い。またＶ族元素としてＮ以外にＰやＡｓ等を少量含んでいても良い。
【００４３】
【発明の効果】
本発明に依れば、ＧａＮ基板の上に形成される窒化物系半導体層の結晶性が良く、長寿命化に適した窒化物系半導体発光素子を製造できる窒化物系半導体発光素子の製造方法を提供し得る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を用いた発光ダイオードの構成を示す断面図である。
【図２】発光ダイオードのコンタクト層表面の格子欠陥密度及び寿命と基板上面の傾斜角度との関係を示す図である。
【図３】発光ダイオードのバッファ層の厚みによるコンタクト層表面の格子欠陥密度及と、基板上面の傾斜角度との関係を示す図である。
【図４】発光ダイオードのバッファ層のキャリア濃度によるコンタクト層表面の格子欠陥密度及と、基板上面の傾斜角度との関係を示す図である。
【図５】本発明を用いたリッジ導波型半導体レーザ素子の構成を示す断面図である。
【符号の説明】
１、１１ 基板
２、１２ バッファ層
３、１４ ｎ−クラッド層
４、１５ 活性層
５、１６ ｐクラッド層

Claims (7)

1. Ｃ面に対して０．０３°以上、１０°以下の角度で傾斜しているＧａＮ基板の上面に、窒化物半導体からなる厚みが０．５μｍ以上のバッファ層を９００℃以上、１２００℃以下の温度で成長させ、該バッファ層上に窒化物半導体からなる発光層を成長させ、該発光層上にｐ−コンタクト層を形成することにより、該ｐ−コンタクト層表面の格子欠陥密度を１．０×１０ ^６ ／ｃｍ ^２ 以下とすると共に、表面の格子欠陥密度が１．０×１０ ^６ ／ｃｍ ^２ 以下とされた前記ｐ−コンタクト層上にｐ−電極を形成することを特徴とする窒化物系半導体発光素子の製造方法。
2. 前記基板の上面の傾斜角度が、０．０５°以上であることを特徴とする請求項１記載の窒化物系半導体発光素子の製造方法。
3. 前記バッファ層の厚みが、１μｍ以上であることを特徴とする請求項１又は２記載の窒化物系半導体発光素子の製造方法。
4. 前記基板の上面の傾斜角度が、０．５°以下であることを特徴とする請求項１、２又は３記載の窒化物系半導体発光素子の製造方法。
5. 前記バッファ層のキャリア濃度が、１×１０^２０／ｃｍ^３以下であることを特徴とする請求項１、２、３又は４記載の窒化物系半導体発光素子の製造方法。
6. 前記バッファ層のキャリア濃度が、１×１０^１８／ｃｍ^３以下であることを特徴とする請求項５記載の窒化物系半導体発光素子の製造方法。
7. 前記基板の上面の傾斜角度が、１°以下であることを特徴とする請求項６記載の窒化物系半導体発光素子の製造方法。

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