JPH10303505A - 窒化ガリウム系半導体発光素子およびその製造方法 - Google Patents

窒化ガリウム系半導体発光素子およびその製造方法

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JPH10303505A
JPH10303505A JP10868097A JP10868097A JPH10303505A JP H10303505 A JPH10303505 A JP H10303505A JP 10868097 A JP10868097 A JP 10868097A JP 10868097 A JP10868097 A JP 10868097A JP H10303505 A JPH10303505 A JP H10303505A
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Toshiyuki Okumura
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 面内分布が小さく、かつ、良好な発光特性を
有する窒化ガリウム系半導体発光素子およびその製造方
法を提供する。 【解決手段】 気相成長法により、窒化物半導体からな
るクラッド層及び/又はガイド層に挟まれた、少なくと
もインジウムとガリウムを含む窒化物半導体からなる量
子井戸構造活性層を形成する際の基板の厚さを、50μ
m以上180μm以下とする。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は窒化ガリウム系半導
体発光素子に係り、特に、窒化物半導体よりなる量子井
戸構造活性層を備えた窒化ガリウム系発光素子及びその
製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】紫外から緑色の波長領域での発光波長を
有する半導体レーザ素子(LD)や発光ダイオード素子
(LED)等の半導体材料として、窒化ガリウム系半導
体(GaInAlN)が用いられている。これらの発光
素子を作製するための基板としてはサファイア基板、G
aAs基板、SiC基板、MgO基板、Si基板、スピ
ネル基板等が用いられており、この基板の上に有機金属
気相成長法(MOCVD法)や分子線エピタキシー法
(MBE法)等の気相成長法により窒化ガリウム系半導
体からなる発光部を形成している。サファイア基板を用
いた場合の気相成長法による窒化ガリウム系半導体を形
成する際の基板の厚さとしては、例えば特開平5−16
6923号公報に記載されており、通常300〜500
μmの厚さが用いられていた。
【0003】一方最近では、このような窒化ガリウム系
半導体による発光素子の活性層として、量子井戸構造が
用いられている。例えば青色LDは、Applied
Physics Letters,vol.69,N
o.10,p.1477〜1479に記載されており、
その断面図を図5に示す。図5において、101はサフ
ァイア基板、102はGaNバッファ層、103はn−
GaNコンタクト層、104はn−In0.05Ga0.95
層、105はn−Al0.05Ga0.95Nクラッド層、10
6はn−GaNガイド層、107はIn0.2Ga0.8N量
子井戸層とIn0.05Ga0.95N障壁層とからなる多重量
子井戸構造活性層、108はp−Al0.2Ga0.8N層、
109はp−GaNガイド層、110はp−Al0.05
0.95Nクラッド層、111はp−GaNコンタクト
層、112はp側電極、113はn側電極、114はS
iO2絶縁膜である。ここで、多重量子井戸構造活性層
107は、3nm厚のIn0.2Ga0.8N量子井戸層が5
層、6nm厚のIn0.05Ga0.95N障壁層が4層、の合
計9層で構成され、量子井戸層と障壁層が交互に形成さ
れている。またこれらの結晶成長時の温度は、GaNバ
ッファ層102が510℃、多重量子井戸構造活性層1
07が830℃、これら以外の各層は1020℃であ
る。この他、特開平8−316528号公報にも同様に
量子井戸構造活性層を有する窒化ガリウム系半導体を用
いた青色LDが記載されているが、これらはいずれも結
晶成長時における基板の厚さについては特にこだわらず
に作成されていた。
【0004】また青色LEDは、例えば、上記の特開平
8−316528号公報に記載されており、その断面図
を図6に示す。図6において、121はサファイア基
板、122はGaNバッファ層、123はn−GaNコ
ンタクト層、124はn−Al0.3Ga0.7N第2n型ク
ラッド層、125はn−In0.01Ga0.99GaN第1n
型クラッド層、126は3nm厚のIn0.05Ga0.95
単一量子井戸構造活性層、127はp−In0.01Ga
0.99GaN第1p型クラッド層、128はp−Al0.3
Ga0.7N第2p型クラッド層、129はp−GaNコ
ンタクト層、130はp側電極、131はn側電極あ
る。これらの結晶成長時の温度は、GaNバッファ層1
22が500℃、単一量子井戸構造活性層126が80
0℃、これら以外の各層は1050℃である。このよう
な青色LEDにおいても、結晶成長時における基板の厚
さについては特にこだわらず作成されていた。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら,量子井
戸構造活性層を用いた従来の青色LD及び青色LED素
子には、結晶成長時に用いた基板ウェハーの面内での発
光特性の分布が非常に大きいという問題点があった。す
なわち青色LDでは発振波長が基板ウェハーの中心部分
と周辺部分で大きく異なり、所望の発振波長を得るため
の歩留まりが大きく低下してしまう。例えば直径2イン
チのサファイア基板を使用した場合、発振波長は基板ウ
ェハーの中心部と周辺部とで150nmもの違いを生じ
ていた。さらに、従来の青色LDは発振閾値電流値が1
00mA以上と高く、光ディスク等の情報処理用として
実用に供するためには大幅に発振閾値電流値を低減する
必要があった。
【0006】また、青色LEDに関してはすでに実用化
されているものの、やはり青色LDと同様に発光波長が
基板ウェハーの中心部分と周辺部分で大きく異なり、所
望の発光波長を得るための歩留まりが大きく低下してし
まうという問題がある。LEDを用いた大型のフルカラ
ーディスプレーのように、同一の発光波長を有するLE
Dを大量に必要とするような用途の場合、発光波長の面
内分布が大きいことにより青色LEDの歩留まりが低下
してしまうと、フルカラーディスプレーのコストの増大
につながってしまう。このため、歩留まりよく同一の発
光波長で作製できる青色LEDの実現が望まれていた。
【0007】本発明は以上のような事情に鑑みてなされ
たものであり、上記窒化ガリウム系半導体発光素子にお
ける課題を解決して、基板ウェハー面内において均一で
良好なレーザ発振特性を有する半導体レーザ素子とその
製造方法、及び、基板ウェハー面内で発光波長が均一な
発光ダイオード素子とその製造方法を提供することを目
的とする。
【0008】
【課題を解決するための手段】前記目的を達成するた
め、本発明に係る窒化ガリウム系半導体発光素子は、気
相成長法により、窒化物半導体からなるクラッド層及び
/又はガイド層に挟まれた、少なくともインジウムとガ
リウムを含む窒化物半導体からなる量子井戸構造活性層
を形成する際の基板の厚さを、50μm以上180μm
以下とすることにより製造される。
【0009】このような本発明を見い出すにあたって、
本発明者は従来素子における前記課題の原因について詳
細に調査を行い、その結果、量子井戸層を形成する際の
結晶成長時における基板ウェハーの面内での表面温度の
分布により、基板ウェハーの面内での発光の特性の分布
が生じていることが判明した。すなわち、窒化ガリウム
系半導体発光素子において量子井戸層として用いられる
InGaN材料は、InGaNが形成される基板表面の
温度によってIn組成が大きく変化する。特にInGa
Nの結晶成長を開始した直後は、基板表面の温度による
In組成の変化が大きくなっている。従って、層厚が非
常に薄い量子井戸層をInGaNで形成する場合は、I
nGaNの結晶成長を開始した直後の影響が大きくな
り、基板表面温度が低下すると急激にIn組成が大きく
なってしまうことがわかった。InGaN材料において
はIn組成によって発光波長が変化するため、In組成
が大きくなると発光波長は長波長化してしまう。
【0010】さらに、基板ウェハー面内での表面温度の
分布は、結晶成長時の基板の反りによる不均一な熱伝導
が影響していることが判明した。窒化ガリウム系半導体
の結晶成長では基板ウェハーの温度を500℃〜110
0℃に上昇して結晶成長を行っているが、基板の温度を
上昇するには基板の底面に接した発熱体からの熱伝導に
より基板の温度を上昇させている。この場合、基板の厚
さが180μm以上である従来の窒化ガリウム系半導体
発光素子では、基板が厚いために基板の底面と表面とで
温度差が生じ、底面の方が表面よりも温度が高くなる。
その結果、基板の底面は表面に比べて熱膨張が大きくな
り、図7に示されるように基板ウェハー150が反って
しまい、中心部のみが発熱体151に接して周辺部が発
熱体151から離れた状態になってしまう。従って、周
辺部へは発熱体151からの熱が伝わりにくくなり、中
心部に比べて周辺部の温度は低くなっている。このため
InGaNを結晶成長した際に周辺部ではIn組成が大
きくなり、基板ウェハー150の面内での発光特性の分
布を引き起こしていた。
【0011】すなわち、青色LDでは発振波長がInG
aN量子井戸構造活性層のIn組成で決まるために、基
板ウェハーの中心部分と周辺部分でIn組成が異なるこ
とによって発振波長が大きく異なり、所望の発振波長を
得るための歩留まりが大きく低下してしまっていた。さ
らに、1個の青色LD素子の共振器構造の内部でもIn
GaN量子井戸層のIn組成に分布が生じているため、
一定の発光波長で得られる光利得が小さくなって、発振
閾値電流を増大させていた。一方、青色LEDに関して
も青色LDと同様に発光波長が基板ウェハーの中心部分
と周辺部分で大きく異なり、所望の発光波長を得るため
の歩留まりが大きく低下してしまっていた。
【0012】従って本発明では、気相成長法により、窒
化物半導体からなるクラッド層及び/又はガイド層に挟
まれた、少なくともインジウムとガリウムを含む窒化物
半導体からなる量子井戸構造活性層を形成する際のサフ
ァイア基板の厚さを、50μm以上180μm以下と薄
くすることにより、InGaNを結晶成長する際の基板
の底面と表面との温度差が無くなり、結晶成長時におけ
る基板ウェハーの反りが抑えられることによって基板ウ
ェハーは底面全体で発熱体と接することになるため、基
板ウェハー面内での表面温度の分布が抑えられた。これ
によりInGaN量子井戸層におけるIn組成の分布が
低減できた。
【0013】以上の結果、InGaN量子井戸構造活性
層からの発光特性の分布が改善され、基板ウェハー面内
において発振波長が均一で発振閾値電流値が低い窒化ガ
リウム系半導体レーザ素子と、基板ウェハー面内で発光
波長が均一な窒化ガリウム系発光ダイオード素子が実現
された。
【0014】
【発明の実施の形態】
(発明の実施の形態1)図1は本発明の第1の実施例に
係る窒化ガリウム系半導体レーザ素子を示す断面図であ
り、図2は図1中のA部を拡大した断面図である。この
図において、1はc面を表面として有し厚さが150μ
m、直径が2インチであるサファイア基板、2はGaN
バッファ層、3はn−GaNn型コンタクト層、4はn
−Al0.1Ga0.9Nn型クラッド層、5はn−GaNガ
イド層、6は2層のIn0.2Ga0.8N量子井戸層14と
1層のIn0.05Ga0.95N障壁層15とからなる多重量
子井戸構造活性層、7はAl0.2Ga0.8N蒸発防止層、
8はp−GaNガイド層、9はp−Al0.1Ga0.9Np
型クラッド層、10はp−GaNp型コンタクト層、1
1はp側電極、12はn側電極、13はSiO2絶縁膜
である。
【0015】本実施例において、サファイア基板1の厚
さを150μmとしたが、50μmから180μmの間
であればこの厚さにこだわらない。また基板の表面はa
面、r面、m面等の他の面方位であっても構わない。ま
た、サファイア基板に限らずSiC基板・スピネル基板
・MgO基板・Si基板・GaAs基板も用いることが
出来る。特にSiC基板の場合はサファイア基板に比べ
て劈開しやすいため、劈開によるレーザ共振器端面の形
成が容易であるという利点がある。バッファ層2はその
上に窒化ガリウム系半導体をエピタキシャル成長させる
ことが出来るものであればGaNにこだわらず他の材
料、例えばAlNやAlGaN3元混晶を用いてもよ
い。
【0016】n型クラッド層4及びp型クラッド層9
は、n−Al0.1Ga0.9N以外のAl組成を持つAlG
aN3元混晶でもよい。この場合Al組成を大きくする
と活性層とクラッド層とのエネルギーギャップ差及び屈
折率差が大きくなり、キャリアや光が活性層に有効に閉
じ込められてさらに発振閾値電流の低減及び、温度特性
の向上が図れる。またキャリアや光の閉じ込めが保持さ
れる程度でAl組成を小さくしていくと、クラッド層に
おけるキャリアの移動度が大きくなるため、半導体レー
ザ素子の素子抵抗を小さくできる利点がある。さらにこ
れらのクラッド層は微量に他の元素を含んだ4元以上の
混晶半導体でもよく、n型クラッド層4とp型クラッド
層9とで混晶の組成が同一でなくても構わない。
【0017】ガイド層5と8は、そのエネルギーギャッ
プが、多重量子井戸構造活性層6を構成する量子井戸層
のエネルギーギャップとクラッド層4と9のエネルギー
ギャップの間の値を持つような材料であればGaNにこ
だわらず他の材料、例えばInGaNやAlGaN等の
3元混晶やInGaAlN4元混晶等を用いてもよい。
またガイド層全体にわたってドナー又はアクセプターを
ドーピングする必要はなく、多重量子井戸構造活性層6
側の一部のみをノンドープとしてもよく、さらにはガイ
ド層全体をノンドープとしてもよい。この場合、ガイド
層に存在するキャリアが少なくなり、自由キャリアによ
る光の吸収が低減されて、さらに発振閾値電流が低減で
きるという利点がある。
【0018】多重量子井戸構造活性層6を構成する2層
のIn0.2Ga0.8N量子井戸層14と1層のIn0.05
0.95N障壁層15は、必要なレーザ発振波長に応じて
その組成を設定すればよく、発振波長を長くしたい場合
は量子井戸層14のIn組成を大きくし、短くしたい場
合は量子井戸層14のIn組成を小さくする。また量子
井戸層14と障壁層15は、InGaN3元混晶に微量
に他の元素を含んだ4元以上の混晶半導体でもよい。さ
らに障壁層15は単にGaNを用いてもよい。
【0019】次に、図1と図2を参照して上記窒化ガリ
ウム系半導体レーザの作製方法を説明する。以下の説明
ではMOCVD法(有機金属気相成長法)を用いた場合
を示しているが、GaNをエピタキシャル成長できる成
長法であればよく、MBE法(分子線エピタキシャル成
長法)やHDVPE(ハイドライド気相成長法)等の他
の気相成長法を用いることもできる。
【0020】まず従来用いられていたc面を表面として
有し厚さが300μm以上で直径が2インチであるサフ
ァイア基板の裏面を研磨して、厚さ150μmのサファ
イア基板1とした。続いて、所定の成長炉内の発熱体上
に設置された、前記サファイア基板1上に、トリメチル
ガリウム(TMG)とアンモニア(NH3)を原料に用
いて、成長温度600℃でGaNバッファ層2を35n
m成長させる。
【0021】次に成長温度を1050℃まで上昇させ
て、TMGとNH3、及びシランガス(SiH4)を原料
に用いて、厚さ3μmのSiドープn−GaNn型コン
タクト層3を成長する。さらに続けてトリメチルアルミ
ニウム(TMA)を原料に加え、成長温度は1050℃
のままで厚さ0.7μmのSiドープn−Al0.1Ga
0.9Nn型クラッド層4を成長する。続けて、TMAを
原料から除いて、成長温度は1050℃のままで厚さ
0.05μmのSiドープn−GaNガイド層5を成長
する。
【0022】次に、成長温度を800℃に下げ、TMG
とNH3、及びトリメチルインジウム(TMI)を原料
に用いて、In0.2Ga0.8N量子井戸層(厚さ5nm)
14、In0.05Ga0.95N障壁層(厚さ5nm)15、
In0.2Ga0.8N量子井戸層(厚さ5nm)14を順次
成長することにより多重量子井戸構造活性層(トータル
の厚さ15nm)6を作成する。さらに続けてTMGと
TMAとNH3を原料に用いて、成長温度は800℃の
ままで厚さ10nmのAl0.2Ga0.8N蒸発防止層7を
成長する。
【0023】次に、再び成長温度を1050℃に上昇し
て、TMGとNH3、及びシクロペンタジエニルマグネ
シウム(Cp2Mg)を原料に用いて、厚さ0.05μ
mのMgドープp−GaNガイド層8を成長する。さら
に続けてTMAを原料に加え、成長温度は1050℃の
ままで厚さ0.7μmのMgドープp−Al0.1Ga0.9
Np型クラッド層9を成長する。続けて、TMAを原料
から除いて、成長温度は1050℃のままで厚さ0.2
μmのMgドープp−GaNp型コンタクト層10を成
長して、窒化ガリウム系エピタキシャルウエハーを完成
する。
【0024】その後、このウエハーを800℃の窒素ガ
ス雰囲気中でアニールして、Mgドープのp型層を低抵
抗化する。
【0025】さらに通常のフォトリソグラフィーとドラ
イエッチング技術を用いて、200μm幅のストライプ
状にp−GaNp型コンタクト層10の最表面から、n
−GaNn型コンタクト層3が露出するまでエッチング
を行う。次に、上記と同様のフォトリソグラフィーとド
ライエッチング技術を用いて、残ったp−GaNp型コ
ンタクト層10の最表面に、5μm幅のストライプ状に
リッジ構造を形成するようにp−GaNp型コンタクト
層10とp−Al0.1Ga0.9Np型クラッド層9をエッ
チングする。
【0026】続いて、リッジの側面とリッジ以外のp型
層表面に厚さ200nmのSiO2絶縁膜13を形成す
る。このSiO2絶縁膜13とp−GaNp型コンタク
ト層10の表面にニッケルと金からなるp側電極11を
形成し、エッチングにより露出したn−GaNn型コン
タクト層3の表面にチタンとアルミニウムからなるn側
電極12を形成して、窒化ガリウム系LDウエハーを完
成する。
【0027】その後、このウエハーをリッジストライプ
に垂直な方向に劈開してレーザの共振器端面を形成し、
さらに個々のチップに分割する。そして、各チップをス
テムにマウントし、ワイヤーボンディングにより各電極
とリード端子とを接続して、窒化ガリウム系半導体レー
ザ素子を完成する。
【0028】以上のようにして作製された青色LD素子
は、発振波長430nm、発振閾値電流40mAという
レーザ特性が得られた。また、基板ウエハー面内での発
振波長の分布は小さくなり、ウェハーの中心部と周辺部
とで従来150nmあった発振波長の違いは10nmに
まで低減された。このように本発明により、InGaN
量子井戸活性層からの発光特性の分布が改善され、基板
ウェハー面内において発振波長が均一で発振閾値電流値
が低い窒化ガリウム系半導体レーザ素子が実現できた。
【0029】図3には、窒化ガリウム系半導体レーザ素
子において、直径が2インチであるサファイア基板の厚
さによる、ウェハーの中心部と周辺部とでの発振波長の
違いの大きさの変化、及び、発振閾値電流値の変化を表
すグラフ図が示されている。各半導体レーザの構造は、
結晶成長時におけるサファイア基板の厚さが異なること
以外は本発明の第1の実施例に係る窒化ガリウム系半導
体レーザ素子と同じである。この図からわかるように、
結晶成長時におけるサファイア基板の厚さが180μm
を越えると、発振波長の面内分布が急速に増大し、発振
閾値電流値も高くなっている。従って、ウェハー面内に
おいて発光波長が均一であり、かつ低い発振閾値電流値
を得ることが出来るのは、結晶成長時におけるサファイ
ア基板の厚さが50μm以上180μm以下である本発
明の第1の実施例に係る窒化ガリウム系半導体レーザ素
子のみである。なお基板の厚さを50μm以下とする
と、基板の機械的強度が低下するため割れやすくなり、
基板とその基板上に形成された窒化ガリウム系半導体と
の熱膨張係数に違いがあるため、500℃〜1100℃
の温度で結晶成長を行った後、室温まで温度を下げる際
に基板が反って破損してしまった。
【0030】なお、本実施例では、多重量子井戸構造活
性層6を構成する量子井戸層14の層を2層としたが、
3層以上の多重量子井戸構造でもよく、1層のみの単一
量子井戸構造でもよい。さらに、本実施例では、量子井
戸層14と障壁層15の層厚をともに5nmとしたが、
これらの層厚が同一である必要はなく、異なっていても
構わない。また量子井戸層の層厚も本実施例にこだわら
ない。
【0031】また本実施例では、多重量子井戸構造活性
層6に接するようにAl0.2Ga0.8N蒸発防止層7を形
成しているが、これは量子井戸層14が成長温度を上昇
している間に蒸発してしまうことを防ぐためである。従
って、量子井戸層14を保護するものであれば蒸発防止
層7として用いることができ、他のAl組成を有するA
lGaN3元混晶やGaNを用いてもよい。また、この
蒸発防止層7にMgをドーピングしてもよく、この場合
はp−GaNガイド層8やp−Al0.1Ga0.9Np型ク
ラッド層9から正孔が注入され易くなるという利点があ
る。さらに、量子井戸層14のIn組成が小さい場合は
蒸発防止層7を形成しなくても量子井戸層14は蒸発し
ないため、特に蒸発防止層7を形成しなくても、本実施
例の窒化ガリウム系半導体レーザ素子の特性は損なわれ
ない。
【0032】本実施例では、リッジストライプ構造を形
成して注入電流の狭窄を行っているが、電極ストライプ
構造等の他の電流狭窄の手法を用いてもよい。また、本
実施例では劈開によりレーザの共振器端面を形成してい
るが、ドライエッチングにより共振器端面を形成するこ
ともできる。
【0033】さらに本実施例ではサファイア基板を用い
たため、エッチングにより露出したn−GaNn型コン
タクト層3の表面にn側電極12を形成しているが、n
型導電性を有するSiC基板、Si基板、GaAs基板
等を結晶成長時の基板に用いれば、この基板の裏面にn
側電極12を形成してもよい。また、p型とn型の構成
を逆にしても構わない。
【0034】(発明の実施の形態2)図4は本発明の第
2の実施例に係る窒化ガリウム系半導体発光ダイオード
素子を示す断面図である。この図において、21はc面
を表面として有し厚さが100μm、直径が2インチで
あるサファイア基板、22はGaNバッファ層、23は
n−GaNn型コンタクト層、24はn−Al0.1Ga
0.9Nn型クラッド層、25はn−GaNガイド層、2
6はIn0.2Ga0.8N量子井戸層からなる単一量子井戸
構造活性層、27はAl0.2Ga0.8N蒸発防止層、28
はp−GaNガイド層、29はp−Al0.1Ga0.9Np
型クラッド層、30はp−GaNp型コンタクト層、3
1はp側電極、32はn側電極である。
【0035】本実施例において、サファイア基板21の
厚さを100μmとしたが、50μmから180μmの
間であればこの厚さにこだわらない。また基板の表面は
a面、r面、m面等の他の面方位であっても構わない。
また、サファイア基板に限らずSiC基板・スピネル基
板・MgO基板・Si基板・GaAs基板も用いること
が出来る。特にSiC基板の場合はサファイア基板に比
べて劈開しやすいため、LED素子のチップへの分割が
容易であるという利点がある。バッファ層22はその上
に窒化ガリウム系半導体をエピタキシャル成長させるこ
とが出来るものであればGaNにこだわらず他の材料、
例えばAlNやAlGaN3元混晶を用いてもよい。
【0036】n型クラッド層24及びp型クラッド層2
9は、n−Al0.1Ga0.9N以外のAl組成を持つAl
GaN3元混晶や、単にGaNを用いてもよい。この場
合Al組成を大きくすると活性層とクラッド層とのエネ
ルギーギャップ差が大きくなり、キャリアが活性層に有
効に閉じ込められて温度特性の向上が図れる。またキャ
リアの閉じ込めが保持される程度でAl組成を小さくし
ていくと、クラッド層におけるキャリアの移動度が大き
くなるため、発光ダイオード素子の素子抵抗を小さくで
きる利点がある。さらにこれらのクラッド層は微量に他
の元素を含んだ4元以上の混晶半導体でもよく、n型ク
ラッド層24とp型クラッド層29とで混晶の組成が同
一でなくても構わない。
【0037】ガイド層25と28は、そのエネルギーギ
ャップが、単一量子井戸構造活性層26を構成する量子
井戸層のエネルギーギャップとクラッド層24と29の
エネルギーギャップの間の値を持つような材料であれば
GaNにこだわらず他の材料、例えばInGaN・Al
GaN3元混晶やInGaAlN4元混晶等を用いても
よい。またガイド層全体にわたってドナー又はアクセプ
ターをドーピングする必要はなく、単一量子井戸構造活
性層26側の一部のみをノンドープとしてもよく、さら
にはガイド層全体をノンドープとしてもよい。この場
合、ガイド層に存在するキャリアが少なくなり、自由キ
ャリアによる光の吸収が低減されて、さらに光出力が向
上するという利点がある。また、ガイド層25と28に
は、n型クラッド層24とp型クラッド層29からそれ
ぞれ電子と正孔を単一量子井戸構造活性層26へ注入し
やすくするという利点があるが、特にガイド層25と2
8を設けなくてもLED素子特性が大きく悪化すること
はないので、ガイド層25と28はなくても構わない。
【0038】単一量子井戸構造活性層26を構成するI
0.2Ga0.8N量子井戸層は、必要な発光波長に応じて
その組成を設定すればよく、発光波長を長くしたい場合
は量子井戸層26のIn組成を大きくし、短くしたい場
合は量子井戸層26のIn組成を小さくする。また量子
井戸層26は、InGaN3元混晶に微量に他の元素を
含んだ4元以上の混晶半導体でもよい。
【0039】次に、図4を参照して上記窒化ガリウム系
半導体発光ダイオードの作製方法を説明する。以下の説
明ではMOCVD法(有機金属気相成長法)を用いた場
合を示しているが、GaNをエピタキシャル成長できる
成長法であればよく、MBE法(分子線エピタキシャル
成長法)やHDVPE(ハイドライド気相成長法)等の
他の気相成長法を用いることもできる。
【0040】まず従来用いられていたc面を表面として
有し厚さが300μm以上で直径が2インチであるサフ
ァイア基板の裏面を研磨して、厚さ100μmのサファ
イア基板21とした。続いて、所定の成長炉内の発熱体
上に設置された、前記サファイア基板21上に、TMG
とNH3を原料に用いて、成長温度600℃でGaNバ
ッファ層22を35nm成長させる。
【0041】次に成長温度を1050℃まで上昇させ
て、TMGとNH3、及びSiH4を原料に用いて、厚さ
3μmのSiドープn−GaNn型コンタクト層23を
成長する。さらに続けてTMAを原料に加え、成長温度
は1050℃のままで厚さ0.3μmのSiドープn−
Al0.1Ga0.9Nn型クラッド層24を成長する。続け
て、TMAを原料から除いて、成長温度は1050℃の
ままで厚さ0.05μmのSiドープn−GaNガイド
層25を成長する。
【0042】次に、成長温度を800℃に下げ、TMG
とNH3、及びTMIを原料に用いて、厚さ3nmのI
0.2Ga0.8N量子井戸層からなる単一量子井戸構造活
性層26を作成する。さらに続けてTMGとTMAとN
3を原料に用いて、成長温度は800℃のままで厚さ
10nmのAl0.2Ga0.8N蒸発防止層27を成長す
る。
【0043】次に、再び成長温度を1050℃に上昇し
て、TMGとNH3、及びCp2Mgを原料に用いて、厚
さ0.05μmのMgドープp−GaNガイド層28を
成長する。さらに続けてTMAを原料に加え、成長温度
は1050℃のままで厚さ0.3μmのMgドープp−
Al0.1Ga0.9Np型クラッド層29を成長する。続け
て、TMAを原料から除いて、成長温度は1050℃の
ままで厚さ0.2μmのMgドープp−GaNp型コン
タクト層30を成長して、窒化ガリウム系エピタキシャ
ルウエハーを完成する。
【0044】その後、このウエハーを800℃の窒素ガ
ス雰囲気中でアニールして、Mgドープのp型層を低抵
抗化する。
【0045】さらに通常のフォトリソグラフィーとドラ
イエッチング技術を用いて、LED素子作製のために所
定の領域に、p−GaNp型コンタクト層30の最表面
から、n−GaNn型コンタクト層23が露出するまで
エッチングを行う。
【0046】続いて、p−GaNp型コンタクト層30
の表面にニッケルと金からなるp側電極31を形成し、
エッチングにより露出したn−GaNn型コンタクト層
23の表面にチタンとアルミニウムからなるn側電極3
2を形成して、窒化ガリウム系LEDウエハーを完成す
る。
【0047】その後、このウエハーを個々のチップに分
割する。そして、各チップをステムにマウントし、ワイ
ヤーボンディングにより各電極とリード端子とを接続し
て、窒化ガリウム系半導体発光ダイオード素子を完成す
る。
【0048】以上のようにして作製された青色LED素
子は、順方向電流20mAで、発光波長430nm・光
出力4mWという発光特性が得られた。また、実施例1
と同様に、基板ウエハー面内での発光波長の分布は小さ
くなり、ウェハーの中心部と周辺部とで従来150nm
あった発光波長の違いは8nmにまで低減された。この
ように本発明により、InGaN量子井戸活性層からの
発光特性の分布が改善され、基板ウェハー面内において
均一な発光波長を有する窒化ガリウム系半導体発光ダイ
オード素子が実現できた。
【0049】なお、本実施例では、単一量子井戸構造活
性層26を構成するIn0.2Ga0.8N量子井戸層の層数
を1とし層厚を3nmとしたが、2層以上の多重量子井
戸構造活性層でもよく、量子井戸層の層厚も本実施例に
こだわらない。
【0050】また本実施例では、単一量子井戸構造活性
層26に接するようにAl0.2Ga0.8N蒸発防止層27
を形成しているが、これは量子井戸層26が成長温度を
上昇している間に蒸発してしまうことを防ぐためであ
る。従って、量子井戸層26を保護するものであれば蒸
発防止層27として用いることができ、他のAl組成を
有するAlGaN3元混晶やGaNを用いてもよい。ま
た、この蒸発防止層27にMgをドーピングしてもよ
く、この場合はp−GaNガイド層28やp−Al0.1
Ga0.9Np型クラッド層29から正孔が注入され易く
なるという利点がある。さらに、量子井戸層26のIn
組成が小さい場合は蒸発防止層27を形成しなくても量
子井戸層26は蒸発しないため、特に蒸発防止層27を
形成しなくても、本実施例の窒化ガリウム系半導体発光
ダイオード素子の特性は損なわれない。
【0051】
【発明の効果】上述したように本発明による窒化ガリウ
ム系半導体発光素子においては、気相成長法により、窒
化物半導体からなるクラッド層及び/又はガイド層に挟
まれた、少なくともインジウムとガリウムを含む窒化物
半導体からなる量子井戸構造活性層を形成する際の基板
の厚さを、50μm以上180μm以下と薄くすること
により、InGaNを結晶成長する際の基板の底面と表
面との温度差が無くなり、結晶成長時における基板ウェ
ハーの反りが抑えられることによって基板ウェハーは底
面全体で発熱体と接することになるため、基板ウェハー
面内での表面温度の分布が抑えられた。これによりIn
GaN量子井戸層のにおけるIn組成の分布が低減でき
た。
【0052】その結果、InGaN量子井戸活性層から
の発光特性の分布が改善され、基板ウェハー面内におい
て発振波長が均一で発振閾値電流値が低い窒化ガリウム
系半導体レーザ素子と、基板ウェハー面内で発光波長が
均一な窒化ガリウム系発光ダイオード素子が実現でき
た。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施例に係る半導体レーザ素子
を示す断面図である。
【図2】本発明の第1の実施例に係る半導体レーザ素子
のA部を拡大した断面図である。
【図3】窒化ガリウム系半導体レーザ素子において、ウ
ェハーの中心部と周辺部とでの発振波長の違いの大きさ
のサファイア基板の厚さ依存性、及び、発振閾値電流値
のサファイア基板の厚さ依存性を表すグラフ図である。
【図4】本発明の第2の実施例に係る半導体発光ダイオ
ード素子を示す断面図である。
【図5】窒化ガリウム系半導体を用いた従来の青色LD
の断面図である。
【図6】窒化ガリウム系半導体を用いた従来の青色LE
Dの断面図である。
【図7】発熱体上に設置された従来の基板ウェハーの温
度を上昇したときの、基板の反りを示す図である。
【符号の説明】
1 サファイア基板 2 GaNバッファ層 3 n−GaNn型コンタクト層 4 n−Al0.1Ga0.9Nn型クラッド層 5 n−GaNガイド層 6 多重量子井戸構造活性層 7 Al0.2Ga0.8N蒸発防止層 8 p−GaNガイド層 9 p−Al0.1Ga0.9Np型クラッド層 10 p−GaNp型コンタクト層 11 p側電極 12 n側電極 13 SiO2絶縁膜 14 In0.2Ga0.8N量子井戸層 15 In0.05Ga0.95N障壁層

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 気相成長法により、窒化物半導体からな
    るクラッド層及び/又はガイド層に挟まれた、少なくと
    もインジウムとガリウムを含む窒化物半導体からなる量
    子井戸構造活性層を形成する際の基板の厚さを、50μ
    m以上180μm以下とすることを特徴とする窒化ガリ
    ウム系半導体発光素子の製造方法。
  2. 【請求項2】 気相成長法により、窒化物半導体からな
    るクラッド層及び/又はガイド層に挟まれた、少なくと
    もインジウムとガリウムを含む窒化物半導体からなる量
    子井戸構造活性層を形成する際の基板の厚さを50μm
    以上180μm以下とすることにより得られた、少なく
    とも1層の量子井戸層を有する窒化ガリウム系半導体発
    光素子。
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