JPH11112029A - 光半導体素子およびその製造方法 - Google Patents

光半導体素子およびその製造方法

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JPH11112029A JP26531197A JP26531197A JPH11112029A JP H11112029 A JPH11112029 A JP H11112029A JP 26531197 A JP26531197 A JP 26531197A JP 26531197 A JP26531197 A JP 26531197A JP H11112029 A JPH11112029 A JP H11112029A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】高効率GaN系光半導体素子の構造とその製造方
法の提供。 【解決手段】本発明の光半導体素子は通常用いられる{0
001｝面の面方位±1°等とは異なる面方位への成長をお
こなってピエゾ電界の少ない歪量子井戸を形成してい
る。半導体層を多層用いる本発明の光半導体素子では歪
量子井戸のみを前記面方位で成長させてもよい。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】本明細書において、発光素子と受光半導体
素子とを総称して光半導体素子あるいは光半導体装置と
呼ぶ。光半導体素子に付いて適用される条件は特に断ら
ないときは発光素子と受光半導体素子の双方に適用でき
るものとする。また、本明細書では、慣行として数字に
「上バー」を付して表記される結晶構造の指数を該数字
に負号：「−」を前置して表記することとする。さら
に、「面方位ｓの面Ｓを該面方位ｓの方向に成長させ
る」ことを単に「面Ｓを成長させる」と記載することに
する。面Ｓを成長面ともいう。
【０００２】
【産業上の利用分野】本発明は光半導体装置に関し、特
にGaN 系半導体を用いて組立られる発光素子と受光半導
体素子の効率を改善するための構造に関する。
【０００３】
【従来の技術】最近半導体発光素子や受光半導体素子の
高効率化がより一層求められている。特に、B,Al,Ga,In
等のIII族元素と窒素の化合物であるBN,AlN,GaN,InN
等、およびそれらの混晶半導体（以下GaN系半導体と総
称する）を用いたGaN系光半導体素子においては焦眉の
課題である。
【０００４】GaN系光半導体素子にはGaInN/GaN 歪量子
井戸あるいはGaInN/GaInN 歪量子井戸を発光層として用
いた青・緑色LED （発光ダイオード）や短波長LD（レー
ザダイオード）がある。またGaN系光半導体を用いた短
波長受光半導体素子への期待も大きい。そして、通常Ga
N系結晶の(0001)面を成長させて組立てたGaN系半導体歪
層、例えばGa0.9In0.1N歪層において約１MV/cm という
非常に大きなピエゾ電界が発生することが分っている。
（T.Takeuchi et al.,Jpn. J. Phys. Vol.36(1997) pp.
L382-L385参照）。
【０００５】一般に量子井戸内部に電界が存在すると、
電界が大きくなるに従い、量子井戸層のエネルギー帯は
大きく傾く。すると電子、正孔の波動関数の形状は互い
違いに偏り、両波動関数の重なり積分は小さくなる。言
い換えると、発光効率もしくは吸収効率が下がるという
光学的特性の大きな変化（量子閉じこめシュタルク効
果）が起こる（D.A.B.Miller et al.,Phys.Rev.Lett. 5
3(1984)2173.参照）。
【０００６】したがって、GaN系半導体歪量子井戸にお
いてはピエゾ電界が上記の現象（量子閉じこめシュタル
ク効果）を引き起こし、光学的特性がもともと大きく変
化していると考えられた。しかしながら、このピエゾ電
界を制御する方法が不明で、それぞれの素子に適した光
学的特性を得ることは困難であった。
【０００７】 一方、ｃ面内に等方的歪を導入しても光
学利得は増加しないが、(1-100)面を成長させたGaNにつ
いて計算したところ、c面内に異方性歪があると光学利
得が増加するとの知見も得られている（K. Domen et a
l., Appl. Phys.Lett. 70(8), 24 February 1997 pp.98
7-989参照）。しかしながらいかなる面を結晶成長させ
てGaN系光半導体を組立てるのが適切であるかは依然と
して不明であった。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】従って、本発明の目的
は結晶成長の面方位を制御して高効率を有するGaN系光
半導体素子の構造とその製造方法を与えることにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】上記課題を達成するため
本発明のGaN系光半導体素子は歪量子井戸層のピエゾ電
界ができるだけ小さくなる面方位を選んで素子の形成を
おこなって組立てられる。例えばウルツ鉱型（WZ）結晶
では通常用いられる{0001｝面の面方位±1°以内とは異
なる面方位の面を成長させて歪量子井戸を形成してい
る。閃亜鉛鉱型（ZB)結晶では｛111｝面の面方位±１°
以内とは異なる面方位の面を成長させて歪量子井戸を形
成している。半導体層を多層用いる本発明の光半導体素
子では歪量子井戸のみをピエゾ電界のより小さな面方位
で成長させてもよい。
【００１０】
【実施例】発明者等はGaN系半導体の成長面方位を変え
てピエゾ電界を調べ、その歪量子井戸層内に発生するピ
エゾ電界が変化することを知り、成長面方位によってピ
エゾ電界を制御することとした。図１に示すウルツ鉱型
GaN（WZ-GaN）系半導体の結晶構造１0を参照して以下に
その原理を説明する。図１の一点鎖線11に沿って面方位
を[0001]方向すなわちｃ軸方向から[2-1-10]方向を通っ
て[000-1]方向まで傾けた場合に、これらの面方向の面
をGaN上に成長させたGa0.9In0.1N歪量子井戸層内に発生
するピエゾ電界は図２のグラフに示すように変化する。
【００１１】図２の横軸は注目面の面方位が[0001]方向
となす角を示し、0°が[0001]方向を、180°が[000-1]
方向を示す。縦軸はピエゾ電界の大きさを表わし、[000
1]方向あるいは[000-1]方向において発生するピエゾ電
界が最大となることが分る。一方、[0001]方向と約40
°、90°または約140°をなす方向では歪層内において
もピエゾ電界が全く発生しないことが判明した。この[0
001]方向から[000-1]方向に傾ける際どの方向に向かっ
て傾けても（例えば図１の一点鎖線1２などに沿って
も）同じ結果となった。すなわち、ピエゾ電界は[0001]
方向と当該面の面方位との角度差によって一意に決定さ
れる。言い換えると、動径rがｃ軸（[0001]方向）から
の俯角θと[0001]方向の回り方位角φを有する球座標表
示を採用すると、ピエゾ電界はφによらずθのみによっ
て決定されるといえる。動径rが成長面の面方位を示して
いる。
【００１２】したがって、例えば量子井戸組立において
ピエゾ電界が発生しない低指数面としては、[0001]方向
と90°をなすものとして、{2-1-10}（A面）、{0-110}(M
面)などが、約40°、140°をなすものとして{2-1-14}、
{01-12}（R面）などが挙げられる。また、これらの面に
等価なすべての面についても同様の結果となる。Ga0.9I
n0.1N歪量子井戸層の組成比によりピエゾ電界の大きさ
は変化するが変化の様相はほとんど同じである。特にピ
エゾ電界が０になる[0001]方向から測った面方位90°は
組成比によらず、他の二つの面方位も40°や140°から
高々5°変化するにすぎない。
【００１３】WZ-GaN系半導体の歪量子井戸層の場合と同
様にGaN上に成長させた閃亜鉛鉱型GaN(ZB-GaN)系半導体
層：Ga0.9In0.1N歪量子井戸層の場合を調べると以下の
とおりであった。まず、ZB-GaN系半導体の結晶構造20を
図３に示す。上記と同様に動径rが[001]方向からの俯角
θ（傾きθ）と[001]方向の回りの方位角φを有する球
座標表示を採用する。図３には、方位角φを一定とし、
俯角θを変える動径rの第１、第２の経路が一点鎖線21,
22で示されている。第１の経路21を通る動径rの方向を
成長面の方位とする歪量子井戸層内のピエゾ電界の動径
の俯角θに対する変化は図４に示すとおりである。図４
には、動径が[001]方向（θ＝0°）から[111]方向（θ
＝54.7°）、[110]方向（θ＝90°）、[11-1]方向（θ
＝125.3°）を通って[00-1]（θ＝180°）に至るφ＝45
°の範囲がプロットしてある。縦軸はピエゾ電界の大き
さE（θ）を表わし、[111]方向(θが約55°）あるいは
[11-1]方向（θが約125°）において発生するピエゾ電
界が最大となる。
【００１４】一方、図５には[001]（θ＝0°）方向から
出発し[011]（θ＝45°）方向、[010]（θ＝90°）方
向、[01-1]（θ＝135°）方向をとおり[00-1]（θ＝180
°）方向に至るφ＝90°の経路（第２の経路）の傾き
（俯角）θを成長面の面方位とするGa0.9In0.1N歪量子
井戸層のピエゾ電界がプロットしてある。この経路では
どの角θの値においてもピエゾ電界が全く発生しない。
従って、ZB-GaN系半導体の歪量子井戸層の結晶では｛00
1｝面や｛011}面をはじめとして、経路２上の角θを面
方位とする面およびその等価面を成長面とする歪量子井
戸層はピエゾ電界をほとんど発生しない。また等価な面
を有する歪量子井戸層は同じピエゾ電界を有する。上記
の知見に基づき発光素子と受光半導体素子を作成する方
法に付いてのべる。まずWZ-GaN系半導体を使用する実施
例について延べ、次いでZB-GaN系半導体を使用する実施
例について簡単に補足する。
【００１５】１ 発光素子の作成 発光素子においては、発光強度をたかめるためには波動
関数の重なり積分をできるだけ大きくしてやればよい。
そのためには発光層である量子井戸層内のピエゾ電界は
できるだけ小さいほうがよい。重なり積分はピエゾ電界
によっており、図６にピエゾ電界に対する重なり積分の
大きさを示す。図２の場合と同じ組成の量子井戸層でそ
の幅を３nmとした場合（Ａ）、および６nmとした場合
（Ｂ）が示してある。しかし、通常作製される素子のほ
とんどは[0001]方向を成長面方位としているため、ピエ
ゾ電界が最大となり、発光強度が最低になる素子構造を
持っていることが判明した。そこで、発明者等は発生す
るピエゾ電界がより小さな面を成長面方位として選択し
て発光素子を組立てることとした。それらの面のうちピ
エゾ電界が殆ど発生しない面である[0001]方向と約40
°、90°あるいは約140°をなす方位を持つ面（{2-1-1
0}、{0-110}、{2-1-14}、{01-12}面など）を成長面に選
んで発光強度の大幅な増大を達成することが特に望まし
い。
【００１６】図７は、本発明の好適実施例の一つである
発光素子30の簡略構造を示す。結晶成長方位を除けば、
堆積される各層の組成は従来の発光素子の場合と同様で
ある。発光素子30の組立では、まずサファイア、SiC、G
aN等の基板31にn型GaNコンタクト層33、n型AlGaNクラッ
ド層34、多重歪量子井戸層35、p型AlGaNクラッド層36、
ｐ型GaNコンタクト層37を順次堆積して形成する。その
後n型GaNコンタクト層33とｐ型GaNコンタクト層37との
それぞれには、それぞれの電極となるn電極38とp電極39
とが形成されている。多重歪量子井戸層35はGaInN/GaN
多重歪量子井戸層あるいはGaInN/GaInN多重歪量子井戸
層が普通に用いられる。
【００１７】本実施例において、上記各層がピエゾ電界
を殆ど発生しないように｛２−１−１０｝面を成長させ
て形成する場合は、基板３１の成長面はサファイア基板
のとき{01-12}面、SiC基板とき{2-1-10｝面などが用い
られる。特にSiC基板では{2-1-10｝基板が良好であっ
た。この場合基板31の他の層は{2-1-10}面を成長させ
る。本実施例の発光素子の性能Ａと、(0001)面を成長さ
せて組立てた従来素子の性能Bとを図８に対比して示
す。{01-10}面を成長させて歪量子井戸を形成する場合
は、基板31の成長面はサファイアやSiCでは{01-10}面を
選択するのがよい。図８には歪量子井戸の量子井戸幅に
対する重なり積分＜Fh(x)Fe(x)>2の値を各素子につきプ
ロットしてある。ここでFh(x)、Fe(x)はそれぞれ面の成
長方向ｘの関数として表わした正孔と電子の波動関数で
ある。図８から本実施例の素子は従来素子に比べ、少な
くとも約２倍の重なり積分の値を有し、発光強度も略２
倍に増大できることがわかる。
【００１８】素子構造の別の例としては本願出願人によ
る特許出願：特願平09-5339号の明細書に開示された端
面発光型窒化物半導体レーザとすることもできる。該端
面発光型窒化物半導体レーザは、サファイア基板にGaN
バッファ層を堆積しその上にn型GaNコンタクト層、n型A
lGaNクラッド層、GaN光導波路層、InGaN多重量子井戸
層、p型GaN光導波路層、p型AlGaNクラッド層、ｐ型GaN
コンタクト層を順次堆積して形成したものである。n型G
aNコンタクト層とｐ型GaNコンタクト層とのそれぞれに
は、それぞれの電極となるn電極とp電極とが形成されて
いる。
【００１９】２ 受光半導体素子の作成 従来多く考えられた｛0001｝面を成長させて組立てる素
子は、ピエゾ電界が大きく、重なり積分が小さな歪量子
井戸を有する。無入力では大きなピエゾ電界によりエネ
ルギー帯が大きく傾いているが、入射光により量子井戸
の伝導度が大きくなり、傾いていたエネルギー帯が次第
にその傾きを減じ重なり積分の値は大きくなり吸収が増
加する。それにしたがって吸収端は短波長側に遷移して
波長範囲が狭くなる。すなわち入射光の増加により効率
（光電変換率）が増加する。
【００２０】一方、本発明の素子のようにピエゾ電界が
無いか小さな歪量子井戸を用いる構成では、ピエゾ電界
の変化の影響がほとんど無く、入射光の増加に伴う効率
の増加や波長範囲の低下は起こらない。吸収すなわち受
光半導体素子の効率も電子および正孔の波動関数の重な
りに比例するので、図８から明らかなように、受光半導
体素子の効率を高めるためには{0001}面とは別の面を選
ぶ事が有利となるわけである。素子の成長方法は発光素
子の場合と同様であるが、一般に発光素子に比べ入射光
の吸収をよくするため歪量子井戸の井戸幅広めにとる。
自己の発光した光の受光を同一素子でおこなう場合は、
用途に応じた最適井戸幅が選べよう。
【００２１】３ 第２の実施例について 現時点の製造技術の恩恵を十分に受けるために、歪量子
井戸を除く部分は{0001}面を成長させ、専ら発光、吸収
に係わる部分のみを所望の面方位とする製造方法で組立
てた本発明の第２の実施例の光半導体素子50の断面を図
９に示す。まず、従来技術によりSiC、GaN等の基板51上
にn型GaNコンタクト層53、n型AlGaNクラッド層54を{000
1}面方向に成長させ、その後、選択成長あるいは選択エ
ッチングにより{2-1-14}面や{01-12}面を形成する。そ
の後再結晶成長により今形成された面方位を持つGaInN/
GaNあるいはGaInN/GaInN多重歪量子井戸層55を形成す
る。
【００２２】ついで、さらに残りのp型AlGaNクラッド層
56、ｐ型GaNコンタクト層57を順次堆積して形成する。p
型AlGaNクラッド層56、ｐ型GaNコンタクト層57は井戸層
55の面方位から{0001}面方位方向に結晶構造を変えて成
長し、所定厚さの層となる。n型GaNコンタクト層53とｐ
型GaNコンタクト層57とのそれぞれには、それぞれの電
極となるn電極58とp電極59とが形成される。GaInN多重
歪量子井戸層55の両側の成長面５５Ａ，５５Ｂが{01-1
2}面や{2-1-14}面となっている。p型AlGaNクラッド層56
とｐ型GaNコンタクト層57は成長面を平坦にして次のプ
ロセスを容易にするため数μm厚にするのがよい。また
前記従来例と同様に基板51にAlNバッファ層52等を成長
させるのがより好ましい。
【００２３】４ ZB-GaN系光半導体素子 上記説明ではWZ--GaN系光半導体素子について述べた
が、ZB-GaN系光半導体素子についても同じ技術思想が用
いられる。こんどは図４に示すような成長面とピエゾ電
界の関係を考慮して成長面の方位が選択される。現在{0
01}面を成長させたZB-GaN系光半導体層が結晶品質も良
くピエゾ電界もほとんど発生しないので歪量子井戸層の
成長面として好もし選択である。
【００２４】上記いずれの実施例でも、歪量子井戸層を
ピエゾ電界が略０になる面方位に成長させるとしている
が、結晶成長方法や他の回路との整合を考えたときは必
ずしもピエゾ電界が０となる面方位を選ばずに、他の条
件との兼ね合いでよりピエゾ電界の小さな面方位を選択
するのが実際的なこともある。また、AlN等のGaNとは異
なる化合物半導体に基づく素子の場合も、結晶構造の型
が同じであればピエゾ電界の面方位依存性はほとんど同
じであり（ピエゾ電界が０となる面方位傾きθは高々１
０°程度の変化である）、前記実施例の説明で開示した
技術思想を用いて当業者は容易に光半導体素子を製造で
きよう。第２の実施例では歪量子井戸層の上下の層は同
じ面方位の面を成長させたが、互いに異なる面方位の面
を成長させることもできる。現在{0001}面の成長が容易
であり、上記実施例では{0001}面が双方の成長面として
採用された。
【００２５】
【発明の効果】本発明の光半導体素子は効率が高く発光
素子の小電力化、長素子寿命化が可能となる。また受光
半導体素子を含む装置のが雑音指数の低減が可能とな
る。また動作中の波長範囲の変動が少ないので素子設計
および該素子を用いた回路の設計が容易となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】WZ-GaN系半導体の結晶構造を示す図である。
【図２】WZ--GaN系半導体量子井戸の成長面面方位に対
する量子井戸に発生するピエゾ電界の大きさの変化を示
すグラフである。
【図３】ZB-GaN系半導体の結晶構造を示す図である。
【図４】ZB-GaN系半導体量子井戸の成長面面方位の第１
の経路に対する量子井戸に発生するピエゾ電界の大きさ
の変化を示すグラフである。
【図５】ZB-GaN系半導体量子井戸の成長面面方位の第２
の経路に対する量子井戸に発生するピエゾ電界の大きさ
の変化を示すグラフである。
【図６】量子井戸に発生するピエゾ電界に対する重なり
積分の値を示すグラフである。
【図７】本発明の一実施例の光半導体素子の断面図であ
る。
【図８】本発明の光半導体素子と従来技術による半導体
素子における量子井戸での波動関数の重なり積分を井戸
幅の関数としてプロットしたグラフである。
【図９】本発明の第２の実施例の光半導体素子の断面図
である。
【符号の説明】
10 WZ-GaN系半導体素子の結晶構造 20 ZB-GaN系半導体素子の結晶構造 30、50 光半導体素子 31、51 基板 52 AlNバッファ層 33、53 n型GaNコンタクト層 34、54 n型AlGaNクラッド層 35、55 歪量子井戸層 36、56 p型AlGaNクラッド層 37、57 ｐ型GaNコンタクト層 38、58 n電極 39、59 p電極 55A、55B GaInN多重歪量子井戸層55の両側の成長面
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 山田 範秀 神奈川県川崎市高津区坂戸３丁目２番２号 ヒューレット・パッカードラボラトリー ズジャパンインク内 (72)発明者 天野 浩 愛知県名古屋市名東区山の手２丁目104番 (72)発明者 赤▲崎▼ 勇 愛知県名古屋市西区浄心１丁目１番 38− 805号

Claims (19)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】歪量子井戸層を含む複数のGaN系半導体層
    を成長させて組立た半導体素子であって少なくとも該歪
    量子井戸層の成長面の面方位がピエゾ電界が最大となる
    方位とは異なることを特徴とする光半導体素子。
  2. 【請求項２】前記GaN系半導体層がウルツ鉱型結晶構造
    を有し前記歪量子井戸層の成長面の面方位は[0001]方向
    から１°以上の傾きを有することを特徴とする請求項１
    に記載の光半導体素子。
  3. 【請求項３】前記歪量子井戸層のみがその成長面の面方
    位を[0001]方向から１°以上の傾きを有する請求項２に
    記載の光半導体素子。
  4. 【請求項４】前記傾きが略４０°、９０°、１４０°の
    いずれかである請求項１あるいは請求項３に記載の光半
    導体素子。
  5. 【請求項５】前記GaN系半導体層が閃亜鉛鉱型結晶構造
    を有し前記歪量子井戸層の成長面の面方位は[111]方向
    から１°以上の傾きを有することを特徴とする請求項１
    に記載の光半導体素子。
  6. 【請求項６】前記歪量子井戸層のみがその成長面の面方
    位を[111]方向から１°以上の傾きを有する請求項５に
    記載の光半導体素子。
  7. 【請求項７】前記成長面が[001]方向から出発し[011]方
    向をとおり[010]方向に至る経路上の方向を面方位とす
    る面およびその等価面とから選ばれることを特徴とする
    請求項５あるいは請求項６に記載の光半導体素子。
  8. 【請求項８】前記光半導体素子が発光素子である請求項
    １乃至請求項７の何れかに記載の光半導体素子。
  9. 【請求項９】前記光半導体素子が受光素子である請求項
    １乃至請求項７の何れかに記載の光半導体素子。
  10. 【請求項１０】前記歪量子井戸層がウルツ鉱型結晶構造
    を有し該量子井戸層の成長面の面方位は[0001]方向から
    １°以上の傾きを有することを特徴とする請求項１に記
    載の光半導体素子。
  11. 【請求項１１】前記歪量子井戸層のみがその成長面の面
    方位を[0001]方向から１°以上の傾きを有する請求項１
    ０に記載の光半導体素子。
  12. 【請求項１２】前記傾きが略４０°、９０°、１４０°
    のいずれかである請求項１０あるいは請求項１１に記載
    の光半導体素子。
  13. 【請求項１３】前記歪量子井戸層が閃亜鉛鉱型結晶構造
    を有し該歪量子井戸層の成長面の面方位は[111]方向か
    ら１°以上の傾きを有することを特徴とする請求項１に
    記載の光半導体素子。
  14. 【請求項１４】前記歪量子井戸層のみがその成長面の面
    方位を[111]方向から１°以上の傾きを有する請求項５
    に記載の光半導体素子。
  15. 【請求項１５】前記成長面が[001]方向から出発し[011]
    方向をとおり[010]方向に至る経路上の方向を面方位と
    する面およびその等価面とから選ばれることを特徴とす
    る請求項１３あるいは請求項１４に記載の光半導体素
    子。
  16. 【請求項１６】前記光半導体素子が発光素子である請求
    項１０乃至請求項１５の何れかに記載の光半導体素子。
  17. 【請求項１７】前記光半導体素子が受光素子である請求
    項１０乃至請求項１５の何れかに記載の光半導体素子。
  18. 【請求項１８】下記のステップからなるGaN系光半導体
    素子を組立てるための光半導体素子の製造方法：基板を
    用意するステップ；該基板上に一層以上の半導体層を成
    長させて最後の半導体層を第１の面方位を有する成長面
    を備えた第１の半導体層とするステップ；第１の半導体
    層を選択エッチングしあるいは第１の半導体層上に選択
    拡散して前記第１の半導体層の成長面の面方位を前記第
    １の面方位とは異なる第２の面方位とするステップ；前
    記第１の半導体層上に歪量子井戸層を成長させるステッ
    プ；該歪量子井戸層上に一層以上の半導体層を成長させ
    て最後の半導体層を第３の面方位を有する成長面を備え
    た第３の半導体層とするステップ；所定の半導体層上に
    電極を設けるステップ。
  19. 【請求項１９】前記第１、第３の面方位が等しいことを
    特徴とする請求項１８に記載の光半導体素子の製造方
    法。
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