JP3969989B2

JP3969989B2 - Nitride-based semiconductor device and manufacturing method thereof

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Publication number: JP3969989B2
Application number: JP2001312559A
Authority: JP
Inventors: 雅幸畑
Original assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Current assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Priority date: 2001-10-10
Filing date: 2001-10-10
Publication date: 2007-09-05
Anticipated expiration: 2021-10-10
Also published as: JP2003124575A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、III 族窒化物半導体（以下、窒化物系半導体と呼ぶ）を用いた発光ダイオード素子、半導体レーザ素子等の半導体素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、ＧａＮ等の窒化物系半導体を用いた半導体素子の研究開発が進められている。
【０００３】
図９は従来の窒化物系半導体レーザ素子の例を示す模式的な断面図である。図９に示すように、半導体レーザ素子においては、サファイア基板８１上にバッファ層８２、アンドープＧａＮ層８３、ｎ−ＧａＮコンタクト層８４、ｎ−ＡｌＧａＮクラッド層８５、ｎ−ＧａＮ光ガイド層８６、発光層８７およびｐ−ＧａＮ光ガイド層８８が順に形成されている。ｐ−ＧａＮ光ガイド層８８の所定幅の領域上にリッジ状にｐ−ＧａＮクラッド層８９が形成されており、このリッジ状のｐ−ＡｌＧａＮクラッド層８９の側面に電流狭窄層９１が形成されている。さらに、ｐ−ＡｌＧａＮクラッド層８９の上面および電流狭窄層９１上にｐ−ＧａＮコンタクト層９０が形成されている。ｐ−ＧａＮコンタクト層９０からｎ−ＧａＮコンタクト層８４までの一部領域が除去されてｎ−ＧａＮコンタクト層８４が露出し、メサ形状が形成されている。露出したｎ−ＧａＮコンタクト層８４の所定領域上にｎ電極９３が形成され、ｐ−ＧａＮコンタクト層９０の所定領域上にｐ電極９２が形成されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、半導体レーザ素子または発光ダイオード素子において、黄色や緑色などの青色より波長の長い長波長の光を発光させるためには、Ｉｎ組成の大きいＧａＩｎＮ発光層を形成する必要がある。
【０００５】
しかしながら、Ｉｎ組成の大きいＧａＩｎＮ発光層をＧａＮ層上に形成すると、ＧａＩｎＮ発光層の格子定数とＧａＮ層の格子定数とが大きく異なるため、良質なＧａＩｎＮ発光層を形成することが困難である。
【０００６】
そこで、ＧａＩｎＮ発光層とＧａＮ層との間にＧａＩｎＮ発光層の格子定数とＧａＮ層の格子定数との中間の格子定数を有する膜厚の大きいＧａＩｎＮ中間層を形成することが考えられる。
【０００７】
しかし、ＧａＮ層の上に膜厚の大きいＧａＩｎＮ中間層を形成するとクラックや転位が発生しやすくなる。このため、ＧａＩｎＮ中間層上に良好な結晶性を有するＧａＩｎＮ発光層を形成することは困難である。
【０００８】
本発明の目的は、単結晶の窒化物系半導体層上にその窒化物系半導体層よりも大きな格子定数を有し、かつ、良好な結晶性を有する能動素子領域が形成された窒化物系半導体素子およびその製造方法を提供することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段および発明の効果】
第１の発明に係る窒化物系半導体素子は、単結晶の窒化物系半導体からなる第１の層と、第１の層の格子定数よりも大きい格子定数を有する単結晶窒化物系半導体を含む発光層とがこの順で形成された窒化物系半導体素子であって、第１の層と発光層との間に、少なくとも一部が非単結晶の窒化物系半導体からなる第２クラッド層が形成されたものである。
【００１０】
【００１１】
本発明に係る窒化物系半導体素子においては、第２クラッド層の少なくとも一部が非単結晶状態の窒化物系半導体からなる。ここで、非単結晶状態とは非晶質の状態または多結晶の状態から構成されてもよい。特に、多結晶の状態から構成されることが好ましい。
【００１２】
この場合、第１の層と発光層との間に少なくとも一部が非単結晶状態の窒化物系半導体からなる第２クラッド層を設けることにより第１の層の格子定数と発光層における格子定数との差により発生する歪みが緩和されるので、第２クラッド層においてはクラックおよび転位の発生が防止される。この場合、第２クラッド層の膜厚を大きくしても第２クラッド層にクラックおよび転位が発生しない。
【００１３】
したがって、第２クラッド層上に良好な結晶性を有する発光層を形成することが可能となる。
【００１４】
第２クラッド層は、第１の層の格子定数よりも大きくかつ発光層の単結晶窒化物系半導体の格子定数よりも小さい格子定数を有してもよい。
【００１５】
なお、第２クラッド層は、異なる格子定数を有する複数の層から構成されてもよく、等しい格子定数を有する複数の層から構成されてもよい。
【００１６】
この場合、第１の層の格子定数と発光層内の層の第２の格子定数との差により発生する歪みが、第２クラッド層により緩和される。それにより、第２クラッド層上に良好な結晶性を有する能動素子領域を形成することが可能となる。
【００１７】
発光層は、単結晶窒化物系半導体からなる層を１または複数含んでもよい。
【００１８】
なお、発光層は、異なる格子定数を有する複数の単結晶窒化物系半導体の層を含んでもよく、等しい格子定数を有する複数の単結晶窒化物系半導体の層を含んでもよい。
【００１９】
また、第２クラッド層は、非単結晶の窒化物系半導体からなる非単結晶層と、単結晶の窒化物系半導体からなる単結晶層とを含み、非単結晶層と単結晶層とが積層された構造を有してもよい。
【００２０】
さらに、第２クラッド層は、非単結晶の窒化物系半導体からなる島状またはストライプ状の非単結晶層と、単結晶の窒化物系半導体からなる単結晶層とを含み、単結晶層間または単結晶層内に非単結晶層が分散配置された構造を有してもよい。
【００２１】
このような非単結晶を含む第２クラッド層においては、第１の層の格子定数と発光層の格子定数との差により発生する歪みが緩和される。したがって、第２クラッド層においては、クラックおよび転位の発生が防止される。その結果、第２クラッド層上に良好な結晶性を有する発光層を形成することが可能となる。
【００２２】
発光層は、第２クラッド層よりも小さなバンドギャップを有する層を１または複数含んでもよい。
【００２３】
第１の層は、Ｇａ_XＩｎ_1-XＮ（０＜Ｘ≦１）からなり、第２クラッド層は、Ｇａ_YＩｎ_1-YＮ（０≦Ｙ＜１）からなり、能動素子領域は、Ｇａ_ZＩｎ_1-ZＮ（０≦Ｚ＜１）からなり、Ｚ≦Ｙ＜Ｘであってもよい。
【００２４】
この場合、Ｇａ_YＩｎ_1-YＮからなる第２クラッド層は、Ｇａ_XＩｎ_1-XＮからなる第１の層の格子定数よりも大きく、かつ、Ｇａ_ZＩｎ_1-ZＮからなる発光層の層の格子定数よりも小さな格子定数を有する。
【００２５】
ここで、Ｇａ_XＩｎ_1-XＮからなる第１の層上に形成された第２クラッド層は、少なくとも一部が非単結晶状態のＧａ_YＩｎ_1-YＮから構成されている。この場合、第２クラッド層を第１の層と発光層との間に設けることにより、第１の層の格子定数と発光層の格子定数との差により発生する歪みが緩和される。それにより、Ｇａ_XＩｎ_1-XＮからなる第１の層上に形成されたＧａ_XＩｎ_1-XＮからなる第２クラッド層における、クラックおよび転位の発生を防止することが可能となる。
【００２６】
以上のように、第２クラッド層においてクラックおよび転位の発生が防止されることから、第２クラッド層の膜厚およびＩｎ組成を大きくすることが可能となる。その結果、第２クラッド層上にＩｎ組成の大きい良好な結晶性を有するＧａ_ZＩｎ_1-ZＮからなる発光層の層を形成することが可能となる。
【００２７】
この場合、クラッド層におけるクラックの発生を防止することが可能となり、発光層において良好な結晶性が実現される。
【００２８】
例えば、少なくとも一部が非単結晶状態のＧａＩｎＮからなるクラッド層を有する窒化物系半導体素子においては、クラッド層の膜厚およびＩｎ組成を大きくするとともにクラッド層におけるクラックの発生を防止することが可能となる。それにより、クラッド層上に良好な結晶性を有するＩｎ組成の大きい発光層を形成することができ、長波長の発光を得ることが可能となる。
【００２９】
第２の発明に係る窒化物系半導体素子の製造方法は、単結晶の窒化物系半導体からなる第１の層上に、少なくとも一部が非単結晶状態の窒化物系半導体からなる第２クラッド層を形成する工程と、第２クラッド層上に単結晶の窒化物系半導体からなる第１クラッド層を形成する工程と、第１クラッド層上に第１の層の格子定数よりも大きい格子定数を有する単結晶の窒化物系半導体を含む発光層を形成する工程とを含み、第２クラッド層は、第１の層のＩｎ組成と第１クラッド層のＩｎ組成との中間のＩｎ組成を有し、第１の層の格子定数よりも大きくかつ発光層の単結晶窒化物系半導体の格子定数よりも小さい格子定数を有する１または複数の層を含むものである。
【００３０】
本発明に係る窒化物系半導体素子の製造方法においては、第１の層上に少なくとも一部が非単結晶状態の窒化物系半導体からなる第２クラッド層を形成する。
【００３１】
この場合、第２クラッド層は少なくとも一部が非単結晶状態の窒化物系半導体からなるため、第１の層と発光層との間に第２クラッド層を設けることにより、第１の層の格子定数と発光層における格子定数との差により発生する歪みが緩和される。それにより、第２クラッド層においてクラックおよび転位の発生が防止される。この場合、第２クラッド層の膜厚を大きくしても第２クラッド層にクラックおよび転位が発生しない。
【００３２】
以上のように、上記の窒化物系半導体素子の製造方法によれば、第２クラッド層におけるクラックおよび転位の発生を防止することが可能となるため、第２クラッド層上に形成された発光層において良好な結晶性が実現できる。
【００３３】
第２クラッド層は、窒化物系半導体が非単結晶状態となる成長温度で成長させてもよい。この場合、第２クラッド層の成長温度を低くすることにより、非単結晶状態の窒化物系半導体からなる第２クラッド層を容易に形成することができる。したがって、この方法によれば、第２クラッド層におけるクラックの発生を容易に防止することができる。
【００３４】
【発明の実施の形態】
以下においては、本発明に係る半導体素子の一例として、半導体レーザ素子について説明する。
【００３５】
図１は本発明の第１の実施の形態における半導体レーザ素子を示す模式的な斜視図である。
【００３６】
図１に示すように、サファイア（０００１）面基板１上に膜厚１５ｎｍのＡｌＧａＮバッファ層２が形成されている。このバッファ層２上に膜厚０．５μｍのアンドープＧａＮ層３、膜厚４μｍのｎ−ＧａＮコンタクト層４、膜厚１μｍのｎ−ＧａＩｎＮ第２クラッド層５、膜厚５０ｎｍのｎ−ＧａＩｎＮ第１クラッド層６および多重量子井戸（ＭＱＷ）構造を有するＧａＩｎＮ発光層７が形成されている。
【００３７】
さらに、ＧａＩｎＮ発光層７上に、膜厚４０ｎｍのｐ−ＧａＩｎＮ第１クラッド層８、膜厚２０ｎｍのＧａＩｎＮ層と膜厚２０ｎｍのＧａＮ層との多層膜からなる膜厚０．３μｍのｐ−第２クラッド層９が形成されている。
【００３８】
また、ｐ−第２クラッド層９上には幅２μｍのストライプ形状の電流通路１１を挟んで膜厚０．２μｍのシリコン窒化物からなる電流狭窄層１２が形成されている。さらに、電流通路１１および電流狭窄層１２の上部にはｐ−キャップ層１０が形成されている。また、ｐ−キャップ層１０からｎ−ＧａＩｎＮ第２クラッド層５までが幅８μｍのメサ状に形成されており、ｐ−キャップ層１０上にｐ電極１３が形成されている。
【００３９】
また、ｎ−ＧａＮコンタクト層４の上面はメサエッチングにより露出しており、露出した表面上にｎ電極１４が形成されている。
【００４０】
本実施の形態の半導体レーザ素子１００においては、ｎ−第２クラッド層５が、非単結晶状態のＧａＩｎＮから形成されている。
【００４１】
なお、上記のＧａＩｎＮ発光層７は、膜厚４ｎｍ程度のＧａ_0.4Ｉｎ_0.6Ｎ障壁層と膜厚４ｎｍ程度のＧａ_0.3Ｉｎ_0.7Ｎ井戸層とが交互に積層されてなる。この場合、Ｇａ_0.4Ｉｎ_0.6Ｎ障壁層は５層であり、Ｇａ_0.3Ｉｎ_0.7Ｎ井戸層は４層である。
【００４２】
図２〜図６は、図１に示す半導体レーザ素子の製造工程を示す模式的な工程断面図である。
【００４３】
図１の半導体レーザ素子１００の作製方法を図２〜図６を用いて説明する。
半導体レーザ素子１００の作製時には、まず、図２に示すように、基板温度を６００℃に保ち、サファイア（０００１）面基板１上にＡｌＧａＮからなるバッファ層２を形成する。次に、基板温度を１１５０℃に保ちアンドープＧａＮからなるアンドープＧａＮ層３およびＳｉドープＧａＮからなるｎ−ＧａＮコンタクト層４を形成する。
【００４４】
さらに、基板温度を６００℃に保ち、ＳｉドープＧａ_0.7Ｉｎ_0.3Ｎからなるｎ−ＧａＩｎＮ第２クラッド層５を形成する。その後、基板温度を８８０℃に保ち、ＳｉドープＧａ_0.5Ｉｎ_0.5Ｎからなるｎ−ＧａＩｎＮ第１クラッド層６を形成する。さらに、基板温度を８５０℃に保ち、アンドープＧａ_0.4Ｉｎ_0.6ＮからなるＧａＩｎＮ障壁層およびアンドープＧａ _0.3 Ｉｎ _0.7 ＮからなるＧａＩｎＮ井戸層とを交互に積層し、５層のＧａＩｎＮ障壁層および４層のＧａＩｎＮ井戸層の多重量子井戸（ＭＱＷ）構造を有するＧａＩｎＮ発光層７を形成する。
【００４５】
最後に基板温度を８８０℃に保ち、アンドープＧａ_0.5Ｉｎ_0.5Ｎからなるｐ−ＧａＩｎＮ第１クラッド層８およびアンドープＧａ_0.5Ｉｎ_0.5ＮからなるＧａＩｎＮ層とＭｇドープＧａＮからなるＧａＮ層との多層膜からなるｐ−第２クラッド層９を順に成長させる。
【００４６】
続いて、図３に示すように、ｐ−第２クラッド層９の全面に、例えばＥＣＲ（電子サイクロトロン共鳴）プラズマＣＶＤ法により、厚さ０．２μｍ程度のＳｉ₃Ｎ₄等のシリコン窒化物からなる電流狭窄層１２を形成する。次に、フォトリソグラフィおよびＢＨＦ（緩衝フッ酸）によるウェットエッチングで、幅２μｍ程度のストライプ状の領域のシリコン窒化物を除去し、ｐ−第２クラッド層９を露出させる。それにより、ストライプ状の電流通路１１が形成される。
【００４７】
次に、図４に示すように、例えば７６Ｔｏｒｒの減圧ＭＯＶＰＥ法により、電流狭窄層１２上およびストライプ状の電流通路１１内のｐ−第２クラッド層９上にｐ−ＧａＮからなるｐ−キャップ層１０を形成する。この際、ｐ−第２クラッド層９の露出した部分に選択的にｐ−ＧａＮが成長するように、成長条件を適切に調整する。例えば、基板温度を約１００℃上昇させ、ＮＨ₃の量を約３倍に増加させる。
【００４８】
このような条件下で成長を行うと、ｐ−第２クラッド層９の露出した部分にｐ−ＧａＮが成長し、電流通路１１あたる部分が形成される。一方、電流狭窄層１２上にはｐ−ＧａＮは結晶成長しない。引続き結晶成長を継続すると、ｐ−ＧａＮが電流通路１１上に成長するとともに、電流通路１１上に成長したｐ−ＧａＮの側面から横方向に結晶成長が開始し、電流狭窄層１２上にｐ−ＧａＮからなるｐ−キャップ層１０が形成される。例えば、電流通路１１にあたる部分を中心として幅約８μｍでｐ−キャップ層１０が形成される。
【００４９】
この結果、ｐ−第２クラッド層９とｐ−キャップ層１０とは幅２μｍ程度のストライプ状の電流通路１１で接続され、ｐ−第２クラッド層９とｐ−キャップ層１０との間に、電流通路１１の部分を除いて、厚さ０．２μｍ程度のＳｉ₃Ｎ₄からなる電流狭窄層１２が形成される。ｐ―キャップ層１０の最終的な膜厚は、約１μｍである。
【００５０】
次に、図５に示すように、メタルマスクおよびＥＢ（電子ビーム）蒸着法を用いて、キャップ層１０を含む領域に、例えば幅１０μｍ程度のストライプ形状で厚さ３〜５μｍのＮｉ膜を蒸着する。このＮｉ膜をマスクとして用い、例えばＣＦ₄をエッチングガスとして用い、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）法により、ｎ−ＧａＮコンタクト層４が露出するまでｐ−キャップ層１０からｎ−ＧａＮコンタクト層４までをメサ状にエッチングする。その後、マスクとして用いたＮｉ膜を塩酸等を用いて除去する。
【００５１】
さらに、図６に示すように、Ｓｉ₃Ｎ₄等の絶縁膜１５をＥＣＲプラズマＣＶＤ法、フォトリソグラフィおよびエッチングによりｐ−キャップ層１０からｎ−ＧａＮコンタクト層４までの側面および電極形成領域を除いたｎ−ＧａＮコンタクト層４の上面に形成する。そして、ｎ−ＧａＮコンタクト層４の露出した表面上に、例えばＡｕ／Ｔｉからなるｎ電極１４を形成し、ｐ−キャップ層１０上にＡｕ／Ｐｄからなるｐ電極１３を形成する。
【００５２】
最後に、例えばへき開により、ストライプ状の電流通路１１に沿った方向に共振器長３００μｍの共振器構造を形成する。それにより、図１の構造を有する半導体レーザ素子１００が形成される。
【００５３】
なお、半導体レーザ素子１００の共振器端面にＳｉ₃Ｎ₄、ＳｉＯ₂、Ａｌ₂Ｏ₃、ＴｉＯ₂等を積層した誘電体多層膜等の端面高反射膜や低反射膜を形成してもよい。
【００５４】
各層２〜１０の組成、膜厚および成長時の基板温度を表１に示す。
【００５５】
【表１】

【００５６】
上記の各層２〜１０は大気圧のＭＯＶＰＥ法（有機金属化学的気相成長法）により成長させる。この場合、原料ガスとして、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡｌ）、トリメチルガリウム（ＴＭＧａ）、トリメチルインジウム（ＴＭＩｎ）、ＮＨ₃、シランガス（ＳｉＨ₄）、シクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ₂Ｍｇ）を用いる。ここでは、ｎ型ドーパントとしてＳｉを用いており、ｐ型ドーパントとしてＭｇを用いている。
【００５７】
表１に示すように、本実施の形態においては、Ｇａ_0.7Ｉｎ_0.3Ｎからなるｎ−ＧａＩｎＮ第２クラッド層５を６００℃と低い基板温度で成長させる。このように成長時の基板温度を低くすることにより、非単結晶状態のｎ−Ｇａ_0.7Ｉｎ_0.3Ｎが成長する。したがって、形成されたｎ−ＧａＩｎＮ第２クラッド層５は、全体が非単結晶状態のｎ−Ｇａ_0.7Ｉｎ_0.3Ｎから構成される。
【００５８】
本実施の形態において、ｎ−ＧａＩｎＮ第２クラッド層５以外の各層２〜４，６〜１０は、全体が単結晶状態の窒化物系半導体から構成される。
【００５９】
なお、上記においては、ｎ−ＧａＩｎＮ第２クラッド層５の成長時の基板温度を６００℃としているが、ｎ−ＧａＩｎＮ第２クラッド層５の成長時の基板温度は６００℃に限定されるものではない。ｎ−ＧａＩｎＮ第２クラッド層５の成長時の基板温度は、非単結晶状態のＧａＩｎＮが成長する温度、すなわち５００〜７００℃の範囲内であればよい。
【００６０】
この場合の非単結晶状態とは、多結晶状態またはアモルファス状態のことである。なお、多結晶状態とは、結晶の〈０００１〉方向が揃っていない部分が存在する結晶状態のことである。これに対して、単結晶状態とは、結晶の〈０００１〉方向がほぼ揃っている結晶状態のことである。
【００６１】
上記のように、ｎ−ＧａＮコンタクト層４とｎ−ＧａＩｎＮ第１クラッド層６との間にｎ−ＧａＮコンタクト層４のＩｎ組成とｎ−ＧａＩｎＮ第１クラッド層６のＩｎ組成との中間のＩｎ組成を有し、かつ、非単結晶状態のｎ−ＧａＩｎＮ第２クラッド層５を設けることにより、ｎ−ＧａＮコンタクト層４の格子定数と、ｎ−ＧａＩｎＮ第１クラッド層６の格子定数またはＧａＩｎＮ発光層７の格子定数との差により発生する歪が緩和される。この場合、ｎ−ＧａＩｎＮ第２クラッド層５の膜厚を１μｍと大きくしてもクラックが発生しない。それにより、ｎ−ＧａＩｎＮ第２クラッド層５上に良好な結晶性を有するＩｎ組成の大きいｎ−ＧａＩｎＮ第１クラッド層６およびＧａＩｎＮ発光層７を形成することが可能となる。
【００６２】
以上のようなＩｎ組成が大きくかつ良好な結晶性を有するＧａＩｎＮ発光層７を有する半導体レーザ素子１００においては、長波長の発光を得ることが可能となる。
【００６３】
なお、上記のｎ−ＧａＩｎＮ第２クラッド層５は、全体が非単結晶状態のＧａ_0.7Ｉｎ_0.3Ｎからなる多結晶ｎ−ＧａＩｎＮ層から構成されているが、多結晶ｎ−ＧａＩｎＮ層の構造はこれに限定されるものではない。
【００６４】
例えば、Ｉｎ組成が段階的に増加する多結晶ｎ−ＧａＩｎＮ層の多層構造であってもよい。一例としてｎ−ＧａＮコンタクト層側から厚みが０．２μｍの多結晶Ｇａ_0.9Ｉｎ_0.1Ｎ、厚みが０．２μｍの多結晶Ｇａ_0.8Ｉｎ_0.2Ｎ、厚みが０．２μｍの多結晶Ｇａ_0.7Ｉｎ_0.3Ｎ、厚みが０．２μｍの多結晶Ｇａ_0.6Ｉｎ_0.4Ｎ、厚みが０．２μｍの多結晶Ｇａ_0.5Ｉｎ_0.5Ｎの５層構造であってもよい。
【００６５】
あるいは、ｎ−ＧａＮコンタクト層側からｎ−ＧａＩｎＮ第１クラッド層側へ、徐々に（連続的に）多結晶ＧａＩｎＮのＩｎ組成が増加する構造であってもよい。一例として多結晶ＧａＮからＧａ_0.5Ｉｎ_0.5Ｎへ徐々に（連続的に）Ｉｎ組成が増加する構造であってもよい。
【００６６】
本発明の第２の実施の形態における半導体レーザ素子は、図１のｎ−ＧａＩｎＮ第２クラッド層５の代わりに図７に示す構造を有するｎ−ＧａＩｎＮ第２クラッド層２０が形成された点を除いて第１の半導体レーザ素子１００と同様の構造を有する。
【００６７】
図７に示すように、ｎ−ＧａＩｎＮ第２クラッド層２０は、膜厚５０ｎｍ程度の非単結晶状態のＳｉドープＧａ_0.5Ｉｎ_0.5Ｎからなる多結晶ｎ−ＧａＩｎＮ層２０ａと、膜厚５０ｎｍ程度の単結晶状態のＳｉドープＧａ_0.5Ｉｎ_0.5Ｎからなる単結晶ｎ−ＧａＩｎＮ層２０ｂとが交互に積層されてなる。例えばこの場合においては、多結晶ｎ−ＧａＩｎＮ層２０ａと単結晶ｎ−ＧａＩｎＮ層２０ｂとが１０周期で積層されている。
【００６８】
このように、本実施の形態のｎ−ＧａＩｎＮ第２クラッド層２０は、全体が非単結晶状態のＧａＩｎＮからなる第１の実施の形態のｎ−ＧａＩｎＮ第２クラッド層５とは異なり、一部が非単結晶状態のＧａＩｎＮから構成される。
【００６９】
本実施の形態の半導体レーザ素子の製造方法は、ｎ−ＧａＩｎＮ第２クラッド層２０の形成方法のみが第１の実施の形態の半導体レーザ素子の製造方法と異なる。ｎ−ＧａＩｎＮ第２クラッド層２０は、以下の方法により形成される。
【００７０】
ｎ−ＧａＩｎＮ第２クラッド層２０の形成時には、まず基板温度を６００℃に保ち、膜厚５０ｎｍのＳｉドープＧａ_0.5Ｉｎ_0.5Ｎを成長させる。このように成長時の基板温度を低くすることにより、多結晶状態のＳｉドープＧａ_0.5Ｉｎ_0.5Ｎからなる多結晶ｎ−ＧａＩｎＮ層が２０ａが形成される。
【００７１】
次に、基板温度を８８０℃に保ち、膜厚５０ｎｍ程度のＳｉドープＧａ_0.5Ｉｎ_0.5Ｎを成長させる。このように成長時の基板温度を高くすることにより、単結晶状態のＳｉドープＧａ_0.5Ｉｎ_0.5Ｎからなる単結晶ｎ−ＧａＩｎＮ層が２０ｂが形成される。
【００７２】
以上のような多結晶ｎ−ＧａＩｎＮ層２０ａの形成工程および単結晶ｎ−ＧａＩｎＮ層２０ｂの形成工程を交互にそれぞれ１０回繰り返して行う。それにより、多結晶ｎ−ＧａＩｎＮ層２０ａと単結晶ｎ−ＧａＩｎＮ層２０ｂとが１０周期積層されてなる膜厚１μｍのｎ−ＧａＩｎＮ第２クラッド層２０が形成される。
【００７３】
上記のように、ｎ−ＧａＮコンタクト層４とｎ−ＧａＩｎＮ第１クラッド層６との間にｎ−ＧａＮコンタクト層４のＩｎ組成とｎ−ＧａＩｎＮ第１クラッド層６のＩｎ組成との中間のＩｎ組成を有し、かつ、多結晶ｎ−ＧａＩｎＮ層２０ａを含むｎ−ＧａＩｎＮ第２クラッド層２０を設けることにより、ｎ−ＧａＮコンタクト層４の格子定数と、ｎ―ＧａＩｎＮ第１クラッド層６の格子定数またはＧａＩｎＮ発光層７の格子定数との差により発生する歪が緩和される。この場合、ｎ−ＧａＩｎＮ第２クラッド層５の膜厚を１μｍと大きくしても、クラックが発生しない。それにより、ｎ−ＧａＩｎＮ第２クラッド層５上に良好な結晶性を有するＩｎ組成の大きいｎ−ＧａＩｎＮ第１クラッド層６およびＧａＩｎＮ発光層７を形成することが可能となる。
【００７４】
以上のようなＩｎ組成が大きくかつ良好な結晶性を有するＧａＩｎＮ発光層７を有する半導体レーザ素子１００においては、長波長の発光を得ることが可能となる。
【００７５】
なお、上記のｎ−ＧａＩｎＮ第２クラッド層２０は、多結晶ｎ−ＧａＩｎＮ層２０ａと単結晶ｎ−ＧａＩｎＮ層２０ｂとがこの順で積層されているが、積層の順序はこれに限定されるものではない。単結晶ｎ−ＧａＩｎＮ層２０ｂと多結晶ｎ−ＧａＩｎＮ層２０ａとがこの順で積層されたｎ−ＧａＩｎＮ第２クラッド層を形成した場合においても、上記と同様の効果が得られる。
【００７６】
本発明の第３の実施の形態における半導体レーザ素子は、図１のｎ−ＧａＩｎＮ第２クラッド層５の代わりに、図８に示すｎ−ＧａＩｎＮ第２クラッド層２１が形成された点を除いて第１の実施の形態の半導体レーザ素子１００と同様の構造を有する。
【００７７】
図８に示すように、ｎ−ＧａＩｎＮ第２クラッド層２１は、ｎ−ＧａＮコンタクト層４上に形成された複数のストライプ状の多結晶ｎ−ＧａＩｎＮ層２１ａとこの多結晶ｎ−ＧａＩｎＮ層２１ａの間で露出したｎ−ＧａＮコンタクト層４上に形成された単結晶ｎ−ＧａＩｎＮ層２１ｂとから構成される。
【００７８】
この場合、多結晶ｎ−ＧａＩｎＮ層２１ａは、膜厚１μｍ程度の多結晶状態のＳｉドープＧａ_0.5Ｉｎ_0.5Ｎからなる。また、単結晶ｎ−ＧａＩｎＮ層２１ｂは、膜厚１μｍ程度の単結晶状態のＳｉドープＧａ_0.5Ｉｎ_0.5Ｎからなる。
【００７９】
このように、第３の実施の形態においては、ｎ−ＧａＩｎＮ第２クラッド層２１は、一部が非単結晶状態のＧａＩｎＮから構成される。
【００８０】
このような第３の実施の形態の半導体レーザ素子は、ｎ−ＧａＩｎＮ第２クラッド層２１の形成方法のみが第１の実施の形態の半導体レーザ素子の製造方法と異なる。ｎ−ＧａＩｎＮ第２クラッド層２１は、以下の方法により形成される。
【００８１】
ｎ−ＧａＩｎＮ第２クラッド層２１の形成時には、まず基板温度を６００℃に保ち、ｎ−ＧａＮコンタクト層４上に膜厚１μｍ程度のＳｉドープＧａ_0.5Ｉｎ_0.5Ｎを成長させる。このように成長時の基板温度を低くすることにより、多結晶状態のＳｉドープＧａ_0.5Ｉｎ_0.5Ｎからなる多結晶ｎ−ＧａＩｎＮ層２１ａがｎ−ＧａＮコンタクト層４上に形成される。
【００８２】
次に、メタルマスクおよびＥＢ蒸着法とを用いて上記の多結晶ｎ−ＧａＩｎＮ２１ａの所定領域上に、例えば幅２０μｍ程度のストライプ形状で厚さが３〜５μｍのＷ（タングステン）を蒸着する。このＷをマスクとして用いて、例えばＣＦ₄をエッチングガスとして用い、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）法によりマスクが形成されていない領域の多結晶ｎ−ＧａＩｎＮ２１ａをエッチングし、ｎ−ＧａＮコンタクト層４を露出させる。このようにして、ｎ−ＧａＮコンタクト層４の所定領域上に、ストライプ形状を有する複数の多結晶ｎ−ＧａＩｎＮ層２１ａを形成する。
【００８３】
上記の後、基板温度を１１５０℃に保ち、ストライプ状の多結晶ｎ−ＧａＩｎＮ層２１ａ間で露出したｎ−ＧａＮコンタクト層４上に、膜厚１μｍ程度のＳｉドープＧａ_0.5Ｉｎ_0.5Ｎを選択的に成長させる。このように成長時の基板温度を高くすることにより、多結晶ｎ−ＧａＩｎＮ層２１ａ間で露出したｎ−ＧａＮコンタクト層４上に全体が単結晶状態のＳｉドープＧａ_0.5Ｉｎ_0.5Ｎからなる単結晶ｎ−ＧａＩｎＮ層２１ｂが形成される。
【００８４】
以上のようにして、多結晶ｎ−ＧａＩｎＮ層２１ａと単結晶ｎ−ＧａＩｎＮ層２１ｂとから構成されるｎ−ＧａＩｎＮ第２クラッド層２１を形成する。ｎ−ＧａＩｎＮ第２クラッド層２１の表面がほぼ平坦となった後、マスクとして用いたＷを塩酸等を用いて除去する。
【００８５】
上記のように、ｎ−ＧａＮコンタクト層４とｎ−ＧａＩｎＮ第１クラッド層６との間に、ｎ−ＧａＮコンタクト層４のＩｎ組成とｎ―ＧａＩｎＮ第１クラッド層６のＩｎ組成との中間のＩｎ組成を有し、かつ、多結晶ｎ−ＧａＩｎＮ層２１ａを含むｎ−ＧａＩｎＮ第２クラッド層２１を設けることにより、ｎ−ＧａＮコンタクト層４の格子定数と、ｎ−ＧａＩｎＮ第１クラッド層６の格子定数またはＧａＩｎＮ発光層７の格子定数との差により発生する歪が緩和される。この場合、ｎ−ＧａＩｎＮ第２クラッド層５の膜厚を１μｍと大きくしても、クラックが発生しない。それにより、ｎ−ＧａＩｎＮ第２クラッド層５上に良好な結晶性を有するＩｎ組成の大きいｎ−ＧａＩｎＮ第１クラッド層６およびＧａＩｎＮ発光層７を順に形成することが可能となる。
【００８６】
以上のようなＩｎ組成が大きくかつ良好な結晶性を有するＧａＩｎＮ発光層７の半導体レーザ素子１００においては、長波長の発光を得ることが可能となる。
【００８７】
なお、上記においては、単結晶ｎ−ＧａＩｎＮ層２１ｂ間にストライプ状の多結晶ｎ−ＧａＩｎＮ２１ａが形成されたｎ―ＧａＩｎＮ第２クラッド層２１を形成する場合について説明したが、多結晶ｎ−ＧａＩｎＮ層の形状は任意の形状でもよく、例えば単結晶ｎ−ＧａＩｎＮ層に島状の多結晶ｎ−ＧａＩｎＮ層が形成されてなるｎ−ＧａＩｎＮ第２クラッド層を形成してもよい。この場合においても、上記と同様の効果が得られる。
【００８８】
また、基板の材料はサファイアに限定されるものではなく、スピネルなどの絶縁体基板、ＧａＮ、ＧａＡｓ、ＧａＰおよびＩｎＰなどのIII −Ｖ族半導体基板、Ｓｉ、ＳｉＣなどを用いてもよい。あるいは、基板の材料は、ＭＢ２（ＭはＡｌ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｎ等の金属元素）等からなるホウ素化合物基板を用いてもよい。
【００８９】
さらに、発光層およびクラッド層の材料はＧａＩｎＮに限定されるものではなく、ＩｎＮ、ＧａＩｎＴｌＮ、ＧａＩｎＮＰ、ＧａＩｎＡｓＮ等のＧａＮよりバンドギャップの小さい素子において上記と同様の効果が得られる。加えて、ｐ−コンタクト層は、ｐ−ＧａＮに限定されるものでなくｐ−ＧａＩｎＮを用いてもよい。
【００９０】
本発明は、第１〜第３の実施の形態の半導体レーザ素子以外に、面発光型半導体レーザ素子にも適用可能である。また、本発明は半導体レーザ素子以外の半導体素子、すなわち発光ダイオード素子等にも適用可能である。
【００９１】
なお、第１〜第３の実施の形態の半導体素子においては、基板上に先にｎ型層を形成しているが、基板上にｐ型層を先に形成してもよい。
【００９２】
また、上記の第１〜第３の実施の形態の半導体素子の各層は、上記以外の結晶成長方法でも成長が可能である。例えば、ＨＶＰＥ法（ハライド気相エピタキシャル成長法）や、ＴＭＡｌ、ＴＭＧａ、ＴＭＩｎ、ＮＨ₃、ＳｉＨ₄、Ｃｐ₂Ｍｇを原料ガスとして用いるガスソースＭＢＥ法（分子線エピタキシャル成長法）によっても成長可能である。また、各層を構成する半導体の結晶構造はウルツ鉱型構造であってもよく、あるいは閃亜鉛鉱型構造であってもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態における半導体レーザ素子を示す模式的な斜視図である。
【図２】図１の半導体レーザ素子の製造方法を示す模式的な工程断面図である。
【図３】図１の半導体レーザ素子の製造方法を示す模式的な工程断面図である。
【図４】図１の半導体レーザ素子の製造工程を示す模式的な工程断面図である。
【図５】図１の半導体レーザ素子の製造工程を示す模式的な工程断面図である。
【図６】図１の半導体レーザ素子の製造工程を示す模式的な工程断面図である。
【図７】本発明の第２の実施の形態における半導体レーザ素子の一部を示す模式的な断面図である。
【図８】本発明の第３の実施の形態における半導体レーザ素子の一部を示す模式的な断面図である。
【図９】従来の半導体レーザ素子を示す模式的な断面図である。
【符号の説明】
１サファイア基板
２バッファ層
３アンドープＧａＮ層
４ｎ−ＧａＮコンタクト層
５ｎ−ＧａＩｎＮ第２クラッド層
６ｎ−ＧａＩｎＮ第１クラッド層
７ＧａＩｎＮ発光層
８ｐ−ＧａＩｎＮ第１クラッド層
９ｐ−ＧａＩｎＮ第２クラッド層
１０ｐ−ＧａＮキャップ層
１１電流通路
１２電流狭窄層
１３ｐ電極
１４ｎ電極
１５絶縁膜
１００半導体レーザ素子[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
  The present invention relates to a light emitting diode device and a semiconductor laser device using a group III nitride semiconductor (hereinafter referred to as a nitride semiconductor).Child, etcThe present invention relates to a semiconductor element.
[0002]
[Prior art]
  In recent years, research and development of semiconductor elements using nitride-based semiconductors such as GaN have been promoted.
[0003]
  FIG. 9 is a schematic cross-sectional view showing an example of a conventional nitride-based semiconductor laser device. As shown in FIG. 9, in the semiconductor laser device, a buffer layer 82, an undoped GaN layer 83, an n-GaN contact layer 84, an n-AlGaN cladding layer 85, an n-GaN light guide layer 86, light emission on a sapphire substrate 81. A layer 87 and a p-GaN light guide layer 88 are sequentially formed. A p-GaN cladding layer 89 is formed in a ridge shape on a region having a predetermined width of the p-GaN light guide layer 88, and a current confinement layer 91 is formed on the side surface of the ridge-shaped p-AlGaN cladding layer 89. Yes. Further, a p-GaN contact layer 90 is formed on the upper surface of the p-AlGaN cladding layer 89 and the current confinement layer 91. A partial region from the p-GaN contact layer 90 to the n-GaN contact layer 84 is removed, and the n-GaN contact layer 84 is exposed to form a mesa shape. An n electrode 93 is formed on a predetermined region of the exposed n-GaN contact layer 84, and a p electrode 92 is formed on the predetermined region of the p-GaN contact layer 90.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
  By the way, in order to emit long wavelength light having a wavelength longer than that of blue such as yellow or green in a semiconductor laser element or light emitting diode element, it is necessary to form a GaInN light emitting layer having a large In composition.
[0005]
  However, when a GaInN light emitting layer having a large In composition is formed on a GaN layer, it is difficult to form a good quality GaInN light emitting layer because the lattice constant of the GaInN light emitting layer and the lattice constant of the GaN layer are greatly different.
[0006]
  Therefore, it is conceivable to form a GaInN intermediate layer with a large film thickness having a lattice constant between the lattice constant of the GaInN light emitting layer and that of the GaN layer between the GaInN light emitting layer and the GaN layer.
[0007]
  However, when a GaInN intermediate layer having a large thickness is formed on the GaN layer, cracks and dislocations are likely to occur. For this reason, it is difficult to form a GaInN light-emitting layer having good crystallinity on the GaInN intermediate layer.
[0008]
  An object of the present invention is to provide a nitride semiconductor in which an active element region having a lattice constant larger than that of the nitride semiconductor layer and having good crystallinity is formed on a single crystal nitride semiconductor layer. It is providing a device and a method for manufacturing the device.
[0009]
[Means for Solving the Problems and Effects of the Invention]
  A nitride semiconductor device according to a first invention includes a first layer made of a single crystal nitride semiconductor and a single crystal nitride semiconductor having a lattice constant larger than the lattice constant of the first layer.Luminescent layerAre nitride-based semiconductor elements formed in this order, and the first layer andLuminescent layerAnd at least a part of the non-single crystal nitride semiconductorSecond cladding layerIs formed.
[0010]
[0011]
  BookIn the nitride semiconductor device according to the invention,Second cladding layerAt least a part of the non-single-crystal nitride semiconductor. Here, the non-single crystal state may be composed of an amorphous state or a polycrystalline state. In particular, it is preferably composed of a polycrystalline state.
[0012]
  In this case, the first layerLuminescent layerAnd at least a part of the non-single crystal nitride semiconductorSecond cladding layerBy providing the lattice constant of the first layer andLuminescent layerSince the distortion caused by the difference from the lattice constant in is relaxed,Second cladding layerIn this case, generation of cracks and dislocations is prevented. in this case,Second cladding layerEven if the film thickness is increasedSecond cladding layerNo cracks or dislocations.
[0013]
  Therefore,Second cladding layerHas good crystallinity onLuminescent layerCan be formed.
[0014]
  Second cladding layerIs greater than the lattice constant of the first layer andLuminescent layerSmaller than the lattice constant of single crystal nitride semiconductorsCharacterYou may have a child constant.
[0015]
  In addition,Second cladding layerMay be composed of a plurality of layers having different lattice constants, or may be composed of a plurality of layers having equal lattice constants.
[0016]
  In this case, the lattice constant of the first layer andLuminescent layerThe strain generated by the difference from the second lattice constant of the inner layer isSecond cladding layerIs alleviated by Thereby,Second cladding layerAn active element region having good crystallinity can be formed thereon.
[0017]
  Luminescent layerMay include one or more layers made of a single crystal nitride-based semiconductor.
[0018]
  In addition,Luminescent layerMay include a plurality of single crystal nitride semiconductor layers having different lattice constants, or may include a plurality of single crystal nitride semiconductor layers having equal lattice constants.
[0019]
  Also,Second cladding layerHas a structure in which a non-single crystal layer made of a non-single crystal nitride semiconductor and a single crystal layer made of a single crystal nitride semiconductor are laminated. May be.
[0020]
  further,Second cladding layerIncludes an island-shaped or striped non-single-crystal layer made of a non-single-crystal nitride semiconductor and a single-crystal layer made of a single-crystal nitride-based semiconductor, It may have a structure in which single crystal layers are dispersedly arranged.
[0021]
  Including such non-single crystalsSecond cladding layerIn the lattice constant of the first layer andLuminescent layerThe distortion generated by the difference from the lattice constant of is reduced. Therefore,Second cladding layerIn, cracks and dislocations are prevented from occurring. as a result,Second cladding layerHas good crystallinity onLuminescent layerCan be formed.
[0022]
  Luminescent layerIsSecond cladding layerOne or more layers having smaller band gaps may be included.
[0023]
  The first layer is Ga_XIn_1-XN (0 <X ≦ 1),Second cladding layerIs Ga_YIn_1-YN (0 ≦ Y <1), and the active element region is Ga_ZIn_1-ZN (0 ≦ Z <1), and Z ≦ Y <X may be satisfied.
[0024]
  In this case, Ga_YIn_1-YConsisting of NSecond cladding layerIs Ga_XIn_1-XGreater than the lattice constant of the first layer of N and Ga_ZIn_1-ZConsisting of NLuminescent layerThe lattice constant is smaller than the lattice constant of the layer.
[0025]
  Where Ga_XIn_1-XFormed on the first layer of NSecond cladding layerIs at least partially non-single crystalline Ga_YIn_1-YN. in this case,Second cladding layerWith the first layerLuminescent layerBetween the lattice constant of the first layer andLuminescent layerThe distortion generated by the difference from the lattice constant of is reduced. Thereby, Ga_XIn_1-XGa formed on the first layer of N_XIn_1-XConsisting of NSecond cladding layerIt is possible to prevent the occurrence of cracks and dislocations.
[0026]
  As aboveSecond cladding layerIn this case, cracks and dislocations are prevented from occurring inSecond cladding layerIt becomes possible to increase the film thickness and the In composition. as a result,Second cladding layerGa having good crystallinity with a large In composition._ZIn_1-ZConsisting of NLuminescent layerIt becomes possible to form a layer of.
[0027]
  ThisIn this case, it becomes possible to prevent the occurrence of cracks in the cladding layer, and good crystallinity is realized in the light emitting layer.
[0028]
  For example, in a nitride-based semiconductor device having a cladding layer made of GaInN that is at least partially in a non-single crystal state, it is possible to increase the thickness of the cladding layer and the In composition and to prevent cracks in the cladding layer. It becomes. As a result, a light emitting layer having good crystallinity and a large In composition can be formed on the cladding layer, and light having a long wavelength can be obtained.
[0029]
  According to a second aspect of the present invention, there is provided a method of manufacturing a nitride semiconductor device comprising at least a part of a non-single crystal nitride semiconductor on a first layer made of a single crystal nitride semiconductor.Second cladding layerForming a step;Forming a first cladding layer made of a single crystal nitride-based semiconductor on the second cladding layer, and the first cladding layerIncluding a single crystal nitride-based semiconductor having a lattice constant larger than that of the first layerLuminescent layerIncluding the step of formingThus, the second cladding layer has an In composition intermediate between the In composition of the first layer and the In composition of the first cladding layer, and is larger than the lattice constant of the first layer and single crystal nitrided of the light emitting layer Including one or more layers having a lattice constant smaller than that of a physical semiconductorIs.
[0030]
  In the method for manufacturing a nitride-based semiconductor device according to the present invention, at least a part of the nitride-based semiconductor in a non-single-crystal state is formed on the first layer.Second cladding layerForm.
[0031]
  in this case,Second cladding layerIs at least partially made of a non-single-crystal nitride semiconductor,Luminescent layerBetweenSecond cladding layerBy providing the lattice constant of the first layer andLuminescent layerThe strain generated due to the difference from the lattice constant at is relaxed. Thereby,Second cladding layerCracks and dislocations are prevented. in this case,Second cladding layerEven if the film thickness is increasedSecond cladding layerNo cracks or dislocations.
[0032]
  As described above, according to the method for manufacturing the nitride-based semiconductor element described above,Second cladding layerSince it is possible to prevent the occurrence of cracks and dislocations inSecond cladding layerFormed onLuminescent layerGood crystallinity can be realized.
[0033]
  Second cladding layerMay be grown at a growth temperature at which the nitride-based semiconductor is in a non-single crystal state. in this case,Second cladding layerMade of non-single crystalline nitride semiconductor by lowering the growth temperature ofSecond cladding layerCan be easily formed. Therefore, according to this method,Second cladding layerThe occurrence of cracks in can be easily prevented.
[0034]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
  In the following, a semiconductor laser element will be described as an example of the semiconductor element according to the present invention.
[0035]
  FIG. 1 is a schematic perspective view showing a semiconductor laser device according to the first embodiment of the present invention.
[0036]
  As shown in FIG. 1, an AlGaN buffer layer 2 having a film thickness of 15 nm is formed on a sapphire (0001) surface substrate 1. On this buffer layer 2, an undoped GaN layer 3 having a thickness of 0.5 μm, an n-GaN contact layer 4 having a thickness of 4 μm, an n-GaInN second cladding layer 5 having a thickness of 1 μm, an n-GaInN first having a thickness of 50 nm. A GaInN light emitting layer 7 having a cladding layer 6 and a multiple quantum well (MQW) structure is formed.
[0037]
  Further, on the GaInN light-emitting layer 7, a p-GaInN first cladding layer 8 having a thickness of 40 nm, a p-th film having a thickness of 0.3 μm formed of a multilayer film of a GaInN layer having a thickness of 20 nm and a GaN layer having a thickness of 20 nm. Two clad layers 9 are formed.
[0038]
  A current confinement layer 12 made of silicon nitride having a thickness of 0.2 μm is formed on the p−second cladding layer 9 with a stripe-shaped current path 11 having a width of 2 μm interposed therebetween. Further, a p-cap layer 10 is formed on the current path 11 and the current confinement layer 12. The p-cap layer 10 to the n-GaInN second cladding layer 5 are formed in a mesa shape having a width of 8 μm, and the p-electrode 13 is formed on the p-cap layer 10.
[0039]
  Further, the upper surface of the n-GaN contact layer 4 is exposed by mesa etching, and an n-electrode 14 is formed on the exposed surface.
[0040]
  In the semiconductor laser device 100 of the present embodiment, the n−second cladding layer 5 is made of non-single-crystal GaInN.
[0041]
  Note that the GaInN light-emitting layer 7 has a thickness of about 4 nm._0.4In_0.6N barrier layer and Ga of about 4 nm thickness_0.3In_0.7N well layers are alternately stacked. In this case, Ga_0.4In_0.6There are 5 N barrier layers, Ga_0.3In_0.7There are four N well layers.
[0042]
  2 to 6 are schematic process cross-sectional views showing the manufacturing process of the semiconductor laser device shown in FIG.
[0043]
  A method for manufacturing the semiconductor laser device 100 of FIG. 1 will be described with reference to FIGS.
  When the semiconductor laser device 100 is manufactured, first, as shown in FIG. 2, the substrate temperature is kept at 600 ° C., and the buffer layer 2 made of AlGaN is formed on the sapphire (0001) surface substrate 1. Next, the substrate temperature is maintained at 1150 ° C., and an undoped GaN layer 3 made of undoped GaN and an n-GaN contact layer 4 made of Si-doped GaN are formed.
[0044]
  Furthermore, the substrate temperature is kept at 600 ° C., and Si-doped Ga_0.7In_0.3An n-GaInN second cladding layer 5 made of N is formed. Thereafter, the substrate temperature is kept at 880 ° C., and Si-doped Ga_0.5In_0.5An n-GaInN first cladding layer 6 made of N is formed. Furthermore, the substrate temperature is kept at 850 ° C., and undoped Ga_0.4In_0.6GaInN barrier layer made of N and undopedGa _0.3 In _0.7 NA GaInN light emitting layer 7 having a multiple quantum well (MQW) structure of five GaInN barrier layers and four GaInN well layers is formed alternately.
[0045]
  Finally, the substrate temperature is kept at 880 ° C., and undoped Ga_0.5In_0.5P-GaInN first cladding layer 8 made of N and undoped Ga_0.5In_0.5A p-second cladding layer 9 made of a multilayer film of a GaInN layer made of N and a GaN layer made of Mg-doped GaN is grown in order.
[0046]
  Subsequently, as shown in FIG. 3, Si having a thickness of about 0.2 μm is formed on the entire surface of the p−second cladding layer 9 by, for example, ECR (electron cyclotron resonance) plasma CVD._ThreeN_FourA current confinement layer 12 made of silicon nitride such as is formed. Next, the silicon nitride in the stripe-shaped region having a width of about 2 μm is removed by photolithography and wet etching using BHF (buffered hydrofluoric acid) to expose the p−second cladding layer 9. As a result, a stripe-shaped current path 11 is formed.
[0047]
  Next, as shown in FIG. 4, a p-cap layer made of p-GaN is formed on the current confinement layer 12 and the p-second cladding layer 9 in the stripe-shaped current path 11 by, for example, a reduced pressure MOVPE method of 76 Torr. 10 is formed. At this time, the growth conditions are appropriately adjusted so that p-GaN is selectively grown on the exposed portion of the p-second cladding layer 9. For example, the substrate temperature is increased by about 100 ° C., and NH_ThreeThe amount of is increased about 3 times.
[0048]
  When growth is performed under such conditions, p-GaN grows on the exposed portion of the p-second cladding layer 9, and a portion corresponding to the current path 11 is formed. On the other hand, p-GaN does not grow on the current confinement layer 12. When crystal growth continues, p-GaN grows on the current path 11, and crystal growth starts laterally from the side surface of the p-GaN grown on the current path 11, and p−GaN is formed on the current confinement layer 12. A p-cap layer 10 made of GaN is formed. For example, the p-cap layer 10 is formed with a width of about 8 μm around the portion corresponding to the current path 11.
[0049]
  As a result, the p-second cladding layer 9 and the p-cap layer 10 are connected by a stripe-shaped current path 11 having a width of about 2 μm, and between the p-second cladding layer 9 and the p-cap layer 10, Si having a thickness of about 0.2 μm excluding the portion of the current path 11_ThreeN_FourA current confinement layer 12 is formed. The final film thickness of the p-cap layer 10 is about 1 μm.
[0050]
  Next, as shown in FIG. 5, using a metal mask and EB (electron beam) vapor deposition, a Ni film having a thickness of 3 to 5 μm, for example, in a stripe shape with a width of about 10 μm is deposited on the region including the cap layer 10. To do. Using this Ni film as a mask, for example, CF_FourAs an etching gas, the p-cap layer 10 to the n-GaN contact layer 4 are etched in a mesa shape by the reactive ion etching (RIE) method until the n-GaN contact layer 4 is exposed. Thereafter, the Ni film used as the mask is removed using hydrochloric acid or the like.
[0051]
  Furthermore, as shown in FIG._ThreeN_FourAn insulating film 15 is formed on the upper surface of the n-GaN contact layer 4 except for the side surfaces from the p-cap layer 10 to the n-GaN contact layer 4 and the electrode formation region by ECR plasma CVD, photolithography and etching. Then, an n electrode 14 made of, for example, Au / Ti is formed on the exposed surface of the n-GaN contact layer 4, and a p electrode 13 made of Au / Pd is formed on the p-cap layer 10.
[0052]
  Finally, a resonator structure having a resonator length of 300 μm is formed in the direction along the stripe-shaped current path 11 by, for example, cleavage. Thereby, the semiconductor laser device 100 having the structure of FIG. 1 is formed.
[0053]
  In addition, Si is formed on the cavity end face of the semiconductor laser element 100._ThreeN_Four, SiO₂, Al₂O_ThreeTiO₂Alternatively, an end face high reflection film or a low reflection film such as a dielectric multilayer film in which etc. are laminated may be formed.
[0054]
  Table 1 shows the composition, film thickness, and substrate temperature during growth of each layer 2-10.
[0055]
[Table 1]

[0056]
  Each of the above layers 2 to 10 is grown by the atmospheric pressure MOVPE method (metal organic chemical vapor deposition method). In this case, as source gases, trimethylaluminum (TMAl), trimethylgallium (TMGa), trimethylindium (TMIn), NH_ThreeSilane gas (SiH_Four), Cyclopentadienylmagnesium (Cp)₂Mg) is used. Here, Si is used as the n-type dopant, and Mg is used as the p-type dopant.
[0057]
  As shown in Table 1, in the present embodiment, Ga_0.7In_0.3An n-GaInN second cladding layer 5 made of N is grown at a substrate temperature as low as 600 ° C. By reducing the substrate temperature during growth in this way, non-single-crystal n-Ga is obtained._0.7In_0.3N grows. Therefore, the formed n-GaInN second clad layer 5 is entirely n-Ga in a non-single crystal state._0.7In_0.3N.
[0058]
  In the present embodiment, each of the layers 2 to 4 and 6 to 10 other than the n-GaInN second cladding layer 5 is entirely composed of a nitride-based semiconductor in a single crystal state.
[0059]
  In the above, the substrate temperature during the growth of the n-GaInN second cladding layer 5 is 600 ° C., but the substrate temperature during the growth of the n-GaInN second cladding layer 5 is not limited to 600 ° C. Absent. The substrate temperature during the growth of the n-GaInN second clad layer 5 may be within a temperature range where 500 nm to 700 ° C. grows the non-single-crystal GaInN.
[0060]
  The non-single crystal state in this case is a polycrystalline state or an amorphous state. Note that the polycrystalline state is a crystalline state in which there are portions where the <0001> directions of the crystal are not aligned. On the other hand, the single crystal state is a crystal state in which the <0001> directions of the crystals are substantially aligned.
[0061]
  As described above, an intermediate In between the In composition of the n-GaN contact layer 4 and the In composition of the n-GaInN first cladding layer 6 between the n-GaN contact layer 4 and the n-GaInN first cladding layer 6. By providing the non-single-crystal n-GaInN second cladding layer 5 having a composition, the lattice constant of the n-GaN contact layer 4 and the lattice constant of the n-GaInN first cladding layer 6 or GaInN light emission The strain generated by the difference from the lattice constant of the layer 7 is alleviated. In this case, cracks do not occur even if the thickness of the n-GaInN second cladding layer 5 is increased to 1 μm. This makes it possible to form the n-GaInN first cladding layer 6 and the GaInN light-emitting layer 7 having good crystallinity and a large In composition on the n-GaInN second cladding layer 5.
[0062]
  In the semiconductor laser device 100 having the GaInN light emitting layer 7 having a large In composition and good crystallinity as described above, it is possible to obtain long wavelength light emission.
[0063]
  Note that the n-GaInN second cladding layer 5 is entirely made of Ga in a non-single crystal state._0.7In_0.3Although it is composed of a polycrystalline n-GaInN layer made of N, the structure of the polycrystalline n-GaInN layer is not limited to this.
[0064]
  For example, a multilayer structure of a polycrystalline n-GaInN layer in which the In composition increases stepwise may be used. As an example, polycrystalline Ga having a thickness of 0.2 μm from the n-GaN contact layer side_0.9In_0.1N, polycrystalline Ga with a thickness of 0.2 μm_0.8In_0.2N, polycrystalline Ga with a thickness of 0.2 μm_0.7In_0.3N, polycrystalline Ga with a thickness of 0.2 μm_0.6In_0.4N, polycrystalline Ga with a thickness of 0.2 μm_0.5In_0.5N may be a five-layer structure.
[0065]
  Alternatively, a structure in which the In composition of polycrystalline GaInN gradually (continuously) increases from the n-GaN contact layer side to the n-GaInN first cladding layer side may be employed. As an example, polycrystalline GaN to Ga_0.5In_0.5A structure in which the In composition increases gradually (continuously) toward N may be used.
[0066]
  In the semiconductor laser device according to the second embodiment of the present invention, the n-GaInN second cladding layer 20 having the structure shown in FIG. 7 is formed instead of the n-GaInN second cladding layer 5 in FIG. Except for this, it has the same structure as the first semiconductor laser device 100.
[0067]
  As shown in FIG. 7, the n-GaInN second cladding layer 20 is made of a non-single-crystal Si-doped Ga film having a thickness of about 50 nm._0.5In_0.5A polycrystalline n-GaInN layer 20a made of N and a Si-doped Ga in a single crystal state with a film thickness of about 50 nm_0.5In_0.5Single crystal n-GaInN layers 20b made of N are alternately stacked. For example, in this case, the polycrystalline n-GaInN layer 20a and the single crystal n-GaInN layer 20b are stacked in 10 cycles.
[0068]
  Thus, the n-GaInN second cladding layer 20 of the present embodiment is partially different from the n-GaInN second cladding layer 5 of the first embodiment, which is entirely made of non-single-crystal GaInN. Is made of non-single-crystal GaInN.
[0069]
  The manufacturing method of the semiconductor laser device of the present embodiment is different from the manufacturing method of the semiconductor laser device of the first embodiment only in the formation method of the n-GaInN second cladding layer 20. The n-GaInN second cladding layer 20 is formed by the following method.
[0070]
  When forming the n-GaInN second cladding layer 20, first, the substrate temperature is kept at 600 ° C., and a Si-doped Ga film having a thickness of 50 nm is formed._0.5In_0.5Grow N. By reducing the substrate temperature during growth in this way, the polycrystalline Si-doped Ga_0.5In_0.5A polycrystalline n-GaInN layer 20 made of N is formed.
[0071]
  Next, the substrate temperature is kept at 880 ° C., and the Si-doped Ga having a film thickness of about 50 nm._0.5In_0.5Grow N. Thus, by increasing the substrate temperature during growth, the Si-doped Ga in a single crystal state_0.5In_0.5A single crystal n-GaInN layer 20 made of N is formed.
[0072]
  The process of forming the polycrystalline n-GaInN layer 20a and the process of forming the single crystal n-GaInN layer 20b as described above are alternately repeated 10 times. Thereby, an n-GaInN second cladding layer 20 having a thickness of 1 μm is formed by laminating 10 cycles of the polycrystalline n-GaInN layer 20a and the single crystal n-GaInN layer 20b.
[0073]
  As described above, an intermediate In between the In composition of the n-GaN contact layer 4 and the In composition of the n-GaInN first cladding layer 6 between the n-GaN contact layer 4 and the n-GaInN first cladding layer 6. By providing the n-GaInN second cladding layer 20 having a composition and including the polycrystalline n-GaInN layer 20a, the lattice constant of the n-GaN contact layer 4 and the lattice of the n-GaInN first cladding layer 6 are provided. The strain generated due to the difference between the constant and the lattice constant of the GaInN light emitting layer 7 is relaxed. In this case, even if the film thickness of the n-GaInN second cladding layer 5 is increased to 1 μm, no crack is generated. This makes it possible to form the n-GaInN first cladding layer 6 and the GaInN light-emitting layer 7 having good crystallinity and a large In composition on the n-GaInN second cladding layer 5.
[0074]
  In the semiconductor laser device 100 having the GaInN light emitting layer 7 having a large In composition and good crystallinity as described above, it is possible to obtain long wavelength light emission.
[0075]
  The n-GaInN second cladding layer 20 includes a polycrystalline n-GaInN layer 20a and a single-crystal n-GaInN layer 20b stacked in this order, but the stacking order is limited to this. is not. Even when the n-GaInN second cladding layer in which the single crystal n-GaInN layer 20b and the polycrystalline n-GaInN layer 20a are stacked in this order is formed, the same effect as described above can be obtained.
[0076]
  The semiconductor laser device according to the third embodiment of the present invention is except that the n-GaInN second cladding layer 21 shown in FIG. 8 is formed instead of the n-GaInN second cladding layer 5 shown in FIG. The semiconductor laser device 100 has the same structure as that of the semiconductor laser device 100 of the first embodiment.
[0077]
  As shown in FIG. 8, the n-GaInN second cladding layer 21 includes a plurality of striped polycrystalline n-GaInN layers 21a formed on the n-GaN contact layer 4 and the polycrystalline n-GaInN layers 21a. And a single crystal n-GaInN layer 21b formed on the n-GaN contact layer 4 exposed between them.
[0078]
  In this case, the polycrystalline n-GaInN layer 21a is made of Si-doped Ga in a polycrystalline state with a film thickness of about 1 μm._0.5In_0.5N. In addition, the single crystal n-GaInN layer 21b is formed of a single crystal Si-doped Ga having a thickness of about 1 μm._0.5In_0.5N.
[0079]
  As described above, in the third embodiment, the n-GaInN second cladding layer 21 is partially made of GaInN in a non-single crystal state.
[0080]
  The semiconductor laser device of the third embodiment is different from the method of manufacturing the semiconductor laser device of the first embodiment only in the method for forming the n-GaInN second cladding layer 21. The n-GaInN second cladding layer 21 is formed by the following method.
[0081]
  When forming the n-GaInN second cladding layer 21, first, the substrate temperature is kept at 600 ° C., and the Si-doped Ga having a thickness of about 1 μm is formed on the n-GaN contact layer 4._0.5In_0.5Grow N. By reducing the substrate temperature during growth in this way, the polycrystalline Si-doped Ga_0.5In_0.5A polycrystalline n-GaInN layer 21 a made of N is formed on the n-GaN contact layer 4.
[0082]
  Next, W (tungsten) having a stripe shape of, for example, a width of about 20 μm and a thickness of 3 to 5 μm is deposited on the predetermined region of the polycrystalline n-GaInN 21a using a metal mask and an EB deposition method. Using this W as a mask, for example, CF_FourIs used as an etching gas to etch the polycrystalline n-GaInN 21a in a region where no mask is formed by a reactive ion etching (RIE) method to expose the n-GaN contact layer 4. In this way, a plurality of polycrystalline n-GaInN layers 21 a having a stripe shape are formed on a predetermined region of the n-GaN contact layer 4.
[0083]
  After the above, the substrate temperature is kept at 1150 ° C., and the Si-doped Ga having a thickness of about 1 μm is formed on the n-GaN contact layer 4 exposed between the striped polycrystalline n-GaInN layers 21a._0.5In_0.5N is grown selectively. Thus, by increasing the substrate temperature during growth, the entire Si-doped Ga-doped Si-doped Ga layer on the n-GaN contact layer 4 exposed between the polycrystalline n-GaInN layers 21a._0.5In_0.5A single crystal n-GaInN layer 21b made of N is formed.
[0084]
  As described above, the n-GaInN second cladding layer 21 composed of the polycrystalline n-GaInN layer 21a and the single crystal n-GaInN layer 21b is formed. After the surface of the n-GaInN second cladding layer 21 becomes substantially flat, W used as a mask is removed using hydrochloric acid or the like.
[0085]
  As described above, between the n-GaN contact layer 4 and the n-GaInN first cladding layer 6, an intermediate between the In composition of the n-GaN contact layer 4 and the In composition of the n-GaInN first cladding layer 6. By providing the n-GaInN second cladding layer 21 having an In composition and including the polycrystalline n-GaInN layer 21a, the lattice constant of the n-GaN contact layer 4 and the n-GaInN first cladding layer 6 can be reduced. The strain generated by the difference between the lattice constant or the lattice constant of the GaInN light emitting layer 7 is alleviated. In this case, even if the film thickness of the n-GaInN second cladding layer 5 is increased to 1 μm, no crack is generated. Thereby, the n-GaInN first clad layer 6 and the GaInN light emitting layer 7 having good crystallinity and a large In composition can be sequentially formed on the n-GaInN second clad layer 5.
[0086]
  In the semiconductor laser device 100 of the GaInN light-emitting layer 7 having a large In composition and good crystallinity as described above, it is possible to obtain long-wavelength light emission.
[0087]
  In the above description, the case where the n-GaInN second cladding layer 21 in which the striped polycrystalline n-GaInN 21a is formed between the single-crystal n-GaInN layers 21b has been described. The shape may be an arbitrary shape, for example, an n-GaInN second cladding layer in which an island-shaped polycrystalline n-GaInN layer is formed on a single crystal n-GaInN layer may be formed. Even in this case, the same effect as described above can be obtained.
[0088]
  The material of the substrate is not limited to sapphire, and an insulator substrate such as spinel, a III-V group semiconductor substrate such as GaN, GaAs, GaP and InP, Si, SiC, or the like may be used. Alternatively, the substrate material may be a boron compound substrate made of MB2 (M is a metal element such as Al, Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, or Cn).
[0089]
  Furthermore, the material of the light emitting layer and the clad layer is not limited to GaInN., GAn effect similar to the above can be obtained in an element having a smaller band gap than GaN such as aInTlN, GaInNP, and GaInAsN. In addition, the p-contact layer is not limited to p-GaN, and p-GaInN may be used.
[0090]
  The present invention can be applied to a surface emitting semiconductor laser element in addition to the semiconductor laser elements of the first to third embodiments. The present invention also relates to a semiconductor element other than a semiconductor laser element, that is, a light emitting diode element.Child, etcIt is also applicable to.
[0091]
  In the semiconductor elements of the first to third embodiments, the n-type layer is formed first on the substrate, but the p-type layer may be formed first on the substrate.
[0092]
  The layers of the semiconductor elements of the first to third embodiments can be grown by crystal growth methods other than those described above. For example, HVPE (halide vapor phase epitaxy), TMAl, TMGa, TMIn, NH_Three, SiH_Four, Cp₂It can also be grown by a gas source MBE method (molecular beam epitaxial growth method) using Mg as a source gas. The crystal structure of the semiconductor constituting each layer may be a wurtzite structure or a zinc blende structure.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic perspective view showing a semiconductor laser device according to a first embodiment of the present invention.
2 is a schematic process cross-sectional view illustrating a method for manufacturing the semiconductor laser device of FIG. 1; FIG.
3 is a schematic cross-sectional process diagram illustrating a method of manufacturing the semiconductor laser device of FIG. 1. FIG.
4 is a schematic cross-sectional process diagram illustrating a manufacturing process of the semiconductor laser device of FIG. 1; FIG.
5 is a schematic cross-sectional process diagram illustrating a manufacturing process of the semiconductor laser device of FIG. 1; FIG.
6 is a schematic cross-sectional process diagram illustrating a manufacturing process of the semiconductor laser device of FIG. 1; FIG.
FIG. 7 is a schematic cross-sectional view showing a part of a semiconductor laser device according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a schematic cross-sectional view showing a part of a semiconductor laser device according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 9 is a schematic cross-sectional view showing a conventional semiconductor laser element.
[Explanation of symbols]
  1 Sapphire substrate
  2 Buffer layer
  3 Undoped GaN layer
  4 n-GaN contact layer
  5 n-GaInN second cladding layer
  6 n-GaInN first cladding layer
  7 GaInN light emitting layer
  8 p-GaInN first cladding layer
  9 p-GaInN second cladding layer
  10 p-GaN cap layer
  11 Current path
  12 Current confinement layer
  13 p electrode
  14 n electrode
  15 Insulating film
  100 Semiconductor laser device

Claims

A first layer made of a single crystal nitride-based semiconductor;
A first cladding layer made of a single crystal nitride-based semiconductor;
A light emitting layer including a single crystal nitride semiconductor having a lattice constant larger than that of the first layer, and a nitride semiconductor element formed in this order;
Between the first layer and the first cladding layer , has an In composition intermediate between the In composition of the first layer and the In composition of the first cladding layer, and at least a part thereof is non- A second cladding layer made of a single crystal nitride-based semiconductor is formed ;
The second cladding layer includes one or more layers having a lattice constant that is larger than the lattice constant of the first layer and smaller than the lattice constant of the single crystal nitride semiconductor of the light emitting layer. A nitride semiconductor device.

2. The nitride semiconductor device according to claim 1, wherein the light emitting layer includes one or more layers made of the single crystal nitride semiconductor.

The second cladding layer includes a non-single crystal layer made of a non-single crystal nitride semiconductor and a single crystal layer made of a single crystal nitride semiconductor, the non-single crystal layer, the single crystal layer, The nitride-based semiconductor device according to claim 1, wherein: is laminated.

The second cladding layer includes an island-shaped or stripe-shaped non-single-crystal layer made of a non-single-crystal nitride-based semiconductor and a single-crystal layer made of a single-crystal nitride-based semiconductor, The nitride semiconductor device according to claim 1, wherein the non-single crystal layer is dispersedly arranged in the single crystal layer.

The nitride semiconductor device according to claim 1, wherein the light emitting layer includes one or a plurality of layers having a band gap smaller than that of the second cladding layer.

The first layer is Ga _{X X} In _{1-X 1-X} N (0 <X ≦ 1), and the second cladding layer is made of Ga _{Y Y} In _{1-Y 1-Y} N (0 ≦ Y <1), and the light emitting layer is made of Ga. _{Z Z} In _{1-Z 1-Z} The nitride-based semiconductor device according to claim 1, wherein the nitride-based semiconductor device is made of N (0 ≦ Z <1), and Z ≦ Y <X.

The In composition in the second clad layer increases stepwise from the first layer side toward the first clad layer side. Nitride semiconductor devices.

The In composition in the second clad layer continuously increases from the first layer side toward the first clad layer side. Nitride semiconductor devices.

Forming a second cladding layer made of a non-single-crystal nitride-based semiconductor on a first layer made of a single-crystal nitride-based semiconductor;
Forming a first cladding layer made of a single crystal nitride-based semiconductor on the second cladding layer;
Look including a step of forming a light-emitting layer includes a nitride-based semiconductor single crystal having a lattice constant larger than the lattice constant of the first layer on the first clad layer,
The second clad layer has an In composition intermediate between the In composition of the first layer and the In composition of the first clad layer, and is larger than the lattice constant of the first layer and of the light emitting layer. A method of manufacturing a nitride semiconductor device, comprising one or more layers having a lattice constant smaller than that of the single crystal nitride semiconductor .

10. The method of manufacturing a nitride semiconductor device according to claim 9, wherein the second cladding layer is grown at a growth temperature at which the nitride semiconductor is in a non-single crystal state.