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Abstract
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、窒化物系III−V族化合物半導体よりなる半導体層を備えた半導体素子に係り、特に発光層にインジウム(In)を含む半導体レーザなどの半導体素子に関する。
【0002】
【従来の技術】
窒化物系III−V族化合物半導体であるAlGaInN混晶は、直接遷移の半導体材料であると共に、紫外領域から赤色領域にわたるバンドギャップエネルギーをもつという特徴を有し、このエネルギーに相当する波長域の発光素子への応用がすすめられている。実際に、この材料系を用いて、現在では、紫外光あるいは青色光を放出する半導体レーザ、紫外光,青色光あるいは緑色光を放出する発光ダイオードなどが実現されている。これらの素子は、一般に、組成の異なる半導体層からなるヘテロ接合を有し、発光層にはインジウムが含まれる。
【0003】
図5は、従来の半導体レーザの構造の一例を表したものである。この半導体レーザは、サファイアよりなる基板111のc面に、例えば、低温成長のGaNよりなる第1バッファ層112およびGaNよりなる第2バッファ層113を介して、n型GaNよりなるn側コンタクト層114,n型AlGaN混晶よりなるn型クラッド層115,n型GaInN混晶よりなるn型ガイド層116,AlGaInN混晶よりなる活性層(発光層)117,p型GaInN混晶よりなるp型ガイド層118,このp型ガイド層118の一部に設けられると共にAlGaN混晶よりなる脱離防止層119、p型AlGaNよりなるp型クラッド層120およびp型GaNよりなるp側コンタクト層121がこの順に積層された構成を有している。p側コンタクト層121の上にはp側電極122が設けられ、n側コンタクト層114の上にはn側電極123が設けられている。なお、脱離防止層119は活性層117からインジウムが脱離するのを防止するため、および注入電流がオーバーフローするのを防ぐためのものである。
【0004】
このような半導体レーザは、一般に、基板の上に気相成長法を用いて各層を成長させることにより製造される。その際、原料となるAlN,GaNおよびInNはそれぞれ格子定数が異なり、フリースタンディング状態(free−standing )での格子定数はAlN,GaN,InNの順に大きくなるので、成長した各層には歪みが生じるおそれがある。この歪みは、活性層にも及び、結晶成長時に次のような二つの問題を引き起こす。
【0005】
一つは、組成ひきこみ効果と呼ばれるものであり、活性層を成長させるときに活性層の格子定数(設計値のフリースタンディング状態での値)が、活性層の下側の各層の格子定数と異なっている場合に、設計どおりのインジウム組成をもつ活性層を得ることが難しくなるというものである。これは、インジウムが活性層に取り込まれると圧縮歪みが生じるが、インジウムが取り込まれないと活性層内の歪みによるエネルギーが小さくなってより安定になるからである。例えば、サファイア基板上にGaN層を形成した後にGaInN混晶層を形成する場合、GaInN混晶のほうがGaNに比較して格子定数が大きいため、インジウムが取り込まれにくくなるということが起こる(例えば、非特許文献1参照。)。
【0006】
もう一つは、活性層に生じる歪みに起因する圧電効果である(例えば、非特許文献2参照。)。特にAlGaInN混晶ではイオン結合性が高いため、圧電効果が出現しやすい。
【0007】
更に、活性層に歪みが生じる他の原因として、基板を含めた各層の間での熱膨張係数の差があげられる。熱膨張係数の差に起因する歪みは、結晶成長時の温度と室温との差が大きいほど顕著になる。
【0008】
なお、従来では、シリコン(Si)基板の上にInGaNバッファ層を形成し、さらにその上にGaN層を形成することによって、シリコン基板とGaN層との格子定数の差および熱膨張係数の差を緩和しようとする提案がなされている(例えば、特許文献1参照。)
【0009】
【非特許文献1】
S.ペレイラ(S. Pereira)、外6名,フィジカル・レビュー・B(Phys. Rev. B),(米国),2001年11月,第64巻,第20号,205311
【非特許文献2】
竹内哲也(Tetsuya Takeuchi)、外6名,ジャパニーズ・ジャーナル・オブ・アプライド・フィジクス(Jpn. J. Appl.Phys.),1997年,第36巻,p.L382−p.L385
【特許文献1】
特開2001−93834号公報
【0010】
【発明が解決しようとする課題】
AlGaInN混晶を用いて青色光あるいは緑色光を放出する素子を得るには、活性層のインジウム組成を、ある程度大きくする必要がある。しかしながら、従来では、図5に示したように、GaInN混晶に比べて格子定数の比較的小さいGaNよりなる第2バッファ層113を用いていたので、活性層117の結晶成長時において、上述したような組成ひきこみ効果および圧電効果が生じ、所望のインジウム組成を有する活性層117を得ることが難しかった。
【0011】
組成ひきこみ効果によるインジウム組成の低下を防ぐためには、活性層自身に格子欠陥が生じて歪みの一部が緩和される必要がある。しかしながら、活性層に生じる格子欠陥は、素子の発光効率低下および寿命短縮の原因となるので望ましくない。
【0012】
また、上述した圧電効果が生じると内蔵電位が誘発される。その結果、シュタルク効果が起こり、注入キャリアの発光再結合確率を減少させ、素子の発光効率低下あるいは半導体レーザのしきい値増大などを引き起こす。
【0013】
更に、注入キャリア密度が増すと、シュタルク効果により生じた電界を打ち消すようにキャリアが再分布し、活性層から放出される光の波長が短波長化してしまうという問題が生じる。特に、表示デバイスの光源として応用する場合、光出力を増大させようとすると活性層から放出する光の波長が短波長化し、表示品質の低下を招くおそれがある。
【0014】
加えて、シュタルク効果によるもう一つの問題は、電界がかかっていない場合に比べて量子準位のエネルギー差が小さくなることによって、同じ組成の活性層であっても厚さが増大するほど活性層から放出する光が長波長化するということである。図6は、シュタルク効果による発振波長の長波長化を表す実験結果であり、GaIn0.05Nよりなる障壁層とGaIn0.15Nよりなる井戸層とGaIn0.05Nよりなる障壁層とを積層してなる量子井戸構造を有する活性層からのPL(Photoluminescence ;フォトルミネセンス)スペクトルのピークエネルギーと井戸幅との対応関係を、弱励起の場合(励起パワー密度10W/cm2 )と強励起の場合(誘導放出光のスペクトルのピークエネルギーで表し、励起パワー密度は後述の図7に示すしきいパワー密度に対応する)とについて表したものである。ここで、井戸幅とは、井戸層のみの厚さ(積層方向の厚さ)をいい、障壁層の厚さ(積層方向の厚さ)は含まない。図6から分かるように、井戸幅が増大するにつれ、弱励起の場合と強励起の場合とでピークエネルギーの差が増大している。これは、井戸幅の増大に伴ってシュタルク効果が顕著になることによるものであると考えられる。
【0015】
図7は、図6と同一の試料について誘導放出が起こるしきいパワー密度と井戸幅との対応関係を表している。しきいパワー密度が井戸幅に対して非線形的に上昇していることが特徴である。これは、井戸幅の増大と共にキャリア密度が反比例的に減少すること以外に、シュタルク効果により発光再結合確率が減少していることに起因するものと考えられる。
【0016】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、所望のインジウム組成を有する半導体層を備え、青色光または緑色光を発生する発光素子に好適な半導体素子を提供することにある。
【0017】
【課題を解決するための手段】
本発明による半導体素子は、基板と、この基板の一面側に設けられ、3B族元素のうちの少なくともガリウム(Ga)およびインジウム(In)と5B族元素のうちの少なくとも窒素(N)とを含む窒化物系III−V族化合物半導体よりなる半導体層と、3B族元素のうちの少なくともガリウム(Ga)およびインジウム(In)と5B族元素のうちの少なくとも窒素(N)とを含む窒化物系III−V族化合物半導体よりなると共に半導体層との格子定数差が1%以内であり、半導体層と基板との間に設けられた下地層とを備えたものである。
【0018】
本発明による半導体素子では、下地層が3B族元素のうちの少なくともガリウム(Ga)およびインジウム(In)と5B族元素のうちの少なくとも窒素(N)とを含む窒化物系III−V族化合物半導体よりなると共に半導体層との格子定数差が1%以内であるので、製造プロセスにおいて半導体層のインジウム組成が容易に所望の値に制御される。
【0019】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
【0020】
〔第1の実施の形態〕
図1は、本発明の第1の実施の形態に係る半導体レーザの断面構造を表すものである。この半導体レーザは、例えばSCH(Separate Confinement−Heterostructure) 構造を有し、基板11の上に、低温バッファ層12および下地層13を介して、n側コンタクト層14,n型クラッド層15,n型ガイド層16,活性層(発光層)17,p型ガイド層18,障壁層19,p型クラッド層20およびp側コンタクト層21がこの順に積層された構成を有している。基板11は、例えば、厚さが80μmのサファイアにより構成されており、この基板11のc面に低温バッファ層12が形成されている。
【0021】
低温バッファ層12は、例えば、厚さが20nmないし30nmであり、成長温度450℃ないし550℃の比較的低温で成長されたバッファ層である。低温バッファ層12は、例えば、3B族元素のうちの少なくともガリウム(Ga)およびインジウム(In)と5B族元素のうちの少なくとも窒素(N)とを含む窒化物系III−V族半導体により構成されている。特に、不純物を添加しないundoped GaInN混晶により構成されていることが好ましい。低温バッファ層12を図5に示した従来の第1バッファ層112のようにGaNにより構成すると、その段階で格子定数が決められてしまい、本発明の効果が期待しにくくなるからである。なお、低温バッファ層12の材料は、GaInN混晶に限られず、例えば四元系のAlGaInN混晶であってもよい。
【0022】
下地層13は、例えば、基板11の上に低温バッファ層12を介して設けられ、3B族元素のうちの少なくともガリウム(Ga)およびインジウム(In)と5B族元素のうちの少なくとも窒素(N)とを含む窒化物系III−V族化合物半導体により構成されている。具体的には、例えば不純物を添加しないundoped GaInN混晶よりなることが好ましい。下地層13の詳細については後述する。
【0023】
n側コンタクト層14は、例えば、厚さが2μmであり、n型不純物としてケイ素(Si)を添加したn型GaNにより構成されている。
【0024】
n型クラッド層15は、例えば、厚さが1.4μmであり、n型不純物としてケイ素を添加したn型AlGaN混晶により構成され、アルミニウム組成は6.5%である。なお、n型クラッド層15としては、AlGaN混晶/GaN超格子を用いてもよい。
【0025】
n型ガイド層16は、例えば、厚さが0.1μmであり、n型不純物としてケイ素を添加したn型GaInN混晶により構成されている。
【0026】
活性層17は、例えば、全体としてAlGaInN混晶により構成され、障壁層と井戸層とを交互に積層した多重量子井戸構造を有している。活性層17の井戸層のインジウム組成は、青色あるいは緑色の光を発生する素子を構成するためにはある程度大きいことが必要であり、例えば発振波長を440nmよりも長波長とする場合には活性層17の井戸層のインジウム組成は14%以上とすることが好ましい。具体的には、発振波長460nmの場合、活性層17は、例えば、AlGa0.95In0.05N混晶よりなる厚さ6nmの障壁層と、AlGa0.82In0.18N混晶よりなる厚さ3nmの井戸層とを交互に積層した多重量子井戸構造を有し、井戸数は3となる。ここで、活性層17が、本発明における「半導体層」に対応する。
【0027】
p型ガイド層18は、例えば、厚さが0.1μmであり、p型不純物としてマグネシウム(Mg)を添加したp型GaNにより構成されている。
【0028】
脱離防止層19は、活性層17からインジウムが脱離するのを防止するため、および注入電流のオーバーフローを抑制するためのものである。脱離防止層19は、例えば、p型ガイド層18の一部に設けられると共にAlGaN混晶により構成され、その厚さは例えば10nmである。
【0029】
p型クラッド層20は、例えば、厚さが0.5μmであり、p型不純物としてマグネシウムを添加したp型AlGaN混晶により構成され、アルミニウム組成は6.0%である。なお、p型クラッド層20としては、AlGaN混晶/GaN超格子を用いてもよい。
【0030】
p側コンタクト層21は、例えば、厚さが0.1μmであり、p型不純物としてマグネシウムを添加したp型GaNにより構成されている。
【0031】
p側コンタクト層21の上にはp側電極22が形成されている。このp側電極22は、例えば、p側コンタクト層21の側からパラジウム(Pd),白金(Pt)およびアルミニウム(Al)が順次積層された構造を有しており、p側コンタクト層21と電気的に接続されている。p側電極22は、また、電流狭窄をするように帯状に延長されており、p側電極22に対応する活性層17の領域が発光領域となっている。一方、n側コンタクト層14の上にはn側電極23が形成されている。n側電極23は、例えば、チタン(Ti)およびアルミニウムを順次積層して熱処理により合金化した構造を有しており、n側コンタクト層14と電気的に接続されている。
【0032】
なお、この半導体レーザでは、例えばp側電極22の長さ方向において対向する一対の側面が共振器端面となっており、この一対の共振器端面に図示しない一対の反射鏡膜がそれぞれ形成されている。これら一対の反射鏡膜のうち一方の反射鏡膜の反射率は低くなるように、他方の反射鏡膜の反射率は高くなるようにそれぞれ調整されている。これにより活性層17において発生した光は一対の反射鏡膜の間を往復して増幅され、一方の反射鏡膜からレーザビームとして出射される。
【0033】
次に、本実施の形態における下地層13について詳細に説明する。まず、下地層13の格子定数は、活性層17の格子定数に可及的に近いことが好ましい。結晶成長の際に活性層17に導入される歪みを少なくすることができるからである。具体的には、下地層13は、活性層17との格子定数差が1%以内であることが好ましい。その理由は、サファイア基板上に形成された歪量子井戸構造の活性層を有する発振波長405nmの半導体レーザにおいて、下地層と活性層との格子定数差を上記範囲内とした場合に実用レベルの特性が得られ、上記範囲内において活性層17の歪みを小さくする効果が最も発揮されると考えられるからである。ここで、「活性層17の格子定数」とは、活性層17が量子井戸構造を有する場合には井戸層の格子定数をいい、活性層17が一つの厚い層からなるバルク型の場合にはその厚い層の格子定数をいう。
【0034】
下地層13の格子定数の下限値については、GaNの格子定数以上、具体的には図5に示した従来のGaNよりなる第2バッファ層113の格子定数以上であることが好ましい。このようにすることにより、従来のGaNよりなる第2バッファ層113(図5参照)に比べて活性層17の格子定数に近くなるので、結晶成長の際に活性層17に導入される圧縮歪の上限値が小さくなるという本発明の効果を得ることができるからである。
【0035】
下地層13の格子定数の上限値については、活性層17のフリースタンディング状態における格子定数以下であることが好ましい。下地層13の格子定数が活性層17のフリースタンディング状態における格子定数を著しく超えると、活性層17に引っ張りの歪みが入るおそれがあるからである。ただし、活性層17のフリースタンディング状態における格子定数を少し超えても、上述したように活性層17との格子定数差が1%以内であれば本発明の効果を得ることができる。特に、下地層13の格子定数を、活性層17のフリースタンディング状態における格子定数に等しくすれば、結晶成長の際に活性層17に導入される圧縮歪が0となり、最も大きな効果が期待できる。
【0036】
下地層13の厚さは、例えば、1.5μm以上4μm以下であることが好ましい。1.5μmよりも薄いと界面の状態により活性層17の結晶性が低下するおそれがあり、また、4μmよりも厚いと熱膨張係数の差により基板11の割れが発生する場合があるからである。
【0037】
下地層13の成長温度は、低温バッファ層12の成長温度よりも高い、例えば600℃以上800℃以下であることが好ましい。
【0038】
この半導体レーザは、例えば次のようにして製造することができる。
【0039】
まず、例えば、厚さ430μm程度のサファイアよりなる基板11を用意し、基板11の例えばc面に、例えば、MOCVD法により低温バッファ層12,下地層13,n側コンタクト層14,n型クラッド層15,n型ガイド層16,活性層17,p型ガイド層18,脱離防止層19,p型クラッド層20およびp側コンタクト層21を順次成長させる。
【0040】
具体的には、まず、基板11の上に例えば450℃ないし550℃程度の温度で、例えばundoped GaInN混晶よりなる低温バッファ層12を成長させる。次いで、例えば、基板11の温度を600℃以上800℃以下まで上げ、低温バッファ層12の上に、undoped GaInN混晶よりなる下地層13,n型GaNよりなるn側コンタクト層14,n型AlGaN混晶よりなるn型クラッド層15,n型GaInN混晶よりなるn型ガイド層16を順次成長させる。続いて、例えば、AlGa0.95In0.05N混晶よりなる障壁層およびAlGa0.82In0.18N混晶よりなる井戸層を交互に成長させて、活性層17を形成する。ここでは、下地層13が、GaInN混晶よりなると共に活性層17との格子定数差が1%以内であるので、従来のGaNよりなる第2バッファ層113(図5参照)に比べて下地層13の格子定数が活性層17の格子定数に近くなり、結晶成長の際に活性層17に欠陥を生じることなくインジウムが取り込まれやすくなる。また、活性層17に導入される歪みが少なくなり、シュタルク効果が発現しにくくなる。
【0041】
そののち、例えば、活性層17の上に、p型GaInN混晶よりなるp型ガイド層18,AlGaN混晶よりなる脱離防止層19,p型AlGaN混晶よりなるp型クラッド層20およびp型GaNよりなるp側コンタクト層21を順次成長させる。
【0042】
なお、MOCVDを行う際、ガリウムの原料ガスとしては例えばトリメチルガリウム((CH3 )3 Ga)またはトリエチルガリウム((C2 H5 )3 Ga)、アルミニウムの原料ガスとしては例えばトリメチルアルミニウム((CH3 )3 Al)、インジウムの原料ガスとしては例えばトリメチルインジウム((CH3 )3 In)、窒素の原料ガスとしては例えばアンモニア(NH3 )をそれぞれ用いる。また、ケイ素の原料ガスとしては例えばモノシラン(SiH4 )を用い、マグネシウムの原料ガスとしては例えばビスメチルシクロペンタジエニルマグネシウム((C5 H5 )2 Mg)を用いる。
【0043】
p側コンタクト層21を成長させたのち、例えば、p側コンタクト層21の上にレジストよりなる図示しないマスクを選択的に形成する。次いで、このマスクを利用してp側コンタクト層21,p型クラッド層20,脱離防止層19,p型ガイド層18,活性層17,n型ガイド層16,n型クラッド層15およびn側コンタクト層14の一部を順次エッチングして、n側コンタクト層14を表面に露出させる。続いて、例えばチタンおよびアルミニウムを順次蒸着してn側電極23を形成すると共に、加熱処理を行い、n側電極23を合金化する。加熱処理を行ったのち、例えばパラジウム,白金および金を順次蒸着してp側電極22を形成する。
【0044】
p側電極22を形成したのち、基板11を例えば80μm程度の厚さとなるように研削する。基板11を研削したのち、所定の大きさに整え、p側電極22の長さ方向において対向する一対の共振器端面に図示しない反射鏡膜を形成する。これにより、図1に示した半導体レーザが完成する。
【0045】
本実施の形態の半導体レーザにおいては、n側電極23とp側電極22との間に所定の電圧が印加されると、活性層17に電流が注入され、電子−正孔再結合により発光が起こる。ここでは、下地層13が、GaInN混晶よりなると共に活性層17との格子定数差が1%以内であるので、従来のGaNよりなる第2バッファ層113(図5参照)に比べて下地層13の格子定数が活性層17の格子定数に近くなり、結晶成長の際に活性層17に欠陥を生じることなくインジウムが取り込まれやすくなる。よって、組成ひきこみ効果による活性層17のインジウム組成の低下が防止され、発光効率が上昇し、半導体レーザのしきい値が低減され、更に、素子寿命が長くなる。また、活性層17に導入される歪みが少なくなり、シュタルク効果が発現しにくくなることからも、発光効率が上昇し、半導体レーザのしきい値が低減されるものであり、よってスロープ効率が向上し、更に、発光波長の注入電流量に対するブルーシフトが抑制される。
【0046】
このように本実施の形態では、下地層13をGaInN混晶により形成すると共に活性層17との格子定数差を1%以内とするようにしたので、結晶成長の際に活性層17に欠陥を生じることなくインジウムを容易に取り込むことができる。よって、組成ひきこみ効果による活性層17のインジウム組成の低下を防止できると共に、シュタルク効果の発現を抑えることができ、発光効率の上昇、半導体レーザのしきい値の低減、スロープ効率の向上、更に、発光波長の注入電流量に対するブルーシフトの抑制などを達成することができる。加えて、活性層17の厚みに対する制約が解消されるので、素子の設計の自由度を高めることができる。
【0047】
これらの効果は、活性層17のインジウム組成がある程度大きい場合に特に顕著であり、したがって青色または緑色の光を放出する素子に特に有効である。
【0048】
〔第2の実施の形態〕
図2は、本発明の第2の実施の形態に係る半導体レーザの断面構造を表すものである。この半導体レーザは、GaInN混晶よりなる基板31を用いたこと、下地層13が低温バッファ層12を設けずに基板31の直上に形成されていること、およびn側電極23が基板31の裏面に設けられていることを除き、他は第1の実施の形態と同様の構成を有している。よって、ここでは同一の構成要素には同一の符号を付し、同一部分についての詳細な説明を省略する。
【0049】
基板31は、例えば塩化インジウム(InCl3 ),塩化ガリウム(GaCl3 )およびアンモニア(NH3 )を原料として気相成長法により作製されたものである。基板31のインジウム組成は、活性層17の井戸層のインジウム組成と実質的に同じ(格子定数差が1%以内)であることが好ましい。結晶成長の際に活性層17に導入される歪みが少なくなるという本発明の効果をより高めることができるからである。
【0050】
この半導体レーザは、第1の実施の形態と同様にして製造することができ、同様に作用し、同様の効果を得ることができる。
【0051】
〔第3の実施の形態〕
図3は、本発明の第3の実施の形態に係る半導体素子としての半導体レーザの断面構造を表すものである。この半導体レーザは、垂直共振器型の面発光レーザであることを除き、他は第1の実施の形態と同様の構成を有している。よって、ここでは同一の構成要素には同一の符号を付し、同一部分についての詳細な説明を省略する。
【0052】
この半導体レーザは、基板11の上面側に、例えば、低温バッファ層12および下地層13を介して、n側コンタクト層14,n型半導体多層膜よりなるn側分布型ブラッグ反射(Distributed Bragg Reflection;DBR)層45,n型ガイド層16,活性層17,p型ガイド層18,p型半導体多層膜よりなるp側分布型ブラッグ反射(DBR)層50,例えばSiO2 よりなる絶縁膜51およびp側コンタクト層21がこの順に積層された構成を有している。
【0053】
この半導体レーザは、第1の実施の形態と実質的に同様にして製造することができ、第1の実施の形態と同様の下地層13を有することから同様の作用効果を得ることができる。
【0054】
以上、実施の形態を挙げて本発明を説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、種々変形可能である。例えば、上記第1の実施の形態では、サファイアよりなる基板11を用いる場合について説明したが、基板11は炭化ケイ素(SiC)により構成されていてもよい。
【0055】
また、上記第2の実施の形態では、GaInN混晶よりなる基板31を用いる場合について説明したが、基板31はGaNにより構成されていてもよい。
【0056】
更に、上記第3の実施の形態では、サファイアよりなる基板11の上に垂直共振器型の面発光レーザを形成する場合について説明したが、GaInN混晶あるいはGaNよりなる基板を用いてもよい。その場合には、第2の実施の形態と同様に下地層13を基板の直上に設けることが可能である。
【0057】
加えてまた、上記実施の形態では、低温バッファ層12および下地層13を基板11の全面から上方へ成長させるようにしたが、図4(A)に示したように、サファイアよりなる基板11の上に、GaInN混晶よりなる種結晶層11Aを所定のパターンで形成すると共に基板11に凹部11Bを形成し、続いて図4(B)に示したように、種結晶11Aを用いてGaInN混晶を横方向成長させることにより下地層13を形成するようにしてもよい。この場合、下地層13の厚さDは、種結晶層11Aの上面と下地層13の上面との距離ではなく、下地層13と基板11との間に形成される間隙11Cと下地層13の上面との距離である。また、低温バッファ層は不要である。
【0058】
なお、具体的な構成としてn型ガイド層およびp型ガイド層を備えたレーザについて説明したが、本発明は、これらガイド層を有しない半導体レーザについても適用することができるものであり、また、電流狭窄構造についても上記実施の形態のものに限定されるものではない。更に、導波方式についても屈折率導波型,リッジ導波型のいずれでもよい。また、各層を構成する材料についても具体的に例を挙げて説明したが、各層を他の窒化物系III−V族化合物半導体により構成するようにしてもよい。
【0059】
更にまた、上記実施の形態では、低温バッファ層12,下地層13,n側コンタクト層14,n型クラッド層15,n型ガイド層16,活性層17,p型ガイド層18,脱離防止層19,p型クラッド層20およびp側コンタクト層21をMOCVD法により形成する場合について説明したが、MBE(Molecular Beam Epitaxy)法を用いてもよい。その場合、原料としては、アルミニウム(Al),ガリウム(Ga),インジウム(In),マグネシウム(Mg),ケイ素(Si)およびアンモニア(NH3 )を用いることができる。あるいは、ハイドライド気相成長法またはハライド気相成長法などの他の気相成長法により形成するようにしてもよい。
【0060】
更にまた、上記実施の形態では、半導体素子として半導体レーザを具体例に挙げて説明したが、本発明は、3B族元素のうちの少なくともガリウムおよびインジウムと5B族元素のうちの少なくとも窒素とを含む窒化物系III−V族化合物半導体よりなる半導体層を備えた半導体素子について広く適用することができる。例えば、発光ダイオードなどの他の発光素子についても同様に適用することができ、更にはトランジスタなどの電子素子についても適用することができる。
【0061】
【発明の効果】
以上説明したように本発明の半導体素子によれば、下地層を、3B族元素のうちの少なくともガリウム(Ga)およびインジウム(In)と5B族元素のうちの少なくとも窒素(N)とを含む窒化物系III−V族化合物半導体により構成すると共に半導体層との格子定数差を1%以内としたので、従来のGaNよりなるバッファ層に比べて下地層の格子定数を半導体層の格子定数に近くして、結晶成長の際に半導体層に欠陥を生じることなくインジウムを取り込まれやすくすることができる。よって、組成ひきこみ効果による半導体層のインジウム組成の低下を防止することができ、発光素子の発光効率の上昇、半導体レーザのしきい値の低減、更に、素子の長寿命化を実現することができる。
【0062】
また、半導体層に導入される歪みが低減されることから、シュタルク効果の発現を抑えることができ、これによっても発光素子の発光効率の上昇、半導体レーザのしきい値の低減、スロープ効率の向上、更に、発光波長の注入電流量に対するブルーシフトの抑制などを達成することができる。加えて、半導体層の厚みに対する制約が解消されるので、素子の設計の自由度を高めることができる。
【0063】
これらの効果は、半導体層のインジウム組成がある程度大きい場合に特に顕著であり、したがって、青色または緑色の光を放出する発光素子に特に有効である。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施の形態に係る半導体レーザの構成を表す断面図である。
【図2】本発明の第2の実施の形態に係る半導体レーザの構成を表す断面図である。
【図3】本発明の第3の実施の形態に係る半導体レーザの構成を表す断面図である。
【図4】本発明の変形例を表す断面図である。
【図5】従来の半導体レーザの構成を表す断面図である。
【図6】シュタルク効果の実例を弱励起の場合と強励起の場合とについて表す図である。
【図7】図6に示した強励起の場合の励起パワー密度に対応するしきいパワー密度を表す図である。
【符号の説明】
11,31…基板、12…低温バッファ層、13…下地層、14…n側コンタクト層、15…n型クラッド層、16…n型ガイド層、17…活性層(半導体層)、18…p型ガイド層、19…脱離防止層、20…p型クラッド層、21…p側コンタクト層、22…p側電極、23…n側電極[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a semiconductor device having a semiconductor layer made of a nitride III-V compound semiconductor, and more particularly to a semiconductor device such as a semiconductor laser containing indium (In) in a light emitting layer.
[0002]
[Prior art]
AlGaInN mixed crystal, which is a nitride III-V compound semiconductor, is a semiconductor material of direct transition and has a feature of having a band gap energy ranging from an ultraviolet region to a red region, and has a wavelength range corresponding to this energy. Applications to light-emitting elements are being promoted. Actually, a semiconductor laser that emits ultraviolet light or blue light, a light emitting diode that emits ultraviolet light, blue light or green light, and the like have been realized by using this material system. These devices generally have a heterojunction composed of semiconductor layers having different compositions, and the light emitting layer contains indium.
[0003]
FIG. 5 shows an example of the structure of a conventional semiconductor laser. In this semiconductor laser, an n-side contact layer made of n-type GaN is formed on a c-plane of a substrate 111 made of sapphire via, for example, a first buffer layer 112 made of GaN grown at a low temperature and a second buffer layer 113 made of GaN. 114, n-
[0004]
Such a semiconductor laser is generally manufactured by growing each layer on a substrate by using a vapor deposition method. At this time, AlN, GaN, and InN, which are raw materials, have different lattice constants, and the lattice constant in a free-standing state (free-standing) increases in the order of AlN, GaN, and InN. There is a risk. This distortion extends to the active layer and causes the following two problems during crystal growth.
[0005]
One is the so-called compositional effect, in which when growing an active layer, the lattice constant of the active layer (the value in the free-standing state of the design value) becomes equal to the lattice constant of each layer below the active layer. If they are different, it is difficult to obtain an active layer having an indium composition as designed. This is because when indium is taken in the active layer, a compressive strain is generated, but when indium is not taken in, the energy due to the strain in the active layer becomes small and the active layer becomes more stable. For example, when a GaInN mixed crystal layer is formed after a GaN layer is formed on a sapphire substrate, GaInN mixed crystal has a larger lattice constant than GaN, so that indium is less likely to be taken in (for example, See Non-Patent Document 1.)
[0006]
The other is a piezoelectric effect caused by strain generated in the active layer (for example, see Non-Patent Document 2). In particular, the AlGaInN mixed crystal has a high ionic bonding property, so that the piezoelectric effect tends to appear.
[0007]
Further, another cause of distortion in the active layer is a difference in thermal expansion coefficient between layers including the substrate. The distortion caused by the difference in thermal expansion coefficient becomes more remarkable as the difference between the temperature at the time of crystal growth and room temperature is larger.
[0008]
Conventionally, an InGaN buffer layer is formed on a silicon (Si) substrate, and a GaN layer is further formed thereon, so that a difference in lattice constant and a difference in thermal expansion coefficient between the silicon substrate and the GaN layer are reduced. Proposals have been made to alleviate this (for example, see Patent Document 1).
[0009]
[Non-patent document 1]
S. S. Pereira, 6 others, Physical Review B. (USA), November 2001, Vol. 64, No. 20, 205311.
[Non-patent document 2]
Tetsuya Takeuchi, 6 others, Japanese Journal of Applied Physics (Jpn. J. Appl. Phys.), 1997, Vol. 36, p. L382-p. L385
[Patent Document 1]
JP 2001-93834 A
[0010]
[Problems to be solved by the invention]
In order to obtain an element that emits blue light or green light using an AlGaInN mixed crystal, it is necessary to increase the indium composition of the active layer to some extent. However, conventionally, as shown in FIG. 5, since the second buffer layer 113 made of GaN having a lattice constant relatively smaller than that of the GaInN mixed crystal was used, the above-described process was performed during the crystal growth of the
[0011]
In order to prevent a decrease in the indium composition due to the composition incorporation effect, it is necessary that a lattice defect occurs in the active layer itself and a part of the strain is alleviated. However, lattice defects generated in the active layer are undesirable because they cause a reduction in luminous efficiency and a shortened life of the device.
[0012]
When the above-described piezoelectric effect occurs, a built-in potential is induced. As a result, the Stark effect occurs, reducing the probability of radiative recombination of the injected carriers, causing a decrease in the luminous efficiency of the device or an increase in the threshold value of the semiconductor laser.
[0013]
Furthermore, when the injected carrier density increases, the carriers are redistributed so as to cancel the electric field generated by the Stark effect, and the wavelength of the light emitted from the active layer is shortened. In particular, when applied as a light source of a display device, if an attempt is made to increase the light output, the wavelength of the light emitted from the active layer is shortened, which may cause a deterioration in display quality.
[0014]
In addition, another problem due to the Stark effect is that the energy difference between the quantum levels is smaller than when no electric field is applied. The light emitted from the light source has a longer wavelength. FIG. 6 is an experimental result showing that the oscillation wavelength is increased by the Stark effect. 0.05 N barrier layer and GaIn 0.15 N-well layer and GaIn 0.05 The relationship between the peak energy of the photoluminescence (PL) spectrum and the well width from the active layer having the quantum well structure formed by laminating the barrier layer made of N and the well width is determined in the case of weak excitation (excitation power density of 10 W). / Cm 2 ) And strong excitation (expressed by the peak energy of the stimulated emission light spectrum, and the excitation power density corresponds to a threshold power density shown in FIG. 7 described later). Here, the well width refers to the thickness of only the well layer (thickness in the stacking direction) and does not include the thickness of the barrier layer (thickness in the stacking direction). As can be seen from FIG. 6, as the well width increases, the difference in peak energy between the case of weak excitation and the case of strong excitation increases. This is considered to be due to the fact that the Stark effect becomes remarkable as the well width increases.
[0015]
FIG. 7 shows the correspondence between the threshold power density at which stimulated emission occurs and the well width for the same sample as in FIG. The feature is that the threshold power density increases nonlinearly with respect to the well width. This is considered to be due to the fact that the carrier recombination probability is reduced by the Stark effect, in addition to the fact that the carrier density is inversely reduced with the increase of the well width.
[0016]
The present invention has been made in view of such a problem, and an object of the present invention is to provide a semiconductor element that includes a semiconductor layer having a desired indium composition and is suitable for a light-emitting element that emits blue light or green light. .
[0017]
[Means for Solving the Problems]
A semiconductor device according to the present invention includes a substrate, and is provided on one surface side of the substrate and includes at least gallium (Ga) and indium (In) among Group 3B elements and at least nitrogen (N) among Group 5B elements. A semiconductor layer made of a nitride III-V compound semiconductor, and a nitride III containing at least gallium (Ga) and indium (In) of the group 3B element and at least nitrogen (N) of the group 5B element It is made of a group V compound semiconductor, has a lattice constant difference of 1% or less from the semiconductor layer, and has an underlayer provided between the semiconductor layer and the substrate.
[0018]
In the semiconductor device according to the present invention, the underlayer is a nitride III-V compound semiconductor containing at least gallium (Ga) and indium (In) of the group 3B element and at least nitrogen (N) of the group 5B element. And the difference in lattice constant from the semiconductor layer is within 1%, so that the indium composition of the semiconductor layer can be easily controlled to a desired value in the manufacturing process.
[0019]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
[0020]
[First Embodiment]
FIG. 1 shows a sectional structure of a semiconductor laser according to a first embodiment of the present invention. This semiconductor laser has, for example, an SCH (Separate Definition-Heterostructure) structure, and has an n-
[0021]
The low-
[0022]
The
[0023]
The n-
[0024]
The n-
[0025]
The n-
[0026]
The
[0027]
The p-
[0028]
The
[0029]
The p-
[0030]
The p-
[0031]
On the p-
[0032]
In this semiconductor laser, for example, a pair of side faces facing each other in the length direction of the p-
[0033]
Next, the
[0034]
The lower limit of the lattice constant of the
[0035]
The upper limit of the lattice constant of the
[0036]
The thickness of the
[0037]
The growth temperature of the
[0038]
This semiconductor laser can be manufactured, for example, as follows.
[0039]
First, a
[0040]
Specifically, first, the low-
[0041]
After that, for example, on the
[0042]
When MOCVD is performed, the source gas of gallium is, for example, trimethylgallium ((CH 3 ) 3 Ga) or triethylgallium ((C 2 H 5 ) 3 Ga), as a source gas of aluminum, for example, trimethylaluminum ((CH 3 ) 3 Al) and indium as a source gas, for example, trimethylindium ((CH 3 ) 3 In), for example, ammonia (NH) 3 ) Are used. As the silicon source gas, for example, monosilane (SiH 4 ), And, for example, bismethylcyclopentadienyl magnesium ((C 5 H 5 ) 2 Mg).
[0043]
After growing the p-
[0044]
After the p-
[0045]
In the semiconductor laser of the present embodiment, when a predetermined voltage is applied between the n-
[0046]
As described above, in the present embodiment, the
[0047]
These effects are particularly remarkable when the indium composition of the
[0048]
[Second embodiment]
FIG. 2 shows a sectional structure of a semiconductor laser according to a second embodiment of the present invention. This semiconductor laser uses a
[0049]
The
[0050]
This semiconductor laser can be manufactured in the same manner as in the first embodiment, operates in the same manner, and can achieve the same effect.
[0051]
[Third Embodiment]
FIG. 3 shows a sectional structure of a semiconductor laser as a semiconductor device according to a third embodiment of the present invention. This semiconductor laser has the same configuration as that of the first embodiment except that it is a vertical cavity surface emitting laser. Therefore, here, the same components are denoted by the same reference numerals, and detailed description of the same portions will be omitted.
[0052]
In this semiconductor laser, an n-
[0053]
This semiconductor laser can be manufactured substantially in the same manner as in the first embodiment, and the same effect can be obtained since it has the
[0054]
As described above, the present invention has been described with reference to the embodiment. However, the present invention is not limited to the above embodiment, and can be variously modified. For example, in the first embodiment, the case where the
[0055]
In the second embodiment, the case where the
[0056]
Further, in the third embodiment, the case where the vertical cavity surface emitting laser is formed on the
[0057]
In addition, in the above embodiment, the low-
[0058]
Although a laser having an n-type guide layer and a p-type guide layer has been described as a specific configuration, the present invention can also be applied to a semiconductor laser without these guide layers. The current confinement structure is not limited to the above embodiment. Further, the waveguide system may be either a refractive index waveguide type or a ridge waveguide type. In addition, although the material constituting each layer has been specifically described by way of example, each layer may be made of another nitride-based III-V compound semiconductor.
[0059]
Furthermore, in the above embodiment, the low-
[0060]
Furthermore, in the above embodiment, the semiconductor laser is described as a specific example of the semiconductor element. However, the present invention includes at least gallium and indium of the group 3B element and at least nitrogen of the group 5B element. The present invention can be widely applied to a semiconductor device including a semiconductor layer made of a nitride III-V compound semiconductor. For example, the invention can be similarly applied to other light-emitting elements such as a light-emitting diode, and furthermore, can be applied to an electronic element such as a transistor.
[0061]
【The invention's effect】
As described above, according to the semiconductor device of the present invention, the underlayer is formed by nitriding containing at least gallium (Ga) and indium (In) of the Group 3B element and at least nitrogen (N) of the Group 5B element. And the lattice constant difference between the semiconductor layer and the semiconductor layer is within 1%, so that the lattice constant of the underlayer is closer to the lattice constant of the semiconductor layer than the conventional buffer layer made of GaN. Thus, indium can be easily taken in without causing defects in the semiconductor layer during crystal growth. Therefore, it is possible to prevent a reduction in the indium composition of the semiconductor layer due to the composition incorporation effect, and to increase the luminous efficiency of the light emitting element, reduce the threshold value of the semiconductor laser, and further increase the life of the element. it can.
[0062]
In addition, since the strain introduced into the semiconductor layer is reduced, the Stark effect can be suppressed, which also increases the luminous efficiency of the light emitting device, reduces the threshold of the semiconductor laser, and improves the slope efficiency. Further, it is possible to achieve suppression of blue shift with respect to the injection current amount of the emission wavelength. In addition, since the restriction on the thickness of the semiconductor layer is eliminated, the degree of freedom in element design can be increased.
[0063]
These effects are particularly remarkable when the indium composition of the semiconductor layer is large to some extent, and are therefore particularly effective for light-emitting elements that emit blue or green light.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view illustrating a configuration of a semiconductor laser according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a sectional view illustrating a configuration of a semiconductor laser according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a sectional view illustrating a configuration of a semiconductor laser according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a sectional view illustrating a modification of the present invention.
FIG. 5 is a cross-sectional view illustrating a configuration of a conventional semiconductor laser.
FIG. 6 is a diagram illustrating an actual example of the Stark effect in the case of weak excitation and the case of strong excitation.
7 is a diagram showing a threshold power density corresponding to the excitation power density in the case of strong excitation shown in FIG.
[Explanation of symbols]
11, 31: substrate, 12: low-temperature buffer layer, 13: base layer, 14: n-side contact layer, 15: n-type cladding layer, 16: n-type guide layer, 17: active layer (semiconductor layer), 18: p Mold guide layer, 19: desorption preventing layer, 20: p-type cladding layer, 21: p-side contact layer, 22: p-side electrode, 23: n-side electrode
Claims (12)
この基板の一面側に設けられ、3B族元素のうちの少なくともガリウム(Ga)およびインジウム(In)と5B族元素のうちの少なくとも窒素(N)とを含む窒化物系III−V族化合物半導体よりなる半導体層と、
3B族元素のうちの少なくともガリウム(Ga)およびインジウム(In)と5B族元素のうちの少なくとも窒素(N)とを含む窒化物系III−V族化合物半導体よりなると共に前記半導体層との格子定数差が1%以内であり、前記半導体層と前記基板との間に設けられた下地層と
を備えたことを特徴とする半導体素子。Board and
A nitride-based III-V compound semiconductor provided on one surface side of the substrate and containing at least gallium (Ga) and indium (In) of group 3B elements and at least nitrogen (N) of group 5B elements. A semiconductor layer,
It is made of a nitride III-V compound semiconductor containing at least gallium (Ga) and indium (In) of the group 3B element and at least nitrogen (N) of the group 5B element, and has a lattice constant with the semiconductor layer. A semiconductor element, wherein the difference is within 1%, and comprising a base layer provided between the semiconductor layer and the substrate.
ことを特徴とする請求項1記載の半導体素子。2. The semiconductor device according to claim 1, wherein the semiconductor layer is an active layer, and a composition of indium contained in the active layer is 14% or more.
ことを特徴とする請求項1記載の半導体素子。2. The semiconductor device according to claim 1, wherein said underlayer is made of GaInN mixed crystal.
ことを特徴とする請求項1記載の半導体素子。2. The semiconductor device according to claim 1, wherein the underlayer is provided immediately above the substrate.
ことを特徴とする請求項4記載の半導体素子。The semiconductor device according to claim 4, wherein the substrate is made of GaN or GaInN mixed crystal.
ことを特徴とする請求項1記載の半導体素子。The underlayer is a nitride-based III-V compound containing at least gallium (Ga) and indium (In) of a group 3B element and at least nitrogen (N) of a group 5B element on the substrate. 2. The semiconductor device according to claim 1, wherein the semiconductor device is provided via a low-temperature buffer layer made of a semiconductor.
ことを特徴とする請求項6記載の半導体素子。The substrate, sapphire (Al 2 O 3) or a semiconductor device according to claim 6, characterized in that it is constituted by a silicon carbide (SiC).
ことを特徴とする請求項6記載の半導体素子。7. The semiconductor device according to claim 6, wherein the low-temperature buffer layer is made of GaInN mixed crystal.
ことを特徴とする請求項1記載の半導体素子。2. The semiconductor device according to claim 1, wherein a lattice constant of the underlayer is equal to or larger than a lattice constant of GaN.
ことを特徴とする請求項1記載の半導体素子。2. The semiconductor device according to claim 1, wherein a lattice constant of the underlayer is equal to or smaller than a lattice constant of the semiconductor layer in a free standing state.
ことを特徴とする請求項1記載の半導体素子。2. The semiconductor device according to claim 1, wherein the thickness of the underlayer is 1.5 μm or more and 4 μm or less.
ことを特徴とする請求項1記載の半導体素子。2. The semiconductor device according to claim 1, wherein a growth temperature of the underlayer is not less than 600 ° C. and not more than 800 ° C.
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