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JP2004247563A - Semiconductor device - Google Patents

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JP2004247563A
JP2004247563A JP2003036482A JP2003036482A JP2004247563A JP 2004247563 A JP2004247563 A JP 2004247563A JP 2003036482 A JP2003036482 A JP 2003036482A JP 2003036482 A JP2003036482 A JP 2003036482A JP 2004247563 A JP2004247563 A JP 2004247563A
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active layer
semiconductor
semiconductor device
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JP2003036482A
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Japanese (ja)
Inventor
Kenji Funato
健次 船戸
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Sony Corp
Original Assignee
Sony Corp
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Publication date
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a semiconductor device which is suitable for a light-emitting element emitting blue light or green light by providing a semiconductor layer having desired indium composition. <P>SOLUTION: On a board 11 consisting of sapphire, respective layers including an active layer 17 are laminated via a low temperature buffer layer 12 and a base layer 13. The active layer 17 has a quantum well structure consisting of AlGaInN mixed crystal as the whole, and the indium composition of a well layer is ≥14 % e.g. The base layer 13 consists of GaInN mixed crystal, and a grid constant difference thereof with the well layer of the active layer 17 is within 1 %. Compared with a buffer layer consisting of conventional GaN, the grid constant of the base layer 13 is close to the grid contact of the active layer 17, and indium is easily fetched without generating a defect to the active layer 17 in the growth of crystal. Further, distortion to be introduced to the active layer 17 is reduced, and Stark effect hardly comes to appear. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO&NCIPI

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/cm)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((CHGa)またはトリエチルガリウム((CGa)、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((CHAl)、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((CHIn)、窒素の原料ガスとしては例えばアンモニア(NH)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(SiH)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((CMg)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(InCl),塩化ガリウム(GaCl)およびアンモニア(NH)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SiO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(NH)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-type cladding layer 115 made of n-type AlGaN mixed crystal, n-type guide layer 116 made of n-type GaInN mixed crystal, active layer (light emitting layer) 117 made of AlGaInN mixed crystal, p-type made of p-type GaInN mixed crystal A guide layer 118, a desorption preventing layer 119 made of AlGaN mixed crystal, a p-type clad layer 120 made of p-type AlGaN, and a p-side contact layer 121 made of p-type GaN are provided on a part of the p-type guide layer 118. It has a configuration stacked in this order. A p-side electrode 122 is provided on the p-side contact layer 121, and an n-side electrode 123 is provided on the n-side contact layer 114. Note that the desorption preventing layer 119 is for preventing indium from being desorbed from the active layer 117 and for preventing injection current from overflowing.
[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 active layer 117. Such a composition-introducing effect and a piezoelectric effect occur, and it is difficult to obtain the active layer 117 having a desired indium composition.
[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-side contact layer 14, an n-type cladding layer 15, and an n-type layer on a substrate 11 via a low-temperature buffer layer 12 and a base layer 13. It has a configuration in which a guide layer 16, an active layer (light emitting layer) 17, a p-type guide layer 18, a barrier layer 19, a p-type clad layer 20, and a p-side contact layer 21 are stacked in this order. The substrate 11 is made of, for example, sapphire having a thickness of 80 μm, and a low-temperature buffer layer 12 is formed on the c-plane of the substrate 11.
[0021]
The low-temperature buffer layer 12 is, for example, a buffer layer having a thickness of 20 nm to 30 nm and grown at a relatively low temperature of 450 ° C. to 550 ° C. The low-temperature buffer layer 12 is made of, for example, a nitride-based III-V semiconductor containing at least gallium (Ga) and indium (In) of a group 3B element and at least nitrogen (N) of a group 5B element. ing. In particular, it is preferable to be constituted by an undoped GaInN mixed crystal to which no impurity is added. This is because if the low-temperature buffer layer 12 is made of GaN like the conventional first buffer layer 112 shown in FIG. 5, the lattice constant is determined at that stage, and the effect of the present invention is hardly expected. The material of the low-temperature buffer layer 12 is not limited to the GaInN mixed crystal, but may be, for example, a quaternary AlGaInN mixed crystal.
[0022]
The underlayer 13 is provided, for example, on the substrate 11 with the low-temperature buffer layer 12 interposed therebetween, and at least gallium (Ga) and indium (In) of the group 3B element and at least nitrogen (N) of the group 5B element. And a nitride III-V compound semiconductor containing: Specifically, it is preferable to use, for example, an undoped GaInN mixed crystal to which no impurity is added. Details of the underlayer 13 will be described later.
[0023]
The n-side contact layer 14 has a thickness of, for example, 2 μm, and is made of n-type GaN to which silicon (Si) is added as an n-type impurity.
[0024]
The n-type cladding layer 15 has a thickness of, for example, 1.4 μm, is made of an n-type AlGaN mixed crystal to which silicon is added as an n-type impurity, and has an aluminum composition of 6.5%. The n-type cladding layer 15 may be an AlGaN mixed crystal / GaN superlattice.
[0025]
The n-type guide layer 16 has a thickness of, for example, 0.1 μm, and is made of an n-type GaInN mixed crystal to which silicon is added as an n-type impurity.
[0026]
The active layer 17 is composed of, for example, AlGaInN mixed crystal as a whole, and has a multiple quantum well structure in which barrier layers and well layers are alternately stacked. The indium composition of the well layer of the active layer 17 needs to be large to some extent in order to constitute an element that emits blue or green light. For example, when the oscillation wavelength is longer than 440 nm, the active layer The indium composition of the seventeenth well layer is preferably set to 14% or more. Specifically, when the oscillation wavelength is 460 nm, the active layer 17 is made of, for example, AlGa. 0.95 In 0.05 A 6 nm-thick barrier layer made of N mixed crystal, and AlGa 0.82 In 0.18 It has a multiple quantum well structure in which well layers each having a thickness of 3 nm made of N mixed crystal are alternately stacked, and the number of wells is three. Here, the active layer 17 corresponds to the “semiconductor layer” in the present invention.
[0027]
The p-type guide layer 18 has a thickness of, for example, 0.1 μm, and is made of p-type GaN to which magnesium (Mg) is added as a p-type impurity.
[0028]
The desorption preventing layer 19 is for preventing indium from being desorbed from the active layer 17 and for suppressing an overflow of the injection current. The desorption preventing layer 19 is provided on, for example, a part of the p-type guide layer 18 and is made of AlGaN mixed crystal, and has a thickness of, for example, 10 nm.
[0029]
The p-type cladding layer 20 has a thickness of, for example, 0.5 μm, is made of a p-type AlGaN mixed crystal to which magnesium is added as a p-type impurity, and has an aluminum composition of 6.0%. Note that, as the p-type cladding layer 20, an AlGaN mixed crystal / GaN superlattice may be used.
[0030]
The p-side contact layer 21 has a thickness of, for example, 0.1 μm, and is made of p-type GaN to which magnesium is added as a p-type impurity.
[0031]
On the p-side contact layer 21, a p-side electrode 22 is formed. The p-side electrode 22 has, for example, a structure in which palladium (Pd), platinum (Pt), and aluminum (Al) are sequentially stacked from the p-side contact layer 21 side. Connected. The p-side electrode 22 is also extended in a band shape so as to constrict the current, and a region of the active layer 17 corresponding to the p-side electrode 22 is a light emitting region. On the other hand, an n-side electrode 23 is formed on the n-side contact layer 14. The n-side electrode 23 has, for example, a structure in which titanium (Ti) and aluminum are sequentially laminated and alloyed by heat treatment, and is electrically connected to the n-side contact layer 14.
[0032]
In this semiconductor laser, for example, a pair of side faces facing each other in the length direction of the p-side electrode 22 are resonator end faces, and a pair of reflecting mirror films (not shown) are formed on the pair of resonator end faces, respectively. I have. The reflectance of one of the pair of reflecting mirror films is adjusted so as to decrease the reflectance, and the other of the reflecting mirror films is adjusted to increase the reflectance. As a result, light generated in the active layer 17 reciprocates between a pair of reflecting mirror films and is amplified, and is emitted from one of the reflecting mirror films as a laser beam.
[0033]
Next, the underlayer 13 in the present embodiment will be described in detail. First, it is preferable that the lattice constant of the underlayer 13 be as close as possible to the lattice constant of the active layer 17. This is because the strain introduced into the active layer 17 during crystal growth can be reduced. Specifically, it is preferable that the difference in lattice constant between the underlayer 13 and the active layer 17 be within 1%. The reason is that, in a semiconductor laser having an active layer of a strained quantum well structure formed on a sapphire substrate and having an oscillation wavelength of 405 nm, a practical level characteristic is obtained when the lattice constant difference between the underlayer and the active layer is within the above range. This is because the effect of reducing the distortion of the active layer 17 is considered to be most exhibited within the above range. Here, the "lattice constant of the active layer 17" refers to the lattice constant of the well layer when the active layer 17 has a quantum well structure, and when the active layer 17 is a bulk type having one thick layer. It refers to the lattice constant of the thick layer.
[0034]
The lower limit of the lattice constant of the underlayer 13 is preferably equal to or greater than the lattice constant of GaN, specifically, equal to or greater than the lattice constant of the conventional second buffer layer 113 made of GaN shown in FIG. By doing so, the lattice constant of the active layer 17 becomes closer to that of the conventional second buffer layer 113 (see FIG. 5) made of GaN, so that the compressive strain introduced into the active layer 17 during crystal growth is increased. This is because the effect of the present invention that the upper limit value of becomes smaller can be obtained.
[0035]
The upper limit of the lattice constant of the underlayer 13 is preferably equal to or less than the lattice constant of the active layer 17 in the free standing state. If the lattice constant of the underlayer 13 significantly exceeds the lattice constant of the active layer 17 in the free standing state, the active layer 17 may be subject to tensile strain. However, even if the lattice constant in the free standing state of the active layer 17 is slightly exceeded, the effect of the present invention can be obtained as long as the lattice constant difference from the active layer 17 is within 1% as described above. In particular, if the lattice constant of the underlayer 13 is made equal to the lattice constant of the active layer 17 in the free standing state, the compressive strain introduced into the active layer 17 during crystal growth becomes zero, and the greatest effect can be expected.
[0036]
The thickness of the underlayer 13 is preferably, for example, not less than 1.5 μm and not more than 4 μm. If the thickness is smaller than 1.5 μm, the crystallinity of the active layer 17 may decrease due to the state of the interface, and if the thickness is larger than 4 μm, the substrate 11 may be cracked due to a difference in thermal expansion coefficient. .
[0037]
The growth temperature of the underlayer 13 is preferably higher than the growth temperature of the low-temperature buffer layer 12, for example, 600 ° C. or more and 800 ° C. or less.
[0038]
This semiconductor laser can be manufactured, for example, as follows.
[0039]
First, a substrate 11 of, for example, sapphire having a thickness of about 430 μm is prepared, and a low-temperature buffer layer 12, a base layer 13, an n-side contact layer 14, an n-type cladding layer are formed on, for example, a c-plane of the substrate 11 by, for example, MOCVD. 15, an n-type guide layer 16, an active layer 17, a p-type guide layer 18, a desorption preventing layer 19, a p-type clad layer 20, and a p-side contact layer 21 are sequentially grown.
[0040]
Specifically, first, the low-temperature buffer layer 12 made of, for example, undoped GaInN mixed crystal is grown on the substrate 11 at a temperature of, for example, about 450 ° C. to 550 ° C. Next, for example, the temperature of the substrate 11 is raised to 600 ° C. or more and 800 ° C. or less, and on the low-temperature buffer layer 12, an underlayer 13 made of mixed GaInN, an n-side contact layer 14 made of n-type GaN, and an n-type AlGaN An n-type clad layer 15 made of a mixed crystal and an n-type guide layer 16 made of an n-type GaInN mixed crystal are sequentially grown. Subsequently, for example, AlGa 0.95 In 0.05 Barrier layer made of N mixed crystal and AlGa 0.82 In 0.18 The active layer 17 is formed by alternately growing well layers made of N mixed crystal. Here, since the underlayer 13 is made of a GaInN mixed crystal and the lattice constant difference with the active layer 17 is within 1%, the underlayer 13 is compared with the conventional second buffer layer 113 made of GaN (see FIG. 5). The lattice constant of 13 becomes close to the lattice constant of active layer 17, and indium is easily taken in without causing defects in active layer 17 during crystal growth. Further, the distortion introduced into the active layer 17 is reduced, and the Stark effect is less likely to be exhibited.
[0041]
After that, for example, on the active layer 17, a p-type guide layer 18 made of a p-type GaInN mixed crystal, a desorption preventing layer 19 made of an AlGaN mixed crystal, a p-type clad layer 20 made of a p-type AlGaN mixed crystal, and p A p-side contact layer 21 of type GaN is sequentially grown.
[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-side contact layer 21, for example, a mask (not shown) made of a resist is selectively formed on the p-side contact layer 21. Next, using this mask, the p-side contact layer 21, the p-type cladding layer 20, the desorption preventing layer 19, the p-type guide layer 18, the active layer 17, the n-type guide layer 16, the n-type clad layer 15, and the n-side A part of the contact layer 14 is sequentially etched to expose the n-side contact layer 14 on the surface. Subsequently, for example, titanium and aluminum are sequentially deposited to form the n-side electrode 23, and a heat treatment is performed to alloy the n-side electrode 23. After the heat treatment, p-side electrode 22 is formed by sequentially depositing, for example, palladium, platinum and gold.
[0044]
After the p-side electrode 22 is formed, the substrate 11 is ground to a thickness of, for example, about 80 μm. After the substrate 11 is ground, it is adjusted to a predetermined size, and a reflection mirror film (not shown) is formed on a pair of resonator end faces facing each other in the length direction of the p-side electrode 22. Thus, the semiconductor laser shown in FIG. 1 is completed.
[0045]
In the semiconductor laser of the present embodiment, when a predetermined voltage is applied between the n-side electrode 23 and the p-side electrode 22, a current is injected into the active layer 17 and light emission is caused by electron-hole recombination. Occur. Here, since the underlayer 13 is made of a GaInN mixed crystal and the lattice constant difference with the active layer 17 is within 1%, the underlayer 13 is compared with the conventional second buffer layer 113 made of GaN (see FIG. 5). The lattice constant of 13 becomes close to the lattice constant of active layer 17, and indium is easily taken in without causing defects in active layer 17 during crystal growth. Therefore, a decrease in the indium composition of the active layer 17 due to the composition incorporation effect is prevented, the luminous efficiency is increased, the threshold value of the semiconductor laser is reduced, and the device life is prolonged. Further, since the distortion introduced into the active layer 17 is reduced and the Stark effect is hardly developed, the luminous efficiency is increased and the threshold value of the semiconductor laser is reduced, so that the slope efficiency is improved. Further, the blue shift of the emission wavelength with respect to the amount of injected current is suppressed.
[0046]
As described above, in the present embodiment, the base layer 13 is formed of GaInN mixed crystal and the lattice constant difference from the active layer 17 is set to be within 1%. Indium can be easily taken in without generating. Therefore, it is possible to prevent a decrease in the indium composition of the active layer 17 due to the composition-introducing effect, and to suppress the manifestation of the Stark effect, thereby increasing the luminous efficiency, reducing the threshold value of the semiconductor laser, improving the slope efficiency, and In addition, suppression of blue shift with respect to the injection current amount of the emission wavelength can be achieved. In addition, since the restriction on the thickness of the active layer 17 is eliminated, the degree of freedom in element design can be increased.
[0047]
These effects are particularly remarkable when the indium composition of the active layer 17 is large to some extent, and therefore are particularly effective for devices that emit blue or green light.
[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 substrate 31 made of GaInN mixed crystal, the underlayer 13 is formed directly on the substrate 31 without providing the low-temperature buffer layer 12, and the n-side electrode 23 is formed on the back surface of the substrate 31. Other than that, it has the same configuration as that of the first embodiment. Therefore, here, the same components are denoted by the same reference numerals, and detailed description of the same portions will be omitted.
[0049]
The substrate 31 is made of, for example, indium chloride (InCl 3 ), Gallium chloride (GaCl 3 ) And ammonia (NH 3 ) As a raw material by a vapor phase growth method. It is preferable that the indium composition of the substrate 31 be substantially the same as the indium composition of the well layer of the active layer 17 (the difference in lattice constant is within 1%). This is because the effect of the present invention that distortion introduced into the active layer 17 during crystal growth is reduced can be further enhanced.
[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-side contact layer 14 and an n-side distributed Bragg reflection composed of an n-type semiconductor multilayer film are disposed on an upper surface side of a substrate 11 via, for example, a low-temperature buffer layer 12 and an underlayer 13. DBR) layer 45, n-type guide layer 16, active layer 17, p-type guide layer 18, p-side distributed Bragg reflection (DBR) layer 50 composed of a p-type semiconductor multilayer film, for example, SiO 2 Insulating film 51 and p-side contact layer 21 are laminated in this order.
[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 same underlayer 13 as in the first embodiment.
[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 substrate 11 made of sapphire is used has been described, but the substrate 11 may be made of silicon carbide (SiC).
[0055]
In the second embodiment, the case where the substrate 31 made of GaInN mixed crystal is used has been described. However, the substrate 31 may be made of GaN.
[0056]
Further, in the third embodiment, the case where the vertical cavity surface emitting laser is formed on the substrate 11 made of sapphire has been described, but a substrate made of GaInN mixed crystal or GaN may be used. In that case, the underlayer 13 can be provided immediately above the substrate as in the second embodiment.
[0057]
In addition, in the above embodiment, the low-temperature buffer layer 12 and the base layer 13 are grown upward from the entire surface of the substrate 11, but as shown in FIG. A seed crystal layer 11A made of a GaInN mixed crystal is formed thereon in a predetermined pattern, and a concave portion 11B is formed in the substrate 11. Then, as shown in FIG. 4B, the GaInN mixed crystal is formed using the seed crystal 11A. The underlying layer 13 may be formed by growing crystals in the lateral direction. In this case, the thickness D of the underlayer 13 is not the distance between the upper surface of the seed crystal layer 11A and the upper surface of the underlayer 13, but the gap D between the underlayer 13 and the substrate 11 and the thickness of the underlayer 13. This is the distance from the upper surface. Also, a low temperature buffer layer is not required.
[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-temperature buffer layer 12, the underlayer 13, the n-side contact layer 14, the n-type cladding layer 15, the n-type guide layer 16, the active layer 17, the p-type guide layer 18, the desorption preventing layer 19, the case where the p-type cladding layer 20 and the p-side contact layer 21 are formed by the MOCVD method has been described, but an MBE (Molecular Beam Epitaxy) method may be used. In this case, as raw materials, aluminum (Al), gallium (Ga), indium (In), magnesium (Mg), silicon (Si) and ammonia (NH) 3 ) Can be used. Alternatively, it may be formed by another vapor deposition method such as a hydride vapor deposition method or a halide vapor deposition method.
[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)

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.
前記半導体層は活性層であり、前記活性層に含まれるインジウムの組成は14%以上である
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.
前記下地層は、GaInN混晶により構成されている
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.
前記下地層は、前記基板の直上に設けられている
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.
前記基板は、GaNまたはGaInN混晶により構成されている
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.
前記下地層は、前記基板の上に、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低温バッファ層を介して設けられている
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.
前記基板は、サファイア(Al)または炭化ケイ素(SiC)により構成されている
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).
前記低温バッファ層は、GaInN混晶により構成されている
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.
前記下地層の格子定数は、GaNの格子定数以上である
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.
前記下地層の格子定数は、前記半導体層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.
前記下地層の膜厚は、1.5μm以上4μm以下である
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.
前記下地層の成長温度は、600℃以上800℃以下である
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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