JPH11177175A - Nitride semiconductor device - Google Patents
Nitride semiconductor deviceInfo
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- JPH11177175A JPH11177175A JP31127297A JP31127297A JPH11177175A JP H11177175 A JPH11177175 A JP H11177175A JP 31127297 A JP31127297 A JP 31127297A JP 31127297 A JP31127297 A JP 31127297A JP H11177175 A JPH11177175 A JP H11177175A
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Abstract
(57)【要約】
【課題】窒化物半導体よりなるLD素子のしきい値電
流、電圧を低下させることにより長時間の連続発振を実
現する。
【解決手段】活性層が、n導電側の窒化物半導体層とp
導電側の窒化物半導体層との間に形成されてなる窒化物
半導体素子であって、前記n導電側及び/又はp導電側
の窒化物半導体層において、前記活性層と離れた位置、
若しくは接した位置に、互いにバンドギャップエネルギ
ーが異なりかつ互いに不純物濃度が異なる第1と第2の
窒化物半導体層とが積層されてなるn側歪み超格子層を
有する。
(57) Abstract: A long-term continuous oscillation is realized by lowering the threshold current and voltage of an LD element made of a nitride semiconductor. An active layer includes an n-conductive side nitride semiconductor layer and a p-type nitride semiconductor layer.
A nitride semiconductor element formed between the conductive-side nitride semiconductor layer and the n-side and / or p-conductive side nitride semiconductor layer, the position being apart from the active layer;
Alternatively, an n-side strained superlattice layer in which first and second nitride semiconductor layers having different band gap energies and different impurity concentrations from each other are stacked is provided at a contact position.
Description
【0001】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、LED(発光ダイ
オード)、LD(レーザダイオード)、あるいはスーパ
ルミネッセントダイオード(SLD)等の発光素子、太
陽電池、光センサー等の受光素子、あるいはトランジス
タ、パワーデバイス等の電子デバイスに使用される窒化
物半導体(InXAlYGa1-X-YN、0≦X、0≦Y、X+
Y≦1)を用いた素子に関する。なお、本明細書におい
て使用する一般式InXGa1-XN、AlYGa1-YN等は
単に窒化物半導体層の組成式を示すものであって、異な
る層が例えば同一の組成式で示されていても、それらの
層のX値、Y値が一致していることを示すものではない。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a light emitting element such as an LED (light emitting diode), an LD (laser diode) or a superluminescent diode (SLD), a light receiving element such as a solar cell or an optical sensor, or a transistor. Nitride semiconductors used for electronic devices such as power devices (In X Al Y Ga 1 -XYN , 0 ≦ X, 0 ≦ Y, X +
Y <1). Note that the general formulas In x Ga 1-x N, Al y Ga 1-y N, and the like used in the present specification simply indicate the composition formula of the nitride semiconductor layer, and different layers have the same composition formula, for example. However, this does not mean that the X and Y values of those layers match.
【0002】[0002]
【従来の技術】窒化物半導体は高輝度青色LED、純緑
色LEDの材料として、フルカラーLEDディスプレ
イ、交通信号等で最近実用化されたばかりである。これ
らの各種デバイスに使用されるLEDは、InGaNよ
りなる井戸層を有する単一量子井戸構造(SQW:Sing
le-Quantum- Well)、若しくは多重量子井戸構造(MQ
W:Multi-Quantum-Well)の活性層が、n型窒化物半導
体層とp型窒化物半導体層との間に挟まれたダブルへテ
ロ構造を有している。青色、緑色等の波長はInGaN
井戸層のIn組成比を増減することで決定されている。2. Description of the Related Art Nitride semiconductors have just recently been put to practical use in full-color LED displays, traffic signals and the like as materials for high-brightness blue LEDs and pure green LEDs. LEDs used for these various devices have a single quantum well structure (SQW: Sing) having a well layer made of InGaN.
le-Quantum-Well) or multiple quantum well structure (MQ
The active layer of W (Multi-Quantum-Well) has a double hetero structure sandwiched between an n-type nitride semiconductor layer and a p-type nitride semiconductor layer. Wavelengths of blue and green are InGaN
It is determined by increasing or decreasing the In composition ratio of the well layer.
【0003】また、本出願人は、最近この材料を用いて
パルス電流下、室温での410nmのレーザ発振を世界
で初めて発表した{例えば、Jpn.J.Appl.Phys.35(1996)L
74、Jpn.J.Appl.Phys.35(1996)L217等}。このレーザ素
子は、InGaNよりなる井戸層を用いた多重量子井戸
構造の活性層を有するダブルへテロ構造を有し、パルス
幅2μs、パルス周期2msの条件で、閾値電流610
mA、閾値電流密度8.7kA/cm2、410nmの発
振を示す。さらに、我々は改良したレーザ素子をAppl.P
hys.Lett.69(1996)1477において発表した。このレーザ
素子は、p型窒化物半導体層の一部にリッジストライプ
が形成された構造を有しており、パルス幅1μs、パル
ス周期1ms、デューティー比0.1%で、閾値電流1
87mA、閾値電流密度3kA/cm2、410nmの発
振を示す。そして、さらに我々は室温での連続発振にも
初めて成功し、発表した。{例えば、日経エレクトロニ
クス 1996年12月2日号 技術速報、Appl.Phys.Lett.69(1
996)3034、Appl.Phys.Lett.69(1996)4056 等}、このレ
ーザ素子は20℃において、閾値電流密度3.6kA/
cm2、閾値電圧5.5V、1.5mW出力において、2
7時間の連続発振を示す。In addition, the present applicant recently announced the world's first laser oscillation of 410 nm at room temperature under pulse current using this material {for example, Jpn. J. Appl. Phys. 35 (1996) L
74, Jpn. J. Appl. Phys. 35 (1996) L217}. This laser device has a double heterostructure having an active layer of a multiple quantum well structure using a well layer made of InGaN, and has a threshold current 610 under a condition of a pulse width of 2 μs and a pulse period of 2 ms.
It shows an oscillation of 410 nm at mA, a threshold current density of 8.7 kA / cm 2 . In addition, we have improved the laser device in Appl.P.
hys. Lett. 69 (1996) 1477. This laser device has a structure in which a ridge stripe is formed in a part of a p-type nitride semiconductor layer, has a pulse width of 1 μs, a pulse period of 1 ms, a duty ratio of 0.1%, and has a threshold current of 1%.
It shows oscillation at 87 mA, a threshold current density of 3 kA / cm 2 and 410 nm. And we also succeeded and announced for the first time continuous oscillation at room temperature. {For example, Nikkei Electronics December 2, 1996 Technical Bulletin, Appl.Phys. Lett. 69 (1
996) 3034, Appl. Phys. Lett. 69 (1996) 4056 et al.], The laser device has a threshold current density of 3.6 kA /
cm 2 , 5.5 V threshold voltage, 1.5 mW output, 2
7 shows continuous oscillation for 7 hours.
【0004】[0004]
【発明が解決しようとする課題】窒化物半導体よりなる
青色、緑色LEDは順方向電流(If)20mAで、順
方向電圧(Vf)が3.4V〜3.6Vあり、GaAl
As系の半導体よりなる赤色LEDに比べて2V以上高
いため、さらなるVfの低下が望まれている。また、L
Dでは閾値での電流、電圧が未だ高く、室温で長時間連
続発振させるためには、この閾値電流、電圧が下がるよ
うな、さらに効率の高い素子を実現する必要がある。The blue and green LEDs made of a nitride semiconductor have a forward current (If) of 20 mA, a forward voltage (Vf) of 3.4 V to 3.6 V, and a GaAl.
Since it is higher than a red LED made of an As-based semiconductor by 2 V or more, further reduction in Vf is desired. Also, L
In the case of D, the current and voltage at the threshold are still high, and in order to continuously oscillate at room temperature for a long time, it is necessary to realize a more efficient device in which the threshold current and voltage are lowered.
【0005】レーザ素子の閾値電圧を低下させることが
できれば、その技術をLED素子に適用すると、LED
素子のVfの低下が予想できる。従って本発明の目的と
するところは、主として窒化物半導体よりなるLD素子
の閾値での電流、電圧を低下させることにより長時間の
連続発振を実現することにある。If the threshold voltage of the laser element can be reduced, if the technology is applied to an LED element,
A decrease in Vf of the device can be expected. Therefore, an object of the present invention is to realize long-term continuous oscillation by lowering the current and voltage at the threshold value of an LD element mainly composed of a nitride semiconductor.
【0006】[0006]
【課題を解決するための手段】本発明は、窒化物半導体
素子において、活性層以外のいずれか1つ以上の半導体
層を歪み超格子構造とすることにより、該半導体層の結
晶性をよくでき、該半導体層の電気抵抗を低くできるこ
とを見いだして完成させたものである。すなわち、本発
明の第1の窒化物半導体素子は、活性層が、n導電側
(以下、n側という。)の窒化物半導体層とp導電側
(以下、p側という。)の窒化物半導体層との間に形成
されてなる窒化物半導体素子であって、前記n導電側の
窒化物半導体層において、前記活性層と離れた位置、若
しくは接した位置に、互いにバンドギャップエネルギー
が異なりかつ互いにn型不純物濃度が異なる第1と第2
の窒化物半導体層とが積層されてなるn側歪み超格子層
を有することを特徴とする。これによって、超格子層で
構成された窒化物半導体層の電気抵抗を小さくできるの
で、n導電側の窒化物半導体層の全体としての抵抗を小
さくできる。SUMMARY OF THE INVENTION According to the present invention, in a nitride semiconductor device, at least one semiconductor layer other than the active layer has a strained superlattice structure to improve the crystallinity of the semiconductor layer. Have been completed by finding that the electric resistance of the semiconductor layer can be reduced. That is, in the first nitride semiconductor device of the present invention, the active layer has a nitride semiconductor layer on the n-conductive side (hereinafter, referred to as n-side) and a nitride semiconductor on the p-conductive side (hereinafter, referred to as p-side). A nitride semiconductor element formed between the active layer and the n-conductive side nitride semiconductor layer, the band gap energies differ from each other at a position apart from or in contact with the active layer, and First and second different n-type impurity concentrations
Characterized by having an n-side strained superlattice layer formed by laminating a nitride semiconductor layer of Thus, the electric resistance of the nitride semiconductor layer formed of the superlattice layer can be reduced, so that the overall resistance of the n-conductive side nitride semiconductor layer can be reduced.
【0007】また本発明の第2の窒化物半導体素子は、
活性層が、n導電側の窒化物半導体層とp導電側の窒化
物半導体層との間に形成されてなる窒化物半導体素子で
あって、前記p導電側の窒化物半導体層において、前記
活性層と離れた位置、若しくは接した位置に、互いにバ
ンドギャップエネルギーが異なりかつ互いにp型不純物
濃度が異なる第3と第4の窒化物半導体層とが積層され
てなるp側歪み超格子層を有することを特徴とする。こ
れによって、超格子層で構成された窒化物半導体層の電
気抵抗を小さくできるので、p導電側の窒化物半導体層
の全体としての抵抗を小さくできる。ここで、p導電側
とは活性層と正電極(p電極)との間にある窒化物半導
体層を指し、n導電側とは、活性層を挟んでp導電側と
反対側にある窒化物半導体層を指すものとする。なお、
第1の窒化物半導体層と第2の窒化物半導体層との積層
順序、及び第3の窒化物半導体層と第4の窒化物半導体
層との積層順序は問わないことは言うまでもない。A second nitride semiconductor device according to the present invention comprises:
An active layer is a nitride semiconductor device formed between an n-conductive side nitride semiconductor layer and a p-conductive side nitride semiconductor layer. A p-side strained superlattice layer in which third and fourth nitride semiconductor layers having different band gap energies and different p-type impurity concentrations from each other are stacked at a position separated from or in contact with the layer; It is characterized by the following. Thus, the electric resistance of the nitride semiconductor layer formed of the superlattice layer can be reduced, so that the overall resistance of the p-conductive side nitride semiconductor layer can be reduced. Here, the p-conducting side refers to a nitride semiconductor layer between the active layer and the positive electrode (p-electrode), and the n-conducting side refers to a nitride on the opposite side of the active layer from the p-conducting side. It refers to a semiconductor layer. In addition,
It goes without saying that the order of lamination of the first nitride semiconductor layer and the second nitride semiconductor layer and the order of lamination of the third nitride semiconductor layer and the fourth nitride semiconductor layer do not matter.
【0008】さらに本発明の第3の窒化物半導体素子
は、活性層が、n導電側の窒化物半導体層とp導電側の
窒化物半導体層との間に形成されてなる窒化物半導体素
子であって、前記n導電側の窒化物半導体層において、
前記活性層と離れた位置、若しくは接した位置に、互い
にバンドギャップエネルギーが異なりかつ互いにn型不
純物濃度が異なる第1と第2の窒化物半導体層とが積層
されてなるn側歪み超格子層を有し、前記p導電側の窒
化物半導体層において、前記活性層と離れた位置、若し
くは接した位置に、互いにバンドギャップエネルギーが
異なりかつ互いにp型不純物濃度が異なる第3と第4の
窒化物半導体層とが積層されてなるp側歪み超格子層を
有することを特徴とする。これによって、超格子層で構
成された窒化物半導体層の電気抵抗を小さくできるの
で、n導電側及びp導電側の窒化物半導体層の全体とし
ての抵抗を小さくできる。A third nitride semiconductor device according to the present invention is a nitride semiconductor device in which an active layer is formed between an n-conductive side nitride semiconductor layer and a p-conductive side nitride semiconductor layer. In the nitride semiconductor layer on the n-conductive side,
An n-side strained superlattice layer in which first and second nitride semiconductor layers having different band gap energies and different n-type impurity concentrations from each other are stacked at a position separated from or in contact with the active layer. A third and a fourth nitride semiconductor layer having different band gap energies and different p-type impurity concentrations from each other at a position separated from or in contact with the active layer in the nitride semiconductor layer on the p-conductive side. And a p-side strained superlattice layer formed by laminating an object semiconductor layer. Thus, the electrical resistance of the nitride semiconductor layer formed of the superlattice layer can be reduced, so that the overall resistance of the nitride semiconductor layers on the n-conductive side and the p-conductive side can be reduced.
【0009】本発明の第1又は第3の窒化物半導体素子
では、n側歪み超格子層は、例えば発光素子、受光素子
のような光電変換素子であれば、基板に接して形成され
たバッファ層、n電極が形成されるn側コンタクト層、
キャリア閉じ込めとしてのn側クラッド層、及び活性層
の発光を導波するn側光ガイド層の内の少なくとも1種
の層として形成される。第2又は第3の窒化物半導体素
子では、p側歪み超格子層は、p電極が形成されるp側
コンタクト層、キャリア閉じ込めとしてのp側クラッド
層、及び活性層の発光を導波するp側光ガイド層の内の
少なくとも1種の層として形成される。In the first or third nitride semiconductor device of the present invention, the n-side strained superlattice layer may be a buffer formed in contact with the substrate if the photoelectric conversion device is, for example, a light emitting device or a light receiving device. Layer, an n-side contact layer on which an n-electrode is formed,
It is formed as at least one of an n-side cladding layer for confining carriers and an n-side light guide layer for guiding light emission of the active layer. In the second or third nitride semiconductor device, the p-side strained superlattice layer is a p-side contact layer on which a p-electrode is formed, a p-side cladding layer for confining carriers, and a p-side waveguide for guiding light emission of the active layer. It is formed as at least one layer of the side light guide layers.
【0010】本発明の第1及び第3の窒化物半導体素子
では、超格子層においてバンドギャップエネルギーの大
きな第1の窒化物半導体層の不純物濃度をバンドギャッ
プエネルギーの小さい第2の窒化物半導体層の不純物濃
度に比較して、大きくしてもよいし、小さくしてもよ
い。前記第1の窒化物半導体層の不純物濃度を第2の窒
化物半導体層の不純物濃度に比較して大きくした場合、
キャリアをバンドギャップエネルギーの大きな第1の窒
化物半導体層で発生させて、バンドギャップエネルギー
の小さい第2の窒化物半導体層に注入でき、注入された
キャリアを不純物濃度が小さく移動度の大きい第2の窒
化物半導体層で移動させることができるので、超格子層
の電気抵抗を小さくできる。ここで、本明細書におい
て、n側歪み超格子層とp側歪み超格子層とを総括して
呼ぶときは、上述のように単に超格子層と呼ぶ。In the first and third nitride semiconductor devices of the present invention, the impurity concentration of the first nitride semiconductor layer having a large band gap energy in the superlattice layer is changed to the second nitride semiconductor layer having a small band gap energy. May be increased or decreased as compared with the impurity concentration. When the impurity concentration of the first nitride semiconductor layer is higher than the impurity concentration of the second nitride semiconductor layer,
Carriers can be generated in the first nitride semiconductor layer having a large bandgap energy and injected into the second nitride semiconductor layer having a small bandgap energy. Can be moved by the nitride semiconductor layer, so that the electric resistance of the superlattice layer can be reduced. Here, in this specification, when the n-side strain superlattice layer and the p-side strain superlattice layer are collectively referred to, they are simply referred to as a superlattice layer as described above.
【0011】また、前記第1の窒化物半導体層の不純物
濃度を第2の窒化物半導体層の不純物濃度に比較して大
きくした場合、第1の窒化物半導体素子では、超格子層
の第1の窒化物半導体層において、第2の窒化物半導体
層に近接する部分(以下、近接部分という。)のn型又
はp型不純物濃度を、第2の窒化物半導体層から離れた
部分に比較して小さくすることが好ましい。これによっ
て、第2の窒化物半導体層中を移動するキャリアが、前
記近接部分の不純物によって散乱されるのを防止でき、
第2の窒化物半導体層の移動度をさらに高くでき、超格
子層の電気抵抗をさらに低くできる。In the first nitride semiconductor device, when the impurity concentration of the first nitride semiconductor layer is higher than the impurity concentration of the second nitride semiconductor layer, In the nitride semiconductor layer described above, the n-type or p-type impurity concentration of a portion close to the second nitride semiconductor layer (hereinafter referred to as a close portion) is compared with a portion remote from the second nitride semiconductor layer. It is preferable to make it smaller. This can prevent carriers moving in the second nitride semiconductor layer from being scattered by impurities in the adjacent portion, and
The mobility of the second nitride semiconductor layer can be further increased, and the electric resistance of the superlattice layer can be further reduced.
【0012】具体的には、第1、第3の窒化物半導体素
子において、バンドギャップエネルギーの大きい第1の
窒化物半導体層にn型不純物を多くドープする場合、第
1の窒化物半導体層のn型不純物濃度が1×1017/cm
3〜1×1020/cm3の範囲にあり、第2の窒化物半導体
層のn型不純物濃度が、第1の窒化物半導体層より小さ
くかつ1×1019/cm3以下に設定することが好まし
い。なおバンドギャップエネルギーが小さい第2の窒化
物半導体層のn型不純物濃度は、1×1018/cm 3以下
であることがより好ましく、1×1017/cm3以下であ
ることがより好ましい。すなわち、第2の窒化物半導体
層の移動度を高くする観点からは、第2の窒化物半導体
層のn型不純物濃度は小さければ小さいほどよく、第2
の窒化物半導体層をアンドープ(undope)層、即
ち不純物を意図的にドープしない状態が最も望ましい。Specifically, the first and third nitride semiconductor elements
In the element, the first having a large band gap energy
When the nitride semiconductor layer is heavily doped with n-type impurities,
N type impurity concentration of 1 nitride semiconductor layer is 1 × 1017/cm
Three~ 1 × 1020/cmThreeAnd the second nitride semiconductor
The n-type impurity concentration of the layer is lower than that of the first nitride semiconductor layer
Kukatsu 1 × 1019/cmThreePreferably set to
No. Note that the second nitride having a small band gap energy is used.
The n-type impurity concentration of the product semiconductor layer is 1 × 1018/cm ThreeLess than
More preferably 1 × 1017/cmThreeBelow
More preferably. That is, the second nitride semiconductor
From the viewpoint of increasing the mobility of the layer, the second nitride semiconductor
The smaller the n-type impurity concentration of the layer, the better.
Undoped (undoped) layer of nitride semiconductor layer
That is, it is most desirable that the impurity is not intentionally doped.
【0013】また、前記第1の窒化物半導体層の不純物
濃度を第2の窒化物半導体層の不純物濃度に比較して小
さくした場合、前記第2の窒化物半導体層において、前
記第1の窒化物半導体層に近接する部分のn型不純物濃
度を前記第1の窒化物半導体層から離れた部分に比較し
て小さくすることが好ましい。さらに、前記第1の窒化
物半導体層の不純物濃度を第2の窒化物半導体層の不純
物濃度に比較して小さくした場合、前記第1の窒化物半
導体層のn型不純物濃度が1×1019/cm3以下であ
り、前記第2の窒化物半導体層のn型不純物濃度が1×
1017/cm3〜1×1020/cm3の範囲であることが好ま
しい。尚、前記第1の窒化物半導体層は、好ましくは1
×1018/cm3以下、さらに好ましくは1×1017/
cm3以下、最も好ましくはアンドープ(undop
e)、すなわち、不純物を意図的にドープしない状態が
最も望ましい。Further, when the impurity concentration of the first nitride semiconductor layer is lower than that of the second nitride semiconductor layer, the first nitride semiconductor layer has It is preferable that the n-type impurity concentration in a portion close to the nitride semiconductor layer be lower than that in a portion away from the first nitride semiconductor layer. Further, when the impurity concentration of the first nitride semiconductor layer is lower than that of the second nitride semiconductor layer, the n-type impurity concentration of the first nitride semiconductor layer is 1 × 10 19 / Cm 3 or less, and the n-type impurity concentration of the second nitride semiconductor layer is 1 ×
It is preferably in the range of 10 17 / cm 3 to 1 × 10 20 / cm 3 . The first nitride semiconductor layer preferably has a thickness of 1
× 10 18 / cm 3 or less, more preferably 1 × 10 17 / cm 3
cm 3 or less, most preferably undoped
e), that is, a state in which impurities are not intentionally doped is most desirable.
【0014】また、第1及び第3の窒化物半導体素子で
は、超格子層において、結晶性のよい超格子層を形成す
るために、前記第1の窒化物半導体層を比較的エネルギ
ーバンドギャップが大きくかつ結晶性のよい層を成長さ
せることができるAlYGa1-YN(0<Y<1)で形成
し、前記第2の窒化物半導体層を比較的エネルギーバン
ドギャップが小さく結晶性のよい層を成長させることが
できるInXGa1-XN(0≦X<1)で形成することが
好ましい。In the first and third nitride semiconductor devices, in order to form a superlattice layer having good crystallinity in the superlattice layer, the first nitride semiconductor layer has a relatively high energy band gap. The second nitride semiconductor layer is formed of Al Y Ga 1 -YN (0 <Y <1) capable of growing a large and highly crystalline layer. It is preferable to form In x Ga 1 -xN (0 ≦ X <1) which can grow a good layer.
【0015】また、第1及び第3の窒化物半導体素子で
は、超格子層において、前記第2の窒化物半導体層がG
aNからなることがさらに好ましい。これによって、前
記第1の窒化物半導体層(AlYGa1-YN)と、前記第
2の窒化物半導体層(GaN)とを同じ雰囲気中で成長
させることができるので、超格子層の製造上極めて有利
である。Further, in the first and third nitride semiconductor devices, in the superlattice layer, the second nitride semiconductor layer is formed of G
More preferably, it consists of aN. Thereby, the first nitride semiconductor layer (Al Y Ga 1 -YN) and the second nitride semiconductor layer (GaN) can be grown in the same atmosphere, so that the superlattice layer It is extremely advantageous in manufacturing.
【0016】また、第1及び第3の窒化物半導体素子で
は、超格子層において、前記第1の窒化物半導体層はA
lXGa1-XN(0<X<1)で形成し、前記第2の窒化
物半導体層はAlYGa1-YN(0<Y<1,X>Y)で
形成することもできる。In the first and third nitride semiconductor devices, in the superlattice layer, the first nitride semiconductor layer is made of A
1 x Ga 1 -x N (0 <X <1), and the second nitride semiconductor layer may be formed of Al Y Ga 1 -YN (0 <Y <1, X> Y). it can.
【0017】さらに、前記第1の窒化物半導体層又は前
記第2の窒化物半導体層には、n型不純物がドープされ
ていないことがさらに好ましい。It is further preferable that the first nitride semiconductor layer or the second nitride semiconductor layer is not doped with an n-type impurity.
【0018】本発明の第2及び第3の窒化物半導体素子
では、超格子層においてバンドギャップエネルギーの大
きな第3の窒化物半導体層の不純物濃度をバンドギャッ
プエネルギーの小さい第4の窒化物半導体層の不純物濃
度に比較して、大きくしてもよいし、小さくしてもよ
い。前記第3の窒化物半導体層の不純物濃度を第4の窒
化物半導体層の不純物濃度に比較して大きくした場合、
キャリアをバンドギャップエネルギーの大きな第3の窒
化物半導体層で発生させて、バンドギャップエネルギー
の小さい第4の窒化物半導体層に注入でき、注入された
キャリアを不純物濃度が小さく移動度の大きい第4の窒
化物半導体層で移動させることができるので、超格子層
の電気抵抗を小さくできる。In the second and third nitride semiconductor devices of the present invention, the impurity concentration of the third nitride semiconductor layer having a large band gap energy in the superlattice layer is changed to the fourth nitride semiconductor layer having a small band gap energy. May be increased or decreased as compared with the impurity concentration. When the impurity concentration of the third nitride semiconductor layer is higher than the impurity concentration of the fourth nitride semiconductor layer,
Carriers can be generated in the third nitride semiconductor layer having a large band gap energy and injected into the fourth nitride semiconductor layer having a small band gap energy, and the injected carriers can be injected into the fourth nitride semiconductor layer having a small impurity concentration and a high mobility. Can be moved by the nitride semiconductor layer, so that the electric resistance of the superlattice layer can be reduced.
【0019】また、第2及び第3の窒化物半導体素子で
は、前記第3の窒化物半導体層の不純物濃度を第4の窒
化物半導体層の不純物濃度に比較して大きくした場合、
超格子層の第1の窒化物半導体層において、第4の窒化
物半導体層に近接する部分(以下、近接部分という。)
のp型不純物濃度を、第4の窒化物半導体層から離れた
部分に比較して小さくすることが好ましい。これによっ
て、第4の窒化物半導体層中を移動するキャリアが、前
記近接部分の不純物によって散乱されるのを防止でき、
第4の窒化物半導体層の移動度をさらに高くでき、超格
子層の電気抵抗をさらに低くできる。In the second and third nitride semiconductor devices, when the impurity concentration of the third nitride semiconductor layer is higher than the impurity concentration of the fourth nitride semiconductor layer,
In the first nitride semiconductor layer of the superlattice layer, a portion close to the fourth nitride semiconductor layer (hereinafter, referred to as a close portion).
It is preferable that the p-type impurity concentration is lower than that of a portion remote from the fourth nitride semiconductor layer. This can prevent carriers moving in the fourth nitride semiconductor layer from being scattered by impurities in the adjacent portion, and
The mobility of the fourth nitride semiconductor layer can be further increased, and the electric resistance of the superlattice layer can be further reduced.
【0020】また、第2、第3の窒化物半導体素子にお
いて、前記第3の窒化物半導体層の不純物濃度を第4の
窒化物半導体層の不純物濃度に比較して大きくした場
合、バンドギャップエネルギーが大きい第3の窒化物半
導体層のp型不純物濃度が1×1018/cm3〜1×10
21/cm3の範囲にあり、第4の窒化物半導体層のp型不
純物濃度が、第3の窒化物半導体層の不純物濃度より小
さくかつ1×1020/cm3以下に設定することがより好
ましい。なおバンドギャップエネルギーが小さい第4の
窒化物半導体層は1×1019/cm3以下であることがよ
り好ましく、1×1018/cm3以下であることがさらに
好ましい。すなわち、第4の窒化物半導体層の移動度を
高くする観点からは、第4の窒化物半導体層のp型不純
物濃度は小さければ小さいほどよく、第4の窒化物半導
体層をアンドープ層、即ち不純物を意図的にドープしな
い状態が最も望ましい。In the second and third nitride semiconductor devices, when the impurity concentration of the third nitride semiconductor layer is higher than the impurity concentration of the fourth nitride semiconductor layer, the band gap energy Is large, the p-type impurity concentration of the third nitride semiconductor layer is 1 × 10 18 / cm 3 to 1 × 10
21 / cm 3 , and the p-type impurity concentration of the fourth nitride semiconductor layer is set to be lower than the impurity concentration of the third nitride semiconductor layer and 1 × 10 20 / cm 3 or less. preferable. Note that the fourth nitride semiconductor layer having a small band gap energy is more preferably 1 × 10 19 / cm 3 or less, further preferably 1 × 10 18 / cm 3 or less. That is, from the viewpoint of increasing the mobility of the fourth nitride semiconductor layer, the lower the p-type impurity concentration of the fourth nitride semiconductor layer, the better, and the fourth nitride semiconductor layer may be an undoped layer, that is, It is most desirable that the impurity is not intentionally doped.
【0021】また、第2及び第3の窒化物半導体素子に
おいて、前記第3の窒化物半導体層の不純物濃度を第4
の窒化物半導体層の不純物濃度に比較して小さくした場
合、前記第4の窒化物半導体層において、前記第3の窒
化物半導体層に近接する部分のp型不純物濃度を前記第
3の窒化物半導体層から離れた部分に比較して小さくす
ることが好ましい。In the second and third nitride semiconductor devices, the third nitride semiconductor layer has an impurity concentration of
When the impurity concentration of the fourth nitride semiconductor layer is smaller than that of the third nitride semiconductor layer, the p-type impurity concentration of a portion of the fourth nitride semiconductor layer adjacent to the third nitride semiconductor layer is reduced to the third nitride semiconductor layer. It is preferable that the size be smaller than that of a portion remote from the semiconductor layer.
【0022】また、第2及び第3の窒化物半導体素子に
おいて、前記第3の窒化物半導体層の不純物濃度を第4
の窒化物半導体層の不純物濃度に比較して小さくした場
合、前記第3の窒化物半導体層のp型不純物濃度が1×
1020/cm3以下であり、第4の窒化物半導体層のp型
不純物濃度が1×1018/cm3〜1×1021/cm3の範囲
であることが好ましい。尚、前記第3の窒化物半導体層
は、1×1019/cm3以下、さらに好ましくは1×1
018/cm3以下、最も好ましくはアンドープ(und
ope)、すなわち、不純物を意図的にドープしない状
態が最も望ましい。In the second and third nitride semiconductor devices, the third nitride semiconductor layer may have an impurity concentration of
When the impurity concentration of the third nitride semiconductor layer is smaller than that of the third nitride semiconductor layer, the p-type impurity concentration of the third nitride semiconductor layer is 1 ×
It is preferably 10 20 / cm 3 or less and the p-type impurity concentration of the fourth nitride semiconductor layer is in the range of 1 × 10 18 / cm 3 to 1 × 10 21 / cm 3 . Incidentally, the third nitride semiconductor layer is 1 × 10 19 / cm 3 or less, more preferably 1 × 10 19 / cm 3 or less.
0 18 / cm 3 or less, most preferably undoped (und)
ope), that is, a state in which impurities are not intentionally doped.
【0023】また、第2及び第3の窒化物半導体素子に
おいて、結晶性のよい超格子層を形成するために、前記
第3の窒化物半導体層を比較的エネルギーバンドギャッ
プが大きくかつ結晶性のよい層を成長させることができ
るAlYGa1-YN(0<Y<1)で形成し、前記第4の
窒化物半導体層をInXGa1-XN(0≦X<1)で形成
することが好ましい。前記第4の窒化物半導体層は、G
aNからなることがさらに好ましい。これによって、前
記第3の窒化物半導体層(AlYGa1-YN)と、前記第
4の窒化物半導体層(GaN)とを同じ雰囲気中で成長
させることができるので、超格子層の製造上極めて有利
である。In the second and third nitride semiconductor devices, in order to form a superlattice layer having good crystallinity, the third nitride semiconductor layer has a relatively large energy band gap and a high crystallinity. A good layer can be grown by Al Y Ga 1-Y N (0 <Y <1), and the fourth nitride semiconductor layer is formed by In X Ga 1-X N (0 ≦ X <1). Preferably, it is formed. The fourth nitride semiconductor layer is composed of G
More preferably, it consists of aN. Thereby, the third nitride semiconductor layer (Al Y Ga 1 -YN) and the fourth nitride semiconductor layer (GaN) can be grown in the same atmosphere. It is extremely advantageous in manufacturing.
【0024】また、第2及び第3の窒化物半導体素子に
おいて、前記第3の窒化物半導体層はAlXGa1-XN
(0<X<1)で形成し、前記第4の窒化物半導体層は
AlYGa1-YN(0<Y<1,X>Y)で形成してもよ
い。Further, in the second and third nitride semiconductor devices, the third nitride semiconductor layer is formed of Al x Ga 1 -xN
(0 <X <1), and the fourth nitride semiconductor layer may be formed of Al Y Ga 1-Y N (0 <Y <1, X> Y).
【0025】また、第2及び第3の窒化物半導体素子に
おいて、前記第3の窒化物半導体層又は前記第4の窒化
物半導体層には、p型不純物がドープされていないこと
が好ましい。In the second and third nitride semiconductor devices, it is preferable that the third nitride semiconductor layer or the fourth nitride semiconductor layer is not doped with a p-type impurity.
【0026】第3の窒化物半導体素子では、前記n側歪
み超格子層において、前記第1の窒化物半導体層のバン
ドギャップエネルギーが前記第2の窒化物半導体層のバ
ンドギャップエネルギーより大きく、かつ前記第1の窒
化物半導体層のn型不純物濃度が前記第2の窒化物半導
体層のn型不純物濃度より高く、しかも、前記p側歪み
超格子層において、前記第3の窒化物半導体層のバンド
ギャップエネルギーが前記第4の窒化物半導体層のバン
ドギャップエネルギーより大きく、かつ前記第3の窒化
物半導体層のp型不純物濃度が前記第4の窒化物半導体
層のp型不純物濃度より高く設定することができる。こ
の場合、前記第1の窒化物半導体層のn型不純物濃度が
1×1017/cm3〜1×1020/cm3の範囲であって、第
2の窒化物半導体層のn型不純物濃度が1×1019/cm
3以下でありかつ、前記第3の窒化物半導体層のp型不
純物濃度が1×1018/cm3〜1×1021/cm3の範囲で
あって、前記第4の窒化物半導体層のp型不純物濃度が
1×102 0/cm3以下であることが好ましい。In the third nitride semiconductor device, the n-side strain
In the first superlattice layer,
The gap energy of the second nitride semiconductor layer.
Greater than the first gap energy and the first nitrogen
The n-type impurity concentration of the nitride semiconductor layer is the second nitride semiconductor.
Higher than the n-type impurity concentration of the body layer and the p-side strain
In the superlattice layer, the band of the third nitride semiconductor layer
The gap energy of the fourth nitride semiconductor layer
Greater than the gap energy and the third nitriding
The p-type impurity concentration of the nitride semiconductor layer is the fourth nitride semiconductor.
It can be set higher than the p-type impurity concentration of the layer. This
In the case, the n-type impurity concentration of the first nitride semiconductor layer is
1 × 1017/cmThree~ 1 × 1020/cmThreeIn the range
2 has an n-type impurity concentration of 1 × 1019/cm
ThreeAnd the p-type impurity of the third nitride semiconductor layer
Pure substance concentration is 1 × 1018/cmThree~ 1 × 10twenty one/cmThreeIn the range
And the p-type impurity concentration of the fourth nitride semiconductor layer is
1 × 10Two 0/cmThreeThe following is preferred.
【0027】また、第3の窒化物半導体素子では、前記
n側歪み超格子層において、前記第1の窒化物半導体層
は、前記第2の窒化物半導体層より大きいバンドギャッ
プエネルギーと前記第2の窒化物半導体層より大きいn
型不純物濃度とを有するように設定しかつ、 前記p側
歪み超格子層において、前記第3の窒化物半導体層は、
前記第4の窒化物半導体層より大きいバンドギャップエ
ネルギーと前記第4の窒化物半導体層より小さいp型不
純物濃度とを有するように設定することができる。この
場合、前記第1の窒化物半導体層のn型不純物濃度が1
×1017/cm3〜1×1020/cm3の範囲であって、第2
の窒化物半導体層のn型不純物濃度が1×1019/cm3
以下でありかつ、前記第3の窒化物半導体層のp型不純
物濃度が1×1020/cm3以下であり、にあり、第4の
窒化物半導体層のp型不純物濃度が1×1018/cm3〜
1×1021/cm3の範囲であることが好ましい。In the third nitride semiconductor device, in the n-side strained superlattice layer, the first nitride semiconductor layer has a bandgap energy larger than that of the second nitride semiconductor layer and the second N larger than the nitride semiconductor layer of
And in the p-side strained superlattice layer, the third nitride semiconductor layer comprises:
The fourth nitride semiconductor layer may be set to have a band gap energy larger than that of the fourth nitride semiconductor layer and a p-type impurity concentration smaller than that of the fourth nitride semiconductor layer. In this case, the n-type impurity concentration of the first nitride semiconductor layer is 1
In the range of × 10 17 / cm 3 to 1 × 10 20 / cm 3 ,
N type impurity concentration of the nitride semiconductor layer is 1 × 10 19 / cm 3
And the p-type impurity concentration of the third nitride semiconductor layer is 1 × 10 20 / cm 3 or less, and the p-type impurity concentration of the fourth nitride semiconductor layer is 1 × 10 18 / cm 3. / Cm 3 〜
It is preferably in the range of 1 × 10 21 / cm 3 .
【0028】また、第3の窒化物半導体素子では、前記
n側歪み超格子層において、前記第1の窒化物半導体層
は、前記第2の窒化物半導体層より大きいバンドギャッ
プエネルギーと前記第2の窒化物半導体層より小さいn
型不純物濃度とを有しかつ、前記p側歪み超格子層にお
いて、前記第3の窒化物半導体層は、前記第4の窒化物
半導体層より大きいバンドギャップエネルギーと前記第
4の窒化物半導体層より大きいp型不純物濃度とを有す
るように設定することができる。この場合、前記第1の
窒化物半導体層のn型不純物濃度が1×1019/cm3以
下であって、前記第2の窒化物半導体層のn型不純物濃
度が1×1017/cm3〜1×1020/cm3の範囲でありか
つ、前記第3の窒化物半導体層のp型不純物濃度が1×
1018/cm3〜1×1021/cm3の範囲であって、前記第
4の窒化物半導体層のp型不純物濃度が1×1020/cm
3以下であることが好ましい。Further, in the third nitride semiconductor device, in the n-side strained superlattice layer, the first nitride semiconductor layer has a bandgap energy larger than that of the second nitride semiconductor layer and the second N smaller than the nitride semiconductor layer of
The p-side strained superlattice layer, the third nitride semiconductor layer has a bandgap energy larger than that of the fourth nitride semiconductor layer and the fourth nitride semiconductor layer It can be set to have a higher p-type impurity concentration. In this case, the n-type impurity concentration of the first nitride semiconductor layer is 1 × 10 19 / cm 3 or less, and the n-type impurity concentration of the second nitride semiconductor layer is 1 × 10 17 / cm 3. And the p-type impurity concentration of the third nitride semiconductor layer is 1 × 10 20 / cm 3.
In the range of 10 18 / cm 3 to 1 × 10 21 / cm 3 , wherein the p-type impurity concentration of the fourth nitride semiconductor layer is 1 × 10 20 / cm 3
It is preferably 3 or less.
【0029】さらに、第3の窒化物半導体素子では、前
記n側歪み超格子層において、前記第1の窒化物半導体
層は、前記第2の窒化物半導体層より大きいバンドギャ
ップエネルギーと前記第2の窒化物半導体層より小さい
n型不純物濃度とを有しかつ、前記p側歪み超格子層に
おいて、前記第3の窒化物半導体層は、前記第4の窒化
物半導体層より大きいバンドギャップエネルギーと前記
第4の窒化物半導体層より小さいp型不純物濃度とを有
するように設定することができる。この場合、前記第1
の窒化物半導体層のn型不純物濃度が1×1019/cm3
以下であって、前記第2の窒化物半導体層のn型不純物
濃度が1×1017/cm3〜1×1020/cm3の範囲であり
かつ、前記第3の窒化物半導体層のp型不純物濃度が1
×1020/cm3以下であり、第4の窒化物半導体層のp
型不純物濃度が1×1018/cm3〜1×1021/cm3の範
囲であることが好ましい。Further, in the third nitride semiconductor device, in the n-side strained superlattice layer, the first nitride semiconductor layer has a bandgap energy larger than that of the second nitride semiconductor layer and the second Having a lower n-type impurity concentration than the nitride semiconductor layer of the above, and in the p-side strained superlattice layer, the third nitride semiconductor layer has a band gap energy larger than that of the fourth nitride semiconductor layer. The p-type impurity concentration may be set to be smaller than that of the fourth nitride semiconductor layer. In this case, the first
N type impurity concentration of the nitride semiconductor layer is 1 × 10 19 / cm 3
Wherein the n-type impurity concentration of the second nitride semiconductor layer is in the range of 1 × 10 17 / cm 3 to 1 × 10 20 / cm 3 and the p-type impurity of the third nitride semiconductor layer is Mold impurity concentration is 1
× 10 20 / cm 3 or less, and the p of the fourth nitride semiconductor layer
The mold impurity concentration is preferably in the range of 1 × 10 18 / cm 3 to 1 × 10 21 / cm 3 .
【0030】第3の窒化物半導体素子では、前記n側歪
み超格子層において、前記第1の窒化物半導体層はAl
YGa1-YN(0<Y<1)で形成し、前記第2の窒化物
半導体層はInXGa1-XN(0≦X<1)で形成しか
つ、前記p側歪み超格子層において、前記第3の窒化物
半導体層はAlYGa1-YN(0<Y<1)で形成し、前
記第4の窒化物半導体層はInXGa1-XN(0≦X<
1)で形成することができる。さらに、前記第2と第4
の窒化物半導体素子がそれぞれ、GaNからなることが
好ましい。In the third nitride semiconductor device, in the n-side strained superlattice layer, the first nitride semiconductor layer is formed of Al
Y Ga 1-Y N (0 <Y <1), the second nitride semiconductor layer is formed of In x Ga 1-X N (0 ≦ X <1), and the p-side strain exceeds In the lattice layer, the third nitride semiconductor layer is formed of Al Y Ga 1-Y N (0 <Y <1), and the fourth nitride semiconductor layer is formed of In X Ga 1-X N (0 ≦ Y). X <
It can be formed in 1). Further, the second and fourth
Are preferably made of GaN.
【0031】第3の窒化物半導体素子では、前記n側歪
み超格子層において、前記第1の窒化物半導体層はAl
XGa1-XN(0<X<1)で形成し、前記第2の窒化物
半導体層はAlYGa1-YN(0<Y<1,X>Y)で形
成し、前記p側歪み超格子層において、前記第3の窒化
物半導体層はAlXGa1-XN(0<X<1)で形成し、
前記第4の窒化物半導体層はAlYGa1-YN(0<Y<
1,X>Y)で形成することができる。In the third nitride semiconductor device, in the n-side strain superlattice layer, the first nitride semiconductor layer is formed of Al
X Ga 1-X N (0 <X <1); the second nitride semiconductor layer is formed of Al Y Ga 1-Y N (0 <Y <1, X>Y); In the side strain superlattice layer, the third nitride semiconductor layer is formed of Al x Ga 1 -xN (0 <X <1);
The fourth nitride semiconductor layer is composed of Al Y Ga 1 -Y N (0 <Y <
1, X> Y).
【0032】さらに、第3の窒化物半導体素子では、前
記第1の窒化物半導体層又は前記第2の窒化物半導体層
は、n型不純物がドープされていないアンドープ層であ
ることが好ましく、前記第3の窒化物半導体層又は前記
第4の窒化物半導体層は、p型不純物がドープされてい
ないアンドープ層であることが好ましい。Further, in the third nitride semiconductor device, the first nitride semiconductor layer or the second nitride semiconductor layer is preferably an undoped layer not doped with an n-type impurity. It is preferable that the third nitride semiconductor layer or the fourth nitride semiconductor layer is an undoped layer not doped with a p-type impurity.
【0033】また、第1第2第3の窒化物半導体素子で
は、前記活性層がInGaN層を含むことが好ましく、
前記InGaN層が量子井戸層であることがさらに好ま
しい。尚、前記活性層は、単一量子井戸構造であっても
よいし、多重量子井戸構造であってもよい。In the first, second and third nitride semiconductor devices, the active layer preferably includes an InGaN layer,
More preferably, the InGaN layer is a quantum well layer. The active layer may have a single quantum well structure or a multiple quantum well structure.
【0034】また、本発明に係る1つの態様の窒化物半
導体素子は、前記活性層がp側クラッド層とn側クラッ
ド層の間に位置するレーザ発振素子であって、前記p側
クラッド層と前記n側クラッド層のうちの少なくとも一
方が、前記n側歪み超格子層又は前記p側歪み超格子層
である。これによって、しきい値電流の低いレーザ発振
素子を構成できる。In one aspect of the present invention, the nitride semiconductor device is a laser oscillation device wherein the active layer is located between a p-side cladding layer and an n-side cladding layer, and At least one of the n-side cladding layers is the n-side strain superlattice layer or the p-side strain superlattice layer. Thereby, a laser oscillation element having a low threshold current can be configured.
【0035】また、前記レーザ発振素子では、前記p側
クラッド層と活性層との間、又は前記p側クラッド層と
活性層との間の少なくとも一方に、Inを含む窒化物半
導体又はGaNからなり、不純物濃度が1×1019/cm
3以下である光ガイド層が形成されることが好ましい。
この光ガイド層は、前記活性層で発生する光の吸収率が
低いので、活性層の発光を消衰させることが少なく、低
利得で発振可能なレーザ素子を実現できる。本発明で
は、光の吸収率を低くするために、前記光ガイド層の不
純物濃度は1×1018/cm3以下であることがより好ま
しく、1×1017/cm3以下であることがさらに好まし
く、アンドープであることが最も好ましい。尚、前記光
ガイド層を超格子構造にしてもよい。In the laser oscillation device, at least one of the region between the p-side cladding layer and the active layer or the region between the p-side cladding layer and the active layer is made of a nitride semiconductor containing In or GaN. , Impurity concentration is 1 × 10 19 / cm
It is preferable to form a light guide layer of 3 or less.
Since the light guide layer has a low absorptance of light generated in the active layer, the light emission of the active layer is hardly attenuated, and a laser device capable of oscillating with low gain can be realized. In the present invention, in order to reduce the light absorptivity, the impurity concentration of the light guide layer is more preferably 1 × 10 18 / cm 3 or less, and further preferably 1 × 10 17 / cm 3 or less. Preferably, it is most preferably undoped. The light guide layer may have a super lattice structure.
【0036】さらに、前記光ガイド層と活性層との間
に、活性層の井戸層及び前記光ガイド層のバンドギャッ
プエネルギーよりも大きいバンドギャップエネルギーを
有する、膜厚0.1μm以下の窒化物半導体よりなるキ
ャップ層が形成されることが好ましく、そのキャップ層
の不純物濃度は1×1018/cm3以上に設定することが
好ましい。このように、バンドギャップエネルギーの大
きな前記キャップ層を形成することにより、リーク電流
を少なくすることができる。この光ガイド層及びキャッ
プ層はp導電側窒化物半導体層側に形成されているとよ
り効果的である。Further, a nitride semiconductor having a thickness of 0.1 μm or less having a band gap energy larger than the well layers of the active layer and the optical guide layer between the light guide layer and the active layer. It is preferable that a cap layer is formed, and the impurity concentration of the cap layer is preferably set to 1 × 10 18 / cm 3 or more. As described above, by forming the cap layer having a large band gap energy, a leak current can be reduced. It is more effective if the light guide layer and the cap layer are formed on the p-conductive side nitride semiconductor layer side.
【0037】また本発明においては、第1〜第3の窒化
物半導体素子は、窒化物半導体とは異なる材料よりなる
異種基板上に窒化物半導体層を成長させ、該成長された
窒化物半導体層上に、該窒化物半導体層の表面を部分的
に露出させるように保護膜を形成した後、露出された窒
化物半導体層から前記保護膜を覆うように成長された窒
化物半導体からなる窒化物半導体基板の上に形成するこ
とが好ましい。これによって、第1〜第3の窒化物半導
体素子の各層を結晶性よく形成できるので、優れた特性
を有する窒化物半導体素子を形成することができる。本
願発明では、この異種基板、及び保護膜は、窒化物半導
体素子が形成された(又はされるべき)窒化物半導体層
を基板として残して、素子成長前または素子成長後に除
去してもよい。In the present invention, each of the first to third nitride semiconductor elements may be formed by growing a nitride semiconductor layer on a heterogeneous substrate made of a material different from that of the nitride semiconductor. After forming a protective film on the upper surface so as to partially expose the surface of the nitride semiconductor layer, a nitride made of a nitride semiconductor grown to cover the protective film from the exposed nitride semiconductor layer Preferably, it is formed on a semiconductor substrate. Thereby, each layer of the first to third nitride semiconductor elements can be formed with good crystallinity, so that a nitride semiconductor element having excellent characteristics can be formed. In the present invention, the heterogeneous substrate and the protective film may be removed before or after the device growth, leaving the nitride semiconductor layer on which (or to be) formed the nitride semiconductor device as a substrate.
【0038】[0038]
【発明の実施の形態】図1は本発明に係る一実施形態の
窒化物半導体素子の構造を示す模式的な断面図である。
この実施形態の窒化物半導体素子は、活性層端面を共振
面とする電極ストライプ型のレーザ素子(従って、以下
単に実施形態のレーザ素子という。)であって、図1
は、レーザ光の共振方向に垂直な方向で素子を切断した
際の断面を模式的に示している。以下、図1を参照して
本発明の実施形態について説明する。FIG. 1 is a schematic sectional view showing the structure of a nitride semiconductor device according to an embodiment of the present invention.
The nitride semiconductor device of this embodiment is a laser device of an electrode stripe type having an end face of an active layer as a resonance surface (henceforth simply referred to as a laser device of the embodiment), and is shown in FIG.
FIG. 3 schematically shows a cross section when the element is cut in a direction perpendicular to the resonance direction of the laser light. Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
【0039】まず、図1において、各符号は以下のもの
を示す。10は、窒化物半導体と異なる材料よりなる異
種基板、例えばサファイア、スピネル、SiC、Si、
GaAs、ZnO等の材料よりなる基板の上に成長され
た、例えば膜厚10μm以上のGaN基板を示す。な
お、異種基板は、図1に示すように、GaN基板10を
形成した後除去してもよいし、後述する実施例に示すよ
うに除去しないで用いてもよい(図4)。11は、Si
ドープn型GaNよりなるバッファ層、兼n側コンタク
ト層を示す。12は、活性層から離れた位置にあり、例
えば膜厚40オングストロームのSiドープn型Al
0.2Ga0.8N(第1の窒化物半導体層)と膜厚40オン
グストロームのアンドープ(undope)GaN層
(第2の窒化物半導体層)とが交互に100層積層され
てなる超格子構造のn側クラッド層を示す。13は、n
側クラッド層12と、活性層14との間にあり、n側ク
ラッド層12のAl0.2Ga0.8Nよりも小さいバンドギ
ャップエネルギーを有する、例えばアンドープGaNよ
りなるn側ガイド層を示す。14は、膜厚30オングス
トロームのIn0.2Ga0.8Nよりなる井戸層3層と、井
戸層よりもバンドギャップエネルギーが大きい膜厚30
オングストロームのIn0.05Ga0.95Nよりなる障壁層
2層とが交互に合計5層積層されてなる多重量子井戸構
造の活性層を示す。15は、活性層14の井戸層のバン
ドギャップエネルギーよりも大きく、p側光ガイド層1
6のバンドギャップエネルギーよりも大きい、例えばM
gドープp型Al0.3Ga0.7Nよりなるp側キャップ層
を示す。このp側キャップ層15のバンドギャップエネ
ルギーは好ましくは、超格子構造のp側クラッド層17
のバンドギャップエネルギーの小さい方の窒化物半導体
層(第4の窒化物半導体層)よりも大きくする。16
は、p側クラッド層17と、活性層14との間にあり、
p側クラッド層17のAl0.2Ga0.8Nよりも小さいバ
ンドギャップエネルギーを有する、例えばアンドープG
aNよりなるp側ガイド層を示す。17は、活性層から
離れた位置にあり、例えば膜厚40オングストロームの
Mgドープp型Al0.2Ga0.8Nと膜厚40オングスト
ロームのアンドープ(undope)GaN層とが交互
に100層積層されてなる超格子構造のp側クラッド層
を示す。18は、p側クラッド層17のAl0.2Ga0.8
Nよりも小さいバンドギャップエネルギーを有する、例
えばMgドープGaNよりなるp側コンタクト層を示
す。First, in FIG. 1, each symbol indicates the following. Reference numeral 10 denotes a heterogeneous substrate made of a material different from a nitride semiconductor, such as sapphire, spinel, SiC, Si,
This shows a GaN substrate having a thickness of, for example, 10 μm or more grown on a substrate made of a material such as GaAs or ZnO. The heterogeneous substrate may be removed after forming the GaN substrate 10 as shown in FIG. 1 or may be used without being removed as shown in an embodiment described later (FIG. 4). 11 is Si
4 shows a buffer layer made of doped n-type GaN and an n-side contact layer. Numeral 12 is a position distant from the active layer, for example, a Si-doped n-type Al having a thickness of 40 Å.
The n-side of the superlattice structure in which 100 layers of 0.2 Ga 0.8 N (first nitride semiconductor layer) and 40 Å-thick undoped GaN layers (second nitride semiconductor layer) are alternately stacked. 3 shows a cladding layer. 13 is n
An n-side guide layer made of, for example, undoped GaN is provided between the side cladding layer 12 and the active layer 14 and has a band gap energy smaller than that of Al 0.2 Ga 0.8 N of the n-side cladding layer 12. Reference numeral 14 denotes three well layers of In 0.2 Ga 0.8 N having a thickness of 30 Å, and a film thickness of 30 having a band gap energy larger than that of the well layers.
The active layer has a multiple quantum well structure in which two barrier layers of Angstrom In 0.05 Ga 0.95 N are alternately laminated in total of five layers. 15 is larger than the band gap energy of the well layer of the active layer 14 and
6, greater than the bandgap energy of
4 shows a p-side cap layer made of g-doped p-type Al 0.3 Ga 0.7 N. The band gap energy of the p-side cap layer 15 is preferably a p-side cladding layer 17 having a superlattice structure.
Is larger than the nitride semiconductor layer (fourth nitride semiconductor layer) having the smaller band gap energy. 16
Is between the p-side cladding layer 17 and the active layer 14,
It has a band gap energy smaller than Al 0.2 Ga 0.8 N of the p-side cladding layer 17, for example, undoped G
5 shows a p-side guide layer made of aN. 17 is at a position distant from the active layer, for example, the thickness 40 Å of Mg-doped p-type Al 0.2 Ga 0.8 N and the thickness 40 Å of undoped (undope) GaN layer are 100 are alternately laminated ultra 4 shows a p-side cladding layer having a lattice structure. Reference numeral 18 denotes Al 0.2 Ga 0.8 of the p-side cladding layer 17.
5 shows a p-side contact layer having a band gap energy smaller than N and made of, for example, Mg-doped GaN.
【0040】このように本発明の実施形態のレーザ素子
は、GaN基板10の上に上述の各窒化物半導体層11
〜18が積層された構造を有しており、p側クラッド層
17から上の窒化物半導体層はストライプリッジが形成
され、リッジ最表面にあるp側コンタクト層18のほぼ
全面にp電極21が形成されている。一方、窒化物半導
体層上部からエッチングされて露出されたn側バッファ
層11の表面にはn電極23が形成されている。本実施
の形態では、n電極23はn側バッファ層11の表面に
形成されているが、基板としてがGaN基板10を用い
ているので、n電極を形成する部分をGaN基板10ま
でエッチングしてGaN基板10の表面を露出させ、そ
の露出させたGaN基板10の表面にn電極を形成して
同一面側にp電極とn電極とを設ける構造とすることも
できる。またn電極23とp電極21との間に露出して
いる窒化物半導体表面には、例えばSiO2からなる絶
縁膜25が設けられ、その絶縁膜25の窓部を介してそ
れぞれボンディング用としてpパッド電極22とnパッ
ド電極24が設けられている。なお先にも述べたよう
に、本明細書において、活性層とp電極との間にある窒
化物半導体層は、窒化物半導体層の導電型に関わらず、
総称してp側窒化物半導体層といい、その活性層とGa
N基板10との間にある窒化物半導体層を総称してn側
窒化物半導体層という。As described above, in the laser device according to the embodiment of the present invention, the above-described nitride semiconductor layers 11 are formed on the GaN substrate 10.
To 18 are stacked, a stripe ridge is formed on the nitride semiconductor layer above the p-side cladding layer 17, and a p-electrode 21 is formed on almost the entire surface of the p-side contact layer 18 on the outermost surface of the ridge. Is formed. On the other hand, an n-electrode 23 is formed on the surface of the n-side buffer layer 11 that is etched and exposed from above the nitride semiconductor layer. In the present embodiment, the n-electrode 23 is formed on the surface of the n-side buffer layer 11. However, since the GaN substrate 10 is used as the substrate, the portion where the n-electrode is formed is etched down to the GaN substrate 10. The surface of the GaN substrate 10 may be exposed, an n-electrode may be formed on the exposed surface of the GaN substrate 10, and a p-electrode and an n-electrode may be provided on the same surface. An insulating film 25 made of, for example, SiO 2 is provided on the surface of the nitride semiconductor exposed between the n-electrode 23 and the p-electrode 21. A pad electrode 22 and an n-pad electrode 24 are provided. As described above, in this specification, the nitride semiconductor layer between the active layer and the p-electrode, regardless of the conductivity type of the nitride semiconductor layer,
Collectively called p-side nitride semiconductor layer, its active layer and Ga
The nitride semiconductor layers between the N substrate 10 and the N substrate 10 are collectively called an n-side nitride semiconductor layer.
【0041】本発明の実施形態のレーザ素子では、図1
に示す活性層14の下部にあるn側窒化物半導体層中に
おいて、活性層14と離れた位置に、バンドギャップエ
ネルギーの大きな第1の窒化物半導体層と、第1の窒化
物半導体層よりもバンドギャップエネルギーの小さな第
2の窒化物半導体層とが積層されて、互いに不純物濃度
が異なる超格子構造のn側クラッド層12を有してい
る。超格子層を構成する第1の窒化物半導体層、第2の
窒化物半導体層の膜厚は100オングストローム以下、
さらに好ましくは70オングストローム以下、最も好ま
しくは10〜40オングストロームの膜厚に調整する。
100オングストロームよりも厚いと、第1の窒化物半
導体層及び第2の窒化物半導体層が弾性歪み限界以上の
膜厚となり、膜中に微少なクラック、あるいは結晶欠陥
が入りやすい傾向にある。本発明では、第1の窒化物半
導体層、第2の窒化物半導体層の膜厚の下限は特に限定
されず、1原子層以上であればよいが、前記のように1
0オングストローム以上が最も好ましい。さらに第1の
窒化物半導体層は少なくともAlを含む窒化物半導体、
好ましくはAlXGa1-XN(0<X≦1)を成長させる
方が望ましい。一方、第2の窒化物半導体は第1の窒化
物半導体よりもバンドギャップエネルギーが小さい窒化
物半導体であればどのようなものでも良いが、好ましく
はAlYGa1-YN(0≦Y<1、X>Y)、InZGa1-Z
N(0≦Z<1)のような2元混晶、3元混晶の窒化物
半導体が成長させやすく、また結晶性の良いものが得ら
れやすい。その中でも特に好ましくは第1の窒化物半導
体はIn、Gaを含まないAlXGa1-XN(0<X<
1)とし、第2の窒化物半導体はAlを含まないInZ
Ga1-ZN(0≦Z<1)とし、中でも結晶性に優れた超
格子を得る目的で、Al混晶比(Y値)0.3以下のAl
XGa1-XN(0<X≦0.3)と、GaNの組み合わせ
が最も好ましい。In the laser device according to the embodiment of the present invention, FIG.
In the n-side nitride semiconductor layer below the active layer 14 shown in FIG. 5, a first nitride semiconductor layer having a larger band gap energy and a first nitride semiconductor layer An n-side cladding layer 12 having a superlattice structure in which a second nitride semiconductor layer having a small bandgap energy is laminated and having a different impurity concentration from each other is provided. The first nitride semiconductor layer and the second nitride semiconductor layer forming the superlattice layer have a thickness of 100 Å or less,
The thickness is more preferably adjusted to 70 Å or less, most preferably 10 to 40 Å.
If the thickness is larger than 100 Å, the first nitride semiconductor layer and the second nitride semiconductor layer have a thickness equal to or larger than the limit of elastic strain, and minute cracks or crystal defects tend to be easily formed in the films. In the present invention, the lower limits of the thicknesses of the first nitride semiconductor layer and the second nitride semiconductor layer are not particularly limited, and may be at least one atomic layer.
Most preferably, it is 0 Å or more. Further, the first nitride semiconductor layer is a nitride semiconductor containing at least Al,
Preferably, Al x Ga 1 -xN (0 <X ≦ 1) is grown. On the other hand, the second nitride semiconductor may be any nitride semiconductor having a band gap energy smaller than that of the first nitride semiconductor, but is preferably Al Y Ga 1-Y N (0 ≦ Y < 1, X> Y), In Z Ga 1-Z
Binary mixed crystal and ternary mixed crystal nitride semiconductors such as N (0 ≦ Z <1) can be easily grown, and those having good crystallinity can be easily obtained. Among them, the first nitride semiconductor is particularly preferably Al x Ga 1 -x N containing no In or Ga (0 <X <
1), and the second nitride semiconductor is free of Al an In Z
Ga 1 -ZN (0 ≦ Z <1), and in particular, for the purpose of obtaining a superlattice having excellent crystallinity, Al having an Al mixed crystal ratio (Y value) of 0.3 or less.
And X Ga 1-X N (0 <X ≦ 0.3), the combination of GaN is most preferable.
【0042】また、AlXGa1-XN(0<X<1)を用
いて第1の窒化物半導体を形成し、GaNを用いて第2
の窒化物半導体を形成した場合、以下のような製造上優
れた利点を有する。すなわち、有機金属気体層成長法
(MOCVD)によるAlXGa1-XN(0<X<1)層
及びGaN層の形成においては、いずれの層も同じH2
雰囲気中で成長させることができる。従って、雰囲気を
変えることなくAlXGa1-XN(0<X<1)層とGa
N層とを交互に成長させることにより超格子層を形成す
ることができる。このことは、数10から数100層を
積層して形成する必要がある超格子層を製造する上で極
めて大きな利点である。Further, a first nitride semiconductor is formed using Al x Ga 1 -xN (0 <X <1), and a second nitride semiconductor is formed using GaN.
When the nitride semiconductor of the above is formed, there are excellent manufacturing advantages as described below. That is, in forming the Al x Ga 1 -xN (0 <x <1) layer and the GaN layer by the metalorganic gas layer growth method (MOCVD), both layers are the same H 2.
It can be grown in an atmosphere. Therefore, the Al x Ga 1 -xN (0 <X <1) layer and the Ga
A superlattice layer can be formed by alternately growing the N layer. This is an extremely great advantage in manufacturing a superlattice layer that needs to be formed by stacking several tens to several hundreds of layers.
【0043】光閉じ込め層、及びキャリア閉じ込め層と
してクラッド層を形成する場合、活性層の井戸層よりも
バンドギャップエネルギーの大きい窒化物半導体を成長
させる必要がある。バンドギャップエネルギーの大きな
窒化物半導体層とは、即ちAl混晶比の高い窒化物半導
体である。従来ではAl混晶比の高い窒化物半導体を厚
膜で成長させると、クラックが入りやすくなるため、結
晶成長が非常に難しかった。しかしながら本発明のよう
に超格子層にすると、超格子層を構成する第1の窒化物
半導体層としてのAlGaN層をAl混晶比の多少高い
層としても、弾性臨界膜厚以下の膜厚で成長させている
のでクラックが入りにくい。そのため、本発明では、A
l混晶比の高い層を結晶性良く成長できるので、光閉じ
込め、キャリア閉じ込め効果の高いクラッド層を形成す
ることができ、レーザ素子では閾値電圧、LED素子で
はVf(順方向電圧)を低下させることができる。When a cladding layer is formed as a light confinement layer and a carrier confinement layer, it is necessary to grow a nitride semiconductor having a larger band gap energy than the well layer of the active layer. The nitride semiconductor layer having a large band gap energy is a nitride semiconductor having a high Al mixed crystal ratio. Conventionally, when a nitride semiconductor having a high Al mixed crystal ratio is grown as a thick film, cracks are easily formed, and crystal growth has been extremely difficult. However, when a superlattice layer is formed as in the present invention, even if the AlGaN layer serving as the first nitride semiconductor layer constituting the superlattice layer is a layer having a somewhat higher Al composition ratio, the AlGaN layer has a thickness less than the elastic critical film thickness. It is hard to crack because it is grown. Therefore, in the present invention, A
Since a layer having a high mixed crystal ratio can be grown with good crystallinity, a cladding layer having a high optical confinement and carrier confinement effect can be formed, and the threshold voltage is reduced in a laser device and Vf (forward voltage) is reduced in an LED device. be able to.
【0044】さらに、本発明に係る実施の形態のレーザ
素子では、このn側クラッド層12の第1の窒化物半導
体層と第2の窒化物半導体層とのn型不純物濃度が互い
に異なるように設定する。これはいわゆる変調ドープと
呼ばれるもので、一方の層のn型不純物濃度を小さく、
好ましくは不純物をドープしない状態(アンドープ)と
して、もう一方の層に高濃度にドープすると、閾値電
圧、Vf等を低下させることができる。これは不純物濃
度の低い層を超格子層中に存在させることにより、その
層の移動度が大きくなり、また不純物濃度が高濃度の層
も同時に存在することにより、キャリア濃度が高いまま
で超格子層が形成できることによる。つまり、不純物濃
度が低い移動度の高い層と、不純物濃度が高いキャリア
濃度が大きい層とが同時に存在することにより、キャリ
ア濃度が大きく、移動度も大きい層がクラッド層となる
ために、閾値電圧、Vfが低下すると推察される。Further, in the laser device according to the embodiment of the present invention, the first nitride semiconductor layer and the second nitride semiconductor layer of the n-side cladding layer 12 have different n-type impurity concentrations. Set. This is so-called modulation doping, in which one layer has a low n-type impurity concentration,
If the other layer is doped at a high concentration, preferably in a state where impurities are not doped (undoped), the threshold voltage, Vf, and the like can be reduced. This is because the presence of a layer with a low impurity concentration in the superlattice layer increases the mobility of that layer, and the presence of a layer with a high impurity concentration at the same time allows the superlattice to remain at a high carrier concentration. This is because a layer can be formed. That is, since a layer having a low impurity concentration and a high mobility and a layer having a high impurity concentration and a high carrier concentration are present at the same time, a layer having a high carrier concentration and a high mobility becomes a cladding layer. , Vf decrease.
【0045】バンドギャップエネルギーの大きな窒化物
半導体層に高濃度に不純物をドープした場合、この変調
ドープにより高不純物濃度層と、低不純物濃度層との間
に二次元電子ガスができ、この二次元電子ガスの影響に
より抵抗率が低下すると推察される。例えば、n型不純
物がドープされたバンドギャップの大きい窒化物半導体
層と、バンドギャップが小さいアンドープの窒化物半導
体層とを積層した超格子層では、n型不純物を添加した
層と、アンドープの層とのヘテロ接合界面で、障壁層側
が空乏化し、バンドギャップの小さい層側の厚さ前後の
界面に電子(二次元電子ガス)が蓄積する。この二次元
電子ガスがバンドギャップの小さい側にできるので、電
子が走行するときに不純物による散乱を受けないため、
超格子の電子の移動度が高くなり、抵抗率が低下する。
なおp側の変調ドープも同様に二次元正孔ガスの影響に
よると推察される。またp層の場合、AlGaNはGa
Nに比較して抵抗率が高い。そこでAlGaNの方にp
型不純物を多くドープすることにより抵抗率が低下する
ために、超格子層の実質的な抵抗率が低下するので素子
を作製した場合に、閾値が低下する傾向にあると推察さ
れる。When a nitride semiconductor layer having a large band gap energy is doped with an impurity at a high concentration, a two-dimensional electron gas is generated between the high impurity concentration layer and the low impurity concentration layer by the modulation doping. It is presumed that the resistivity decreases due to the influence of the electron gas. For example, in a superlattice layer in which a nitride semiconductor layer with a large band gap doped with an n-type impurity and an undoped nitride semiconductor layer with a small band gap are stacked, a layer doped with an n-type impurity and an undoped layer The barrier layer side is depleted at the interface with the heterojunction, and electrons (two-dimensional electron gas) accumulate at the interface near the thickness on the layer side with a small band gap. Since this two-dimensional electron gas is formed on the side with a smaller band gap, electrons are not scattered by impurities when traveling,
The mobility of electrons in the superlattice increases, and the resistivity decreases.
It is inferred that the p-side modulation dope is also affected by the two-dimensional hole gas. In the case of a p-layer, AlGaN is Ga
The resistivity is higher than that of N. Then p toward AlGaN
It is presumed that the threshold value tends to decrease when the device is manufactured because the resistivity decreases by doping a large amount of the type impurity, and the substantial resistivity of the superlattice layer decreases.
【0046】一方、バンドギャップエネルギーの小さな
窒化物半導体層に高濃度に不純物をドープした場合、以
下のような作用があると推察される。例えばAlGaN
層とGaN層にMgを同量でドープした場合、AlGa
N層ではMgのアクセプター準位の深さが大きく、活性
化率が小さい。一方、GaN層のアクセプター準位の深
さはAlGaN層に比べて浅く、Mgの活性化率は高
い。例えばMgを1×1020/cm3ドープしてもGaN
では1×1018/cm3程度のキャリア濃度であるのに対
し、AlGaNでは1×1017/cm3程度のキャリア濃
度しか得られない。そこで、本発明ではAlGaN/G
aNとで超格子とし、高キャリア濃度が得られるGaN
層の方に多く不純物をドープすることにより、高キャリ
ア濃度の超格子が得られるものである。しかも超格子と
しているため、トンネル効果でキャリアは不純物濃度の
少ないAlGaN層を移動するため、実質的にキャリア
はAlGaN層の作用は受けず、AlGaN層はバンド
ギャップエネルギーの高いクラッド層として作用する。
従って、バンドギャップエネルギーの小さな方の窒化物
半導体層に不純物を多くドープしても、レーザ素子、L
ED素子の閾値を低下させる上で非常に効果的である。
なおこの説明はp型層側に超格子を形成する例について
説明したが、n層側に超格子を形成する場合において
も、同様の効果がある。On the other hand, when a nitride semiconductor layer having a small band gap energy is doped with an impurity at a high concentration, the following effects are presumed. For example, AlGaN
Layer and the GaN layer are doped with the same amount of Mg,
In the N layer, the acceptor level of Mg is large and the activation rate is small. On the other hand, the depth of the acceptor level of the GaN layer is shallower than that of the AlGaN layer, and the activation rate of Mg is high. For example, even if Mg is doped at 1 × 10 20 / cm 3, GaN
Has a carrier concentration of about 1 × 10 18 / cm 3 , whereas AlGaN can only provide a carrier concentration of about 1 × 10 17 / cm 3 . Therefore, in the present invention, AlGaN / G
GaN that can form a superlattice with aN and obtain a high carrier concentration
By doping the layer with more impurities, a superlattice with a high carrier concentration can be obtained. Moreover, since the carrier is a superlattice, the carrier moves through the AlGaN layer having a low impurity concentration by the tunnel effect, so that the carrier is not substantially affected by the AlGaN layer, and the AlGaN layer acts as a clad layer having a high band gap energy.
Therefore, even if the nitride semiconductor layer having the smaller band gap energy is heavily doped with impurities, the laser element and the L
This is very effective in lowering the threshold value of the ED element.
In this description, an example is described in which a superlattice is formed on the p-type layer side. However, a similar effect can be obtained when a superlattice is formed on the n-layer side.
【0047】バンドギャップエネルギーが大きい第1の
窒化物半導体層にn型不純物を多くドープする場合、第
1の窒化物半導体層への好ましいドープ量としては、1
×1017/cm3〜1×1020/cm3、さらに好ましくは1
×1018/cm3〜5×1019/cm3の範囲に調整する。1
×1017/cm3よりも少ないと、第2の窒化物半導体層
との差が少なくなって、キャリア濃度の大きい層が得ら
れにくい傾向にあり、また1×1020/cm3よりも多い
と、素子自体のリーク電流が多くなりやすい傾向にあ
る。一方、第2の窒化物半導体層のn型不純物濃度は第
1の窒化物半導体層よりも少なければ良く、好ましくは
1/10以上少ない方が望ましい。最も好ましくはアン
ドープとすると最も移動度の高い層が得られるが、膜厚
が薄いため、第1の窒化物半導体側から拡散してくるn
型不純物があり、その量は1×1019/cm3以下が望ま
しい。n型不純物としてはSi、Ge、Se、S、O等
の周期律表第IVB族、VIB族元素を選択し、好ましくは
Si、Ge、Sをn型不純物とする。この作用は、バン
ドギャップエネルギーが大きい第1の窒化物半導体層に
n型不純物を少なくドープして、バンドギャップエネル
ギーが小さい第2の窒化物半導体層にn型不純物を多く
ドープする場合も同様である。When the first nitride semiconductor layer having a large band gap energy is heavily doped with an n-type impurity, a preferable doping amount of the first nitride semiconductor layer is 1
× 10 17 / cm 3 to 1 × 10 20 / cm 3 , more preferably 1 × 10 20 / cm 3
It is adjusted to a range of × 10 18 / cm 3 to 5 × 10 19 / cm 3 . 1
If it is less than × 10 17 / cm 3 , the difference from the second nitride semiconductor layer will be small, and it tends to be difficult to obtain a layer having a high carrier concentration, and more than 1 × 10 20 / cm 3. Then, the leak current of the element itself tends to increase. On the other hand, the n-type impurity concentration of the second nitride semiconductor layer may be lower than that of the first nitride semiconductor layer, preferably 1/10 or more. Most preferably, if undoped, a layer having the highest mobility can be obtained, but since the film thickness is small, n diffused from the first nitride semiconductor side.
There is a type impurity, and its amount is preferably 1 × 10 19 / cm 3 or less. As the n-type impurity, an element of Group IVB or VIB of the periodic table such as Si, Ge, Se, S, or O is selected, and preferably, Si, Ge, and S are used as the n-type impurities. This effect is the same when the first nitride semiconductor layer having a large band gap energy is doped with a small amount of n-type impurities and the second nitride semiconductor layer having a small band gap energy is doped with a large amount of n-type impurities. is there.
【0048】また、本発明の実施の形態のレーザ素子で
は、図1に示す活性層14の上部にあるp側窒化物半導
体層中において、活性層14と離れた位置に、バンドギ
ャップエネルギーの大きな第3の窒化物半導体層と、第
3の窒化物半導体層よりもバンドギャップエネルギーの
小さな第4の窒化物半導体層とが積層されてなり、互い
の不純物濃度が異なる超格子構造のp側クラッド層17
を有している。このp側クラッド層17の超格子層を構
成する第3、第4の窒化物半導体層の膜厚も、n側クラ
ッド層12と同じく、100オングストローム以下、さ
らに好ましくは70オングストローム以下、最も好まし
くは10〜40オングストロームの膜厚に調整する。同
様に、第3の窒化物半導体層は少なくともAlを含む窒
化物半導体、好ましくはAlXGa1-XN(0<X≦1)
を成長させることが望ましく、第4の窒化物半導体は好
ましくはAlYGa1-YN(0≦Y<1、X>Y)、InZG
a1-ZN(0≦Z≦1)のような2元混晶、3元混晶の窒
化物半導体を成長させることが望ましい。Further, in the laser device according to the embodiment of the present invention, in the p-side nitride semiconductor layer above the active layer 14 shown in FIG. A p-side cladding having a superlattice structure in which a third nitride semiconductor layer and a fourth nitride semiconductor layer having a smaller bandgap energy than the third nitride semiconductor layer are laminated and have different impurity concentrations from each other. Layer 17
have. Like the n-side cladding layer 12, the third and fourth nitride semiconductor layers constituting the superlattice layer of the p-side cladding layer 17 also have a thickness of 100 angstroms or less, more preferably 70 angstroms or less, and most preferably. The thickness is adjusted to 10 to 40 angstroms. Similarly, the third nitride semiconductor layer is a nitride semiconductor containing at least Al, preferably Al x Ga 1 -xN (0 <x ≦ 1).
And the fourth nitride semiconductor is preferably Al Y Ga 1-Y N (0 ≦ Y <1, X> Y), In Z G
a 1-Z N 2 mixed crystal such as (0 ≦ Z ≦ 1), it is desirable to grow the nitride semiconductor ternary mixed crystal.
【0049】p側クラッド層17を超格子構造とする
と、超格子構造がレーザ素子に与える作用は、n側クラ
ッド層12の作用と同じであるが、さらにn層側に形成
した場合に加えて次のような作用がある。即ち、p型窒
化物半導体はn型窒化物半導体に比べて、通常抵抗率が
2桁以上高い。そのため超格子層をp層側に形成するこ
とにより、閾値電圧を低くする効果が顕著に現れる。詳
しく説明すると窒化物半導体はp型結晶が非常に得られ
にくい半導体であることが知られている。p型結晶を得
るためp型不純物をドープした窒化物半導体層をアニー
リングして、水素を除去する技術が知られている(特許
第2540791号)。しかしp型が得られたといって
もその抵抗率は数Ω・cm以上もある。そこで、このp型
層を超格子層とすることにより結晶性が良くなり、抵抗
率が1桁以上低下するため閾値電圧を低くすることがで
きる。If the p-side cladding layer 17 has a superlattice structure, the effect of the superlattice structure on the laser element is the same as that of the n-side cladding layer 12, but in addition to the case where the p-side cladding layer 17 is formed on the n-layer side. It has the following effects. That is, the p-type nitride semiconductor generally has a resistivity higher by two digits or more than the n-type nitride semiconductor. Therefore, by forming the superlattice layer on the p-layer side, the effect of lowering the threshold voltage appears remarkably. To be more specific, it is known that a nitride semiconductor is a semiconductor from which a p-type crystal is extremely difficult to obtain. A technique for removing hydrogen by annealing a nitride semiconductor layer doped with a p-type impurity to obtain a p-type crystal is known (Japanese Patent No. 2540791). However, even if a p-type is obtained, its resistivity is several Ω · cm or more. Therefore, by using this p-type layer as a superlattice layer, the crystallinity is improved and the resistivity is reduced by one digit or more, so that the threshold voltage can be lowered.
【0050】p側クラッド層17の第3の窒化物半導体
層と第4の窒化物半導体層とのp型不純物濃度が異な
り、一方の層の不純物濃度を大きく、もう一方の層の不
純物濃度を小さくする。n側クラッド層12と同様に、
バンドギャップエネルギーの大きな第3の窒化物半導体
層の方のp型不純物濃度を大きくして、バンドギャップ
エネルギーの小さな第4のp型不純物濃度を小さく、好
ましくはアンドープとすると、閾値電圧、Vf等を低下
させることができる。またその逆の構成も可能である。
つまりバンドギャップエネルギーの大きな第3の窒化物
半導体層のp型不純物濃度を小さくして、バンドギャッ
プエネルギーの小さな第4の窒化物半導体層のp型不純
物濃度を大きくしても良い。理由は先に述べたとおりで
ある。The third nitride semiconductor layer and the fourth nitride semiconductor layer of the p-side cladding layer 17 have different p-type impurity concentrations, and the impurity concentration of one layer is higher and the impurity concentration of the other layer is lower. Make it smaller. Similarly to the n-side cladding layer 12,
If the p-type impurity concentration of the third nitride semiconductor layer having a larger bandgap energy is increased and the fourth p-type impurity concentration having a smaller bandgap energy is reduced, preferably undoped, the threshold voltage, Vf, etc. Can be reduced. The opposite configuration is also possible.
That is, the p-type impurity concentration of the third nitride semiconductor layer having a large band gap energy may be reduced, and the p-type impurity concentration of the fourth nitride semiconductor layer having a small band gap energy may be increased. The reason is as described above.
【0051】第3の窒化物半導体層への好ましいドープ
量としては1×1018/cm3〜1×1021/cm3、さらに
好ましくは1×1019/cm3〜5×1020/cm3の範囲に
調整する。1×1018/cm3よりも少ないと、同様に第
4の窒化物半導体層との差が少なくなって、同様にキャ
リア濃度の大きい層が得られにくい傾向にあり、また1
×1021/cm3よりも多いと、結晶性が悪くなる傾向に
ある。一方、第4の窒化物半導体層のp型不純物濃度は
第3の窒化物半導体層よりも少なければ良く、好ましく
は1/10以上少ない方が望ましい。最も移動度の高い
層を得るためには、アンドープとすることが最も好まし
い。現実には、膜厚が薄いため、第3の窒化物半導体側
から拡散してくるp型不純物があると考えられるが、本
願発明において良好な結果を得るためには、その量は1
×1020/cm3以下が望ましい。尚、p型不純物として
はMg、Zn、Ca、Be等の周期律表第IIA族、IIB
族元素を選択し、好ましくはMg、Ca等をp型不純物
とする。この作用は、バンドギャップエネルギーが大き
い第3の窒化物半導体層にp型不純物を少なくドープし
て、バンドギャップエネルギーが小さい第4の窒化物半
導体層にp型不純物を多くドープする場合も同様であ
る。The preferable doping amount of the third nitride semiconductor layer is 1 × 10 18 / cm 3 to 1 × 10 21 / cm 3 , more preferably 1 × 10 19 / cm 3 to 5 × 10 20 / cm. Adjust to the range of 3 . If it is less than 1 × 10 18 / cm 3 , the difference from the fourth nitride semiconductor layer is similarly reduced, and it tends to be difficult to obtain a layer having a high carrier concentration.
If it is more than × 10 21 / cm 3 , the crystallinity tends to deteriorate. On the other hand, the p-type impurity concentration of the fourth nitride semiconductor layer may be lower than that of the third nitride semiconductor layer, preferably 1/10 or less. In order to obtain a layer having the highest mobility, undoping is most preferable. Actually, since the film thickness is small, it is considered that there is a p-type impurity diffused from the third nitride semiconductor side. However, in order to obtain a good result in the present invention, the amount is one.
× 10 20 / cm 3 or less is desirable. The p-type impurities include, for example, Mg, Zn, Ca, Be, etc., from Group IIA of the periodic table and IIB.
A group element is selected, and preferably, Mg, Ca, or the like is used as the p-type impurity. This effect is the same when the third nitride semiconductor layer having a large band gap energy is doped with a small amount of p-type impurities, and the fourth nitride semiconductor layer having a small band gap energy is doped with a large amount of p-type impurities. is there.
【0052】さらにまた超格子を構成する窒化物半導体
層において、不純物が高濃度にドープされる層は、それ
ぞれ厚さ方向に対し、半導体層中央部(第2の窒化物半
導体層又は第4の窒化物半導体層から離れた位置)の不
純物濃度が大きく、両端部近傍(第2の窒化物半導体層
又は第4の窒化物半導体層に近接する部分)の不純物濃
度が小さく(好ましくはアンドープ)なるようにするこ
とが望ましい。具体的に説明すると、例えばn型不純物
としてSiをドープしたAlGaNと、アンドープのG
aN層とで超格子層を形成した場合、AlGaNはSi
をドープしているのでドナーとして電子を伝導帯に出す
が、電子はポテンシャルの低いGaNの伝導帯に落ち
る。GaN結晶中にはドナー不純物をドープしていない
ので、不純物によるキャリアの散乱を受けない。そのた
め電子は容易にGaN結晶中を動くことができ、実質的
な電子の移動度が高くなる。これは前述した二次元電子
ガスの効果と類似しており、電子横方向の実質的な移動
度が高くなり、抵抗率が小さくなる。さらに、バンドギ
ャップエネルギーの大きいAlGaNにおいて、GaN
層から比較的離れた中央領域にn型不純物を高濃度にド
ープすると効果はさらに大きくできる。即ちGaN中を
移動する電子のうち、AlGaN層に近い部分を通過す
る電子は、AlGaN層中のGaN層に近接する部分に
あるn型不純物イオン(この場合Si)の散乱を多少な
りとも受ける。しかし、上述のようにAlGaN層にお
いて、GaN層に近接する部分をアンドープとすると、
AlGaN層に近い部分を通過する電子がSiの散乱を
受けにくくなるので、さらにアンドープGaN層の移動
度が向上するのである。作用は若干異なるが、p層側の
第3の窒化物半導体層と第4の窒化物半導体層とで超格
子を構成した場合も類似した効果があり、バンドギャッ
プエネルギーの大きい第3の窒化物半導体層の中央部領
域に、p型不純物を多くドープし、第4の窒化物半導体
層に近接する部分を少なくするか、あるいはアンドープ
とすることが望ましい。一方バンドギャップエネルギー
の小さな窒化物半導体層にn型不純物を多くドープした
層を、前記不純物濃度の構成とすることもできるが、バ
ンドギャップエネルギーの小さな方に不純物を多くドー
プした超格子では、その効果は少ない傾向にある。Furthermore, in the nitride semiconductor layer constituting the superlattice, the layer in which impurities are doped at a high concentration corresponds to the semiconductor layer central portion (the second nitride semiconductor layer or the fourth nitride semiconductor layer) in the thickness direction. The impurity concentration at a position distant from the nitride semiconductor layer) is high, and the impurity concentration near both ends (portion close to the second nitride semiconductor layer or the fourth nitride semiconductor layer) is low (preferably undoped). It is desirable to do so. More specifically, for example, AlGaN doped with Si as an n-type impurity and undoped G
When a superlattice layer is formed with an aN layer, AlGaN becomes Si
Doping, electrons are emitted to the conduction band as donors, but the electrons fall into the conduction band of GaN having a low potential. Since the GaN crystal is not doped with a donor impurity, carriers are not scattered by the impurity. Therefore, electrons can easily move in the GaN crystal, and the mobility of electrons is substantially increased. This is similar to the effect of the two-dimensional electron gas described above, and the electron mobility in the lateral direction is substantially increased, and the resistivity is reduced. Further, in AlGaN having a large band gap energy, GaN
The effect can be further increased by doping the central region relatively far from the layer with n-type impurities at a high concentration. That is, of the electrons moving in the GaN, the electrons passing through the portion close to the AlGaN layer are somewhat scattered by n-type impurity ions (in this case, Si) in the portion of the AlGaN layer close to the GaN layer. However, as described above, in the AlGaN layer, if a portion near the GaN layer is undoped,
Since electrons passing through a portion close to the AlGaN layer are less likely to be scattered by Si, the mobility of the undoped GaN layer is further improved. Although the function is slightly different, a similar effect is obtained when a superlattice is formed by the third nitride semiconductor layer and the fourth nitride semiconductor layer on the p-layer side, and the third nitride having a large bandgap energy has a similar effect. It is desirable that the central region of the semiconductor layer be heavily doped with a p-type impurity and the portion adjacent to the fourth nitride semiconductor layer be reduced or undoped. On the other hand, a layer in which a nitride semiconductor layer having a small bandgap energy is heavily doped with an n-type impurity may be configured to have the above-described impurity concentration. The effect tends to be small.
【0053】以上、n側クラッド層12、p側クラッド
層17を超格子層とすることについて説明したが、本発
明では超格子層は、この他、コンタクト層としてのn側
バッファ層11、n側光ガイド層13、p側キャップ層
15、p側光ガイド層16、p側コンタクト層18等を
超格子構造とすることができる。つまり活性層から離れ
た層、活性層に接した層、どの層でも超格子層とするこ
とができる。特にn電極が形成されるn側バッファ層1
1を超格子とすると、前記HEMTに類似した効果が現
れやすい。While the above description has been given of the case where the n-side cladding layer 12 and the p-side cladding layer 17 are superlattice layers, the present invention also relates to a superlattice layer which is formed of an n-side buffer layer 11, n The side light guide layer 13, the p-side cap layer 15, the p-side light guide layer 16, the p-side contact layer 18, and the like can have a super lattice structure. That is, any layer apart from the active layer, a layer in contact with the active layer, or any other layer can be a superlattice layer. In particular, an n-side buffer layer 1 on which an n-electrode is formed
If 1 is a superlattice, an effect similar to that of the HEMT is likely to appear.
【0054】さらに、本発明の実施形態のレーザ素子に
おいては、図1に示すように、超格子層からなるn側ク
ラッド層12と活性層14との間に、不純物(この場合
n型不純物)濃度が1×1019/cm3以下に調整された
n側光ガイド層13が形成されている。このn側光ガイ
ド層13は、アンドープとしても、n型不純物が他の層
から拡散して入ってくる可能性があるが、本発明におい
ては、1×1019/cm3以下のドープ量であれば、光ガ
イド層として動作し本願発明の効果を損なうことはな
い。しかしながら、本発明において、n側光ガイド層1
3の不純物濃度は1×1018/cm3以下であることが好
ましく、1×1017/cm3以下であることがさらに好ま
しく、アンドープであることが最も好ましい。また、こ
のn側光ガイド層はInを含む窒化物半導体、またはG
aNで構成することが望ましい。Further, in the laser device according to the embodiment of the present invention, as shown in FIG. 1, an impurity (in this case, an n-type impurity) is provided between the active layer 14 and the n-side cladding layer 12 made of a superlattice layer. An n-side light guide layer 13 having a concentration adjusted to 1 × 10 19 / cm 3 or less is formed. Although the n-side light guide layer 13 may be undoped, an n-type impurity may diffuse from another layer and enter. However, in the present invention, the doping amount is 1 × 10 19 / cm 3 or less. If it exists, it operates as a light guide layer and does not impair the effects of the present invention. However, in the present invention, the n-side light guide layer 1
The impurity concentration of No. 3 is preferably 1 × 10 18 / cm 3 or less, more preferably 1 × 10 17 / cm 3 or less, and most preferably undoped. The n-side light guide layer is made of a nitride semiconductor containing In or G
It is desirable to be composed of aN.
【0055】また実施形態のレーザ素子においては、超
格子層からなるp側クラッド層17と活性層14との間
に、不純物(この場合p型不純物)濃度が1×1019/
cm3以下に調整されたp側光ガイド層16が形成されて
いる。本発明において、p側ガイド層16の不純物濃度
は、1×1019/cm3以下であればよいが、好ましい不
純物濃度は1×1018/cm3以下であり、最も好ましく
はアンドープとする。窒化物半導体の場合、アンドープ
とすると、通常n型の導電性を示すが、本発明は、この
p側ガイド層16の導電型はn又はpのいずれでもよ
く、本明細書においては、導電型にかかわらずp側光ガ
イド層と呼ぶ。また、実際には、p型不純物が他の層か
ら拡散してこのp側光ガイド層16に入ってくる可能性
もある。尚、このp側光ガイド層もInを含む窒化物半
導体、またはGaNで構成することが望ましい。In the laser device of the embodiment, the impurity (p-type impurity in this case) concentration is 1 × 10 19 / p between the active layer 14 and the p-side cladding layer 17 made of a superlattice layer.
A p-side light guide layer 16 adjusted to cm 3 or less is formed. In the present invention, the impurity concentration of the p-side guide layer 16 may be 1 × 10 19 / cm 3 or less, but the preferred impurity concentration is 1 × 10 18 / cm 3 or less, and most preferably undoped. In the case of a nitride semiconductor, when it is undoped, it usually shows n-type conductivity. However, in the present invention, the conductivity type of the p-side guide layer 16 may be either n or p. Regardless of this, it is called a p-side light guide layer. Actually, the p-type impurity may diffuse from another layer and enter the p-side light guide layer 16. It is desirable that the p-side light guide layer is also made of a nitride semiconductor containing In or GaN.
【0056】なぜ、活性層とクラッド層との間にアンド
ープの窒化物半導体を存在させることが好ましいのかは
次の通りである。即ち、窒化物半導体の場合、活性層の
発光は通常360〜520nm、特に380〜450n
mを目的として設計される。アンドープの窒化物半導体
はn型不純物、p型不純物をドープした窒化物半導体に
比較して、前記波長を有する光の吸収率が低い。従っ
て、アンドープの窒化物半導体を、発光する活性層と、
光閉じ込め層としてのクラッド層との間に挟むことによ
り、活性層の発光を消衰させることが少ないので、低利
得で発振するレーザ素子が実現でき、閾値電圧を低くす
ることができる。尚、この効果は、光ガイド層の不純物
濃度が、1×1019/cm3以下であれば確認できる。The reason why an undoped nitride semiconductor is preferably present between the active layer and the cladding layer is as follows. That is, in the case of a nitride semiconductor, light emission of the active layer is usually 360 to 520 nm, particularly 380 to 450 n.
m. An undoped nitride semiconductor has a lower absorptance of light having the above-mentioned wavelength than a nitride semiconductor doped with an n-type impurity and a p-type impurity. Therefore, an undoped nitride semiconductor, a light emitting active layer,
Since the light emission of the active layer is hardly attenuated by being sandwiched between the cladding layer as the light confinement layer, a laser element oscillating with low gain can be realized, and the threshold voltage can be reduced. Note that this effect can be confirmed when the impurity concentration of the light guide layer is 1 × 10 19 / cm 3 or less.
【0057】従って、本発明の好ましい組み合わせとし
ては、活性層と離れた位置に不純物が変調ドープされた
超格子構造を有するクラッド層を有し、そのクラッド層
と活性層との間に、不純物濃度が低い、好ましくはアン
ドープのガイド層を有する発光素子である。Therefore, as a preferred combination of the present invention, a clad layer having a superlattice structure in which impurities are modulation-doped is provided at a position distant from the active layer, and the impurity concentration is between the clad layer and the active layer. Light-emitting device having a low, preferably undoped guide layer.
【0058】さらに好ましい態様として、本発明の発光
素子では、p側ガイド層16と活性層14との間に、活
性層の井戸層、及びp側ガイド層16界面のバンドギャ
ップエネルギーよりも大きいバンドギャップエネルギー
を有する膜厚0.1μm以下の窒化物半導体よりなるp
側キャップ層15が形成されており、そのp側キャップ
層の不純物濃度が1×1018/cm3以上に調整されてい
る。このp型キャップ層15の膜厚は0.1μm以下、
さらに好ましくは500オングストローム以下、最も好
ましくは300オングストローム以下に調整する。0.
1μmより厚い膜厚で成長させると、p型キャップ層1
5中にクラックが入りやすくなり、結晶性の良い窒化物
半導体層が成長しにくいからである。このようにバンド
ギャップエネルギーが大きな層を活性層に接して、0.
1μm以下の薄膜で形成することにより、発光素子のリ
ーク電流が少なくなる傾向にある。これによって、n層
側から注入された電子が、キャップ層のエネルギーバリ
アの障壁により、活性層内に溜まり、電子と正孔との再
結合の確率が高くなるために素子自体の出力を向上させ
ることができる。また、不純物濃度は1×1018/cm3
以上に調整する必要がある。このキャップ層は比較的A
l混晶比の高い層であり、Al混晶比の高い層は高抵抗
になりやすい。このため不純物をドープすることにより
キャリア濃度を高くして抵抗率を下げてやらないと、こ
の層が高抵抗なi層のようになり、p−i−n構造とな
って電流電圧特性が悪くなる傾向にあるからである。な
お、このp側にあるキャップ層は、n側に形成してもよ
い。n側に形成する場合は、n型不純物をドープしても
しなくても良い。As a further preferred embodiment, in the light emitting device of the present invention, the band between the p-side guide layer 16 and the active layer 14 is larger than the band gap energy of the well layer of the active layer and the interface of the p-side guide layer 16. P made of a nitride semiconductor having a gap energy and a thickness of 0.1 μm or less
The side cap layer 15 is formed, and the impurity concentration of the p-side cap layer is adjusted to 1 × 10 18 / cm 3 or more. The thickness of the p-type cap layer 15 is 0.1 μm or less,
It is more preferably adjusted to 500 angstrom or less, most preferably 300 angstrom or less. 0.
When grown to a thickness greater than 1 μm, the p-type cap layer 1
This is because cracks are easily formed in the layer 5 and it is difficult to grow a nitride semiconductor layer having good crystallinity. When the layer having a large band gap energy is brought into contact with the active layer in this manner, the layer having a band gap energy of 0.
By forming the thin film having a thickness of 1 μm or less, the leak current of the light emitting element tends to be reduced. As a result, electrons injected from the n-layer side accumulate in the active layer due to the barrier of the energy barrier of the cap layer, and the probability of recombination of electrons and holes increases, thereby improving the output of the device itself. be able to. The impurity concentration is 1 × 10 18 / cm 3
It is necessary to adjust above. This cap layer is relatively A
A layer having a high 1-crystal ratio and a layer having a high Al-crystal ratio tend to have high resistance. For this reason, unless the resistivity is lowered by increasing the carrier concentration by doping impurities, this layer becomes like a high-resistance i-layer, and has a pin structure, resulting in poor current-voltage characteristics. This is because it tends to be. The p-side cap layer may be formed on the n-side. When formed on the n-side, n-type impurities may or may not be doped.
【0059】以上のように構成された実施形態のレーザ
素子は、n側クラッド層12及びp側クラッド層17を
超格子構造で構成しているので、n側クラッド層12及
びp側クラッド層17の電気抵抗を低くでき、閾値電圧
を低くできしかも長時間のレーザ発振が可能である。ま
た、本実施形態のレーザ素子では、n側クラッド層12
及びp側クラッド層17を超格子構造で構成する以外に
も、上述したように種々の手段を講じて、さらなる閾値
電圧の低減を可能としている。In the laser device according to the embodiment configured as described above, the n-side cladding layer 12 and the p-side cladding layer 17 have a superlattice structure. , The threshold voltage can be lowered, and laser oscillation can be performed for a long time. In the laser device of the present embodiment, the n-side cladding layer 12
In addition to the p-side cladding layer 17 having a super lattice structure, various measures are taken as described above to further reduce the threshold voltage.
【0060】以上の実施形態では、n側クラッド層12
及びp側クラッド層17を超格子構造としたが、本発明
はこれに限らず、n側クラッド層12及びp側クラッド
層17のうちのどちらか一方を超格子構造としてもよ
い。以上のようにしても閾値電圧を従来例に比較して低
くできる。In the above embodiment, the n-side cladding layer 12
Although the p-side cladding layer 17 has a superlattice structure, the present invention is not limited to this, and one of the n-side cladding layer 12 and the p-side cladding layer 17 may have a superlattice structure. Even in the manner described above, the threshold voltage can be lowered as compared with the conventional example.
【0061】また、実施形態では、n側クラッド層12
及びp側クラッド層17を超格子構造としたが、本発明
はこれに限らず、n側クラッド層12及びp側クラッド
層17以外のp側及びn側の窒化物半導体層のいずれか
1つ以上が超格子構造であればよい。以上のように構成
しても、閾値電圧を従来例に比較して低くできる。In the embodiment, the n-side cladding layer 12
Although the p-side cladding layer 17 has a superlattice structure, the present invention is not limited to this, and any one of the p-side and n-side nitride semiconductor layers other than the n-side cladding layer 12 and the p-side cladding layer 17 may be used. What is necessary is just a superlattice structure. Even with the configuration described above, the threshold voltage can be reduced as compared with the conventional example.
【0062】以上の実施形態では、レーザ素子において
n側クラッド層12及びp側クラッド層17を超格子構
造としたが、本発明はこれに限らず、発光ダイオード
(LED)等、他の窒化物半導体素子に適用できること
はいうまでもない。以上のように構成することにより、
発光ダイオードでは、Vf(順方向電圧)を下げること
ができる。In the above embodiments, the n-side cladding layer 12 and the p-side cladding layer 17 have a superlattice structure in the laser element. However, the present invention is not limited to this, and other nitrides such as a light emitting diode (LED) may be used. It goes without saying that the present invention can be applied to a semiconductor element. By configuring as above,
In a light emitting diode, Vf (forward voltage) can be reduced.
【0063】[0063]
【実施例】以下、図1、図2を元に本発明の実施例を詳
説する。図2は図1のレーザ素子の形状を示す斜視図で
ある。DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS An embodiment of the present invention will be described below in detail with reference to FIGS. FIG. 2 is a perspective view showing the shape of the laser device of FIG.
【0064】[実施例1]サファイア(C面)よりなる
基板の上にGaNよりなるバッファ層を介してGaNよ
りなる単結晶を50μmの膜厚で成長させたGaN基板
10を用意する。このGaN基板10を反応容器内にセ
ットし、温度を1050℃まで上げ、キャリアガスに水
素、原料ガスにアンモニアとTMG(トリメチルガリウ
ム)、不純物ガスとしてシランガスを用い、GaN基板
10上にSiを1×1018/cm3ドープしたGaNより
なるn側バッファ層11を4μmの膜厚で成長させる。
このバッファ層は、図1のような構造の発光素子を作製
した場合にはn電極を形成するためのコンタクト層とし
ても作用する。さらに、このn側バッファ層は高温で成
長させるバッファ層であり、例えばサファイア、Si
C、スピネルのように窒化物半導体体と異なる材料より
なる基板の上に、900℃以下の低温において、Ga
N、AlN等を、0.5μm以下の膜厚で直接成長させ
るバッファ層とは区別される。Example 1 A GaN substrate 10 was prepared by growing a single crystal of GaN to a thickness of 50 μm on a substrate of sapphire (C-plane) via a buffer layer of GaN. The GaN substrate 10 was set in a reaction vessel, the temperature was raised to 1050 ° C., hydrogen was used as a carrier gas, ammonia and TMG (trimethylgallium) as source gases, silane gas as an impurity gas, and Si was placed on the GaN substrate 10. An n-side buffer layer 11 of GaN doped with × 10 18 / cm 3 is grown to a thickness of 4 μm.
This buffer layer also functions as a contact layer for forming an n-electrode when a light emitting device having a structure as shown in FIG. 1 is manufactured. Further, the n-side buffer layer is a buffer layer grown at a high temperature, for example, sapphire, Si
C, on a substrate made of a material different from the nitride semiconductor such as spinel,
It is distinguished from a buffer layer in which N, AlN or the like is directly grown to a thickness of 0.5 μm or less.
【0065】(n側クラッド層12=超格子層)続い
て、1050℃でTMA(トリメチルアルミニウム)、
TMG、アンモニア、シランガスを用い、Siを1×1
019/cm3ドープしたn型Al0.2Ga0.8Nよりなる第
1の層を40オングストロームの膜厚で成長させ、続い
てシランガス、TMAを止め、アンドープのGaNより
なる第2の層を40オングストロームの膜厚で成長させ
る。そして第1層+第2層+第1層+第2層+・・・と
いうように超格子層を構成し、それぞれ100層ずつ交
互に積層し、総膜厚0.8μmの超格子よりなるn側ク
ラッド層12を成長させる。(N-side cladding layer 12 = superlattice layer) Then, at 1050 ° C., TMA (trimethylaluminum),
1 × 1 Si using TMG, ammonia and silane gas
A first layer of 0 19 / cm 3 doped n-type Al 0.2 Ga 0.8 N is grown to a thickness of 40 Å, followed by stopping silane gas and TMA, and forming a second layer of undoped GaN to 40 Å. It grows with the film thickness of. A superlattice layer is composed of a first layer + a second layer + a first layer + a second layer +... 100 layers are alternately laminated, each having a total thickness of 0.8 μm. The n-side cladding layer 12 is grown.
【0066】(n側光ガイド層13)続いて、シランガ
スを止め、1050℃でアンドープGaNよりなるn側
光ガイド層13を0.1μmの膜厚で成長させる。この
n側光ガイド層は、活性層の光ガイド層として作用し、
GaN、InGaNを成長させることが望ましく、通常
100オングストローム〜5μm、さらに好ましくは2
00オングストローム〜1μmの膜厚で成長させること
が望ましい。またこの層をアンドープの超格子層とする
こともできる。超格子層とする場合にはバンドギャップ
エネルギーは活性層より大きく、n側クラッド層のAl
0.2Ga0.8Nよりも小さくする。(N-side light guide layer 13) Subsequently, the silane gas is stopped and the n-side light guide layer 13 made of undoped GaN is grown at 1050 ° C. to a thickness of 0.1 μm. This n-side light guide layer acts as a light guide layer of the active layer,
It is desirable to grow GaN or InGaN, usually 100 Å to 5 μm, more preferably 2 Å.
It is desirable to grow with a film thickness of 00 Å to 1 μm. This layer can also be an undoped superlattice layer. In the case of a superlattice layer, the band gap energy is larger than that of the active layer,
It should be smaller than 0.2 Ga 0.8 N.
【0067】(活性層14)次に、原料ガスにTMG、
TMI、アンモニアを用いて活性層14を成長させる。
活性層14は温度を800℃に保持して、アンドープI
n0.2Ga0.8Nよりなる井戸層を25オングストローム
の膜厚で成長させる。次にTMIのモル比を変化させる
のみで同一温度で、アンドープIn0.01Ga0.95Nより
なる障壁層を50オングストロームの膜厚で成長させ
る。この操作を2回繰り返し、最後に井戸層を積層した
総膜厚175オングストロームの多重量子井戸構造(M
QW)の活性層を成長させる。活性層は本実施例のよう
にアンドープでもよいし、またn型不純物及び/又はp
型不純物をドープしても良い。不純物は井戸層、障壁層
両方にドープしても良く、いずれか一方にドープしても
よい。(Active Layer 14) Next, TMG was used as a source gas.
The active layer 14 is grown using TMI and ammonia.
The active layer 14 maintains the temperature at 800 ° C.
A well layer made of n 0.2 Ga 0.8 N is grown to a thickness of 25 Å. Next, a barrier layer made of undoped In 0.01 Ga 0.95 N is grown to a thickness of 50 Å at the same temperature only by changing the molar ratio of TMI. This operation was repeated twice, and finally, a multiple quantum well structure (M
A QW) active layer is grown. The active layer may be undoped as in this embodiment, or may be an n-type impurity and / or a p-type impurity.
Type impurities may be doped. The impurity may be doped into both the well layer and the barrier layer, or may be doped into either one.
【0068】(p側キャップ層15)次に、温度を10
50℃に上げ、TMG、TMA、アンモニア、Cp2M
g(シクロペンタジエニルマグネシウム)を用い、p側
光ガイド層16よりもバンドギャップエネルギーが大き
い、Mgを1×1020/cm3ドープしたp型Al0.3Ga
0.7Nよりなるp側キャップ層17を300オングスト
ロームの膜厚で成長させる。このp型キャップ層15は
前に述べたように、0.1μm以下の巻く厚保で形成
し、膜厚の下限は特に限定しないが、10オングストロ
ーム以上の膜厚で形成することが望ましい。(P-side cap layer 15)
Raise to 50 ° C, TMG, TMA, ammonia, Cp2M
g (cyclopentadienyl magnesium), p-type Al 0.3 Ga doped with Mg at 1 × 10 20 / cm 3 and having a larger band gap energy than the p-side light guide layer 16
A p-side cap layer 17 of 0.7 N is grown to a thickness of 300 Å. As described above, the p-type cap layer 15 is formed with a winding thickness of 0.1 μm or less, and the lower limit of the film thickness is not particularly limited, but is preferably formed with a film thickness of 10 Å or more.
【0069】(p側光ガイド層16)続いてCp2M
g、TMAを止め、1050℃で、バンドギャップエネ
ルギーがp側キャップ層15よりも小さい、アンドープ
GaNよりなるp側光ガイド層16を0.1μmの膜厚
で成長させる。この層は、活性層の光ガイド層として作
用し、n型光ガイド層13と同じくGaN、InGaN
で成長させることが望ましい。なお、このp側光ガイド
層をアンドープの窒化物半導体、不純物をドープした窒
化物半導体よりなる超格子層とすることもできる。超格
子層とする場合にはバンドギャップエネルギーは活性層
の井戸層より大きく、p側クラッド層のAl0.2Ga0.8
Nよりも小さくする。(P-side light guide layer 16) Subsequently, Cp2M
g, TMA is stopped, and at 1050 ° C., a p-side optical guide layer 16 made of undoped GaN having a band gap energy smaller than that of the p-side cap layer 15 is grown to a thickness of 0.1 μm. This layer acts as a light guide layer of the active layer and, like the n-type light guide layer 13, GaN, InGaN
It is desirable to grow with. The p-side optical guide layer may be a superlattice layer made of an undoped nitride semiconductor or an impurity-doped nitride semiconductor. In the case of a superlattice layer, the band gap energy is larger than that of the well layer of the active layer, and Al 0.2 Ga 0.8 of the p-side cladding layer.
Make it smaller than N.
【0070】(p側クラッド層17)続いて、1050
℃でMgを1×1020/cm3ドープしたp型Al0.2Ga
0.8Nよりなる第3の層を40オングストロームの膜厚
で成長させ、続いてTMAのみを止め、アンドープGa
Nよりなる第4の層を40オングストロームの膜厚で成
長させる。そしてこの操作をそれぞれ100回繰り返
し、総膜厚0.8μmの超格子層よりなるp側クラッド
層17を形成する。(P-side cladding layer 17)
P-type Al 0.2 Ga doped with Mg at 1 × 10 20 / cm 3
A third layer of 0.8 N is grown to a thickness of 40 Å, followed by stopping only TMA and undoping Ga.
A fourth layer of N is grown to a thickness of 40 Å. This operation is repeated 100 times to form a p-side cladding layer 17 composed of a superlattice layer having a total film thickness of 0.8 μm.
【0071】(p側コンタクト層18)最後に、105
0℃で、p側クラッド層17の上に、Mgを2×1020
/cm3ドープしたp型GaNよりなるp側コンタクト層
18を150オングストロームの膜厚で成長させる。p
側コンタクト層18はp型のInXAlYGa1-X-YN
(0≦X、0≦Y、X+Y≦1)で構成することができ、好
ましくはMgをドープしたGaNとすれば、p電極21
と最も好ましいオーミック接触が得られる。またp型A
lYGa1-YNを含む超格子構造のp側クラッド層17に
接して、バンドギャップエネルギーの小さい窒化物半導
体をp側コンタクト層として、その膜厚を500オング
ストローム以下と薄くしているために、実質的にp側コ
ンタクト層18のキャリア濃度が高くなりp電極と好ま
しいオーミックが得られて、素子の閾値電流、電圧が低
下する。(P-side contact layer 18) Finally, 105
At 0 ° C., 2 × 10 20 Mg was added on the p-side cladding layer 17.
A p-side contact layer 18 made of p-type GaN doped with / cm 3 is grown to a thickness of 150 Å. p
The side contact layer 18 is a p-type In x Al Y Ga 1 -XYN
(0 ≦ X, 0 ≦ Y, X + Y ≦ 1), preferably Mg-doped GaN, the p-electrode 21
And the most preferable ohmic contact is obtained. Also p-type A
Because a nitride semiconductor having a small band gap energy is used as a p-side contact layer in contact with the p-side cladding layer 17 having a superlattice structure containing l Y Ga 1-Y N, the film thickness is reduced to 500 Å or less. In addition, the carrier concentration of the p-side contact layer 18 is substantially increased, a favorable ohmic contact with the p-electrode is obtained, and the threshold current and voltage of the device are reduced.
【0072】以上のようにして窒化物半導体を成長させ
たウェーハを反応容器内において、窒素雰囲気中700
℃でアニーリングを行い、p型不純物をドープした層を
さらに低抵抗化させる。The wafer on which the nitride semiconductor has been grown as described above is placed in a reaction vessel in a nitrogen atmosphere at 700.degree.
Annealing is performed at a temperature of ° C. to further reduce the resistance of the layer doped with the p-type impurity.
【0073】アニーリング後、ウェーハを反応容器から
取り出し、図1に示すように、RIE装置により最上層
のp側コンタクト層18と、p側クラッド層17とをエ
ッチングして、4μmのストライプ幅を有するリッジ形
状とする。このように、活性層よりも上部にある層をス
トライプ状のリッジ形状とすることにより、活性層の発
光がストライプリッジの下に集中するようになって閾値
が低下する。特に超格子層よりなるp側クラッド層17
以上の層をリッジ形状とすることが好ましい。After annealing, the wafer is taken out of the reaction vessel, and as shown in FIG. 1, the uppermost p-side contact layer 18 and the p-side cladding layer 17 are etched by an RIE apparatus to have a stripe width of 4 μm. Ridge shape. As described above, by forming the layer above the active layer into a stripe-shaped ridge, light emission of the active layer is concentrated below the stripe ridge, and the threshold value is reduced. In particular, the p-side cladding layer 17 composed of a superlattice layer
It is preferable that the above layers have a ridge shape.
【0074】次にリッジ表面にマスクを形成し、RIE
にてエッチングを行い、n側バッファ層11の表面を露
出させる。露出させたこのn側バッファ層11はn電極
23を形成するためのコンタクト層としても作用する。
なお図1ではn側バッファ層11をコンタクト層として
いるが、GaN基板10までエッチングを行い、露出し
たGaN基板10をコンタクト層とすることもできる。Next, a mask is formed on the ridge surface, and RIE is performed.
To expose the surface of the n-side buffer layer 11. The exposed n-side buffer layer 11 also functions as a contact layer for forming the n-electrode 23.
In FIG. 1, the n-side buffer layer 11 is used as a contact layer. However, the GaN substrate 10 can be etched and the exposed GaN substrate 10 can be used as a contact layer.
【0075】次にp側コンタクト層18のリッジ最表面
にNiとAuよりなるp電極21をストライプ状に形成
する。p側コンタクト層と好ましいオーミックが得られ
るp電極21の材料としては、例えばNi、Pt、P
d、Ni/Au、Pt/Au、Pd/Au等を挙げるこ
とができる。Next, on the outermost surface of the ridge of the p-side contact layer 18, a p-electrode 21 made of Ni and Au is formed in a stripe shape. Examples of the material of the p-side contact layer and the p-electrode 21 for obtaining a preferable ohmic material include Ni, Pt, and P.
d, Ni / Au, Pt / Au, Pd / Au and the like.
【0076】一方、TiとAlよりなるn電極23を先
ほど露出させたn側バッファ層11の表面にストライプ
状に形成する。n側バッファ層11、またはGaN基板
10と好ましいオーミックが得られるn電極23の材料
としてはAl、Ti、W、Cu、Zn、Sn、In等の
金属若しくは合金が好ましい。On the other hand, an n-electrode 23 made of Ti and Al is formed in a stripe shape on the surface of the n-side buffer layer 11 that has been exposed earlier. As a material of the n-side buffer layer 11 or the n-electrode 23 that can obtain a preferable ohmic with the GaN substrate 10, a metal or alloy such as Al, Ti, W, Cu, Zn, Sn, and In is preferable.
【0077】次に、図1に示すようにp電極21と、n
電極23との間に露出した窒化物半導体層の表面にSi
O2よりなる絶縁膜25を形成し、この絶縁膜25を介
してp電極21と電気的に接続したpパッド電極22、
及びnパッド電極24を形成する。このpパッド電極2
2は実質的なp電極21の表面積を広げて、p電極側を
ワイヤーボンディング、ダイボンディングできるように
する作用がある。一方、nパッド電極24はn電極23
の剥がれを防止する作用がある。Next, as shown in FIG.
The surface of the nitride semiconductor layer exposed between the electrode 23 and Si
An insulating film 25 made of O 2 is formed, and a p pad electrode 22 electrically connected to the p electrode 21 via the insulating film 25 is formed.
And an n-pad electrode 24 are formed. This p pad electrode 2
2 has the effect of increasing the substantial surface area of the p-electrode 21 so that the p-electrode side can be wire-bonded and die-bonded. On the other hand, the n pad electrode 24 is
Has the effect of preventing peeling off.
【0078】以上のようにして、n電極とp電極とを形
成したウェーハを研磨装置に移送し、ダイヤモンド研磨
剤を用いて、窒化物半導体を形成していない側のサファ
イア基板をラッピングし、サファイア基板の厚さを70
μmとする。ラッピング後、さらに細かい研磨剤で1μ
mポリシングして基板表面を鏡面状とし、Au/Snで
全面をメタライズする。As described above, the wafer on which the n-electrode and the p-electrode are formed is transferred to a polishing apparatus, and the sapphire substrate on which the nitride semiconductor is not formed is wrapped using a diamond polishing agent. Substrate thickness of 70
μm. After wrapping, 1μ with finer abrasive
The substrate surface is mirror-finished by m-polishing, and the entire surface is metallized with Au / Sn.
【0079】その後、Au/Sn側をスクライブして、
ストライプ状の電極に垂直な方向でバー状に劈開し、劈
開面に共振器を作製する。共振器面にSiO2とTiO2
よりなる誘電体多層膜を形成し、最後にp電極に平行な
方向で、バーを切断してレーザチップとした。次にチッ
プをフェースアップ(基板とヒートシンクとが対向した
状態)でヒートシンクに設置し、それぞれの電極をワイ
ヤーボンディングして、室温でレーザ発振を試みたとこ
ろ、室温において、閾値電流密度2.0kA/cm2、閾
値電圧4.0Vで、発振波長405nmの連続発振が確
認され、1000時間以上の寿命を示した。Then, the Au / Sn side is scribed,
Cleavage is performed in a bar shape in a direction perpendicular to the stripe-shaped electrodes, and a resonator is formed on the cleavage plane. SiO 2 and TiO 2 on the resonator surface
A dielectric multilayer film was formed, and finally the bar was cut in a direction parallel to the p-electrode to form a laser chip. Next, the chip was placed face-up (in a state where the substrate and the heat sink faced each other), and the electrodes were wire-bonded, and laser oscillation was attempted at room temperature. At room temperature, the threshold current density was 2.0 kA / At cm 2 and a threshold voltage of 4.0 V, continuous oscillation with an oscillation wavelength of 405 nm was confirmed, and a lifetime of 1000 hours or more was shown.
【0080】[実施例2]図3は本発明の他の実施例に
係るレーザ素子の構造を示す模式的な断面図であり、図
1と同じくレーザ光の共振方向に垂直な方向で素子を切
断した際の図を示している。以下この図を元に実施例2
について説明する。尚、図3において、図1及び図2と
同様のものには同様の符号を付して示す。[Embodiment 2] FIG. 3 is a schematic sectional view showing the structure of a laser device according to another embodiment of the present invention. As shown in FIG. The figure at the time of cutting has been shown. Hereinafter, based on this figure, the second embodiment
Will be described. In FIG. 3, the same components as those in FIGS. 1 and 2 are denoted by the same reference numerals.
【0081】サファイア(C面)よりなる基板の上にG
aNよりなるバッファ層を介してSiを5×1018/cm
3ドープしたGaNよりなる単結晶を150μmの膜厚
で成長させたGaN基板10を用意する。このGaN基
板10の上に実施例1と同様にして、n側バッファ層1
1を成長させる。G is placed on a substrate made of sapphire (C-plane).
5 × 10 18 / cm 3 through a buffer layer made of aN
A GaN substrate 10 is prepared by growing a single crystal of 3- doped GaN with a thickness of 150 μm. An n-side buffer layer 1 is formed on the GaN substrate 10 in the same manner as in the first embodiment.
Grow one.
【0082】(クラック防止層19)n側バッファ層1
1成長後、温度を800℃にして、原料ガスにTMG、
TMI、アンモニア、不純物ガスにシランガスを用い、
Siを5×1018/cm3ドープしたIn0.1Ga0.9Nよ
りなるクラック防止層19を500オングストロームの
膜厚で成長させる。このクラック防止層19はInを含
むn型の窒化物半導体、好ましくはInGaNで成長さ
せることにより、Alを含む窒化物半導体層中にクラッ
クが入るのを防止することができる。なおこのクラック
防止層は100オングストローム以上、0.5μm以下
の膜厚で成長させることが好ましい。100オングスト
ロームよりも薄いと前記のようにクラック防止として作
用しにくく、0.5μmよりも厚いと、結晶自体が黒変
する傾向にある。(Crack prevention layer 19) n-side buffer layer 1
1 After the growth, the temperature was raised to 800 ° C.
Using silane gas for TMI, ammonia and impurity gas,
A crack preventing layer 19 made of In 0.1 Ga 0.9 N doped with 5 × 10 18 / cm 3 of Si is grown to a thickness of 500 Å. The crack prevention layer 19 is made of an n-type nitride semiconductor containing In, preferably InGaN, so that cracks can be prevented from entering the nitride semiconductor layer containing Al. The crack preventing layer is preferably grown to a thickness of 100 Å or more and 0.5 μm or less. When the thickness is less than 100 Å, it is difficult to function as a crack prevention as described above. When the thickness is more than 0.5 μm, the crystal itself tends to turn black.
【0083】クラック防止層19成長後、実施例1と同
様にして、変調ドープされた超格子よりなるn側クラッ
ド層12と、アンドープn側光ガイド層13を成長させ
る。After the growth of the crack preventing layer 19, the n-side cladding layer 12 made of a modulation-doped superlattice and the undoped n-side light guide layer 13 are grown in the same manner as in the first embodiment.
【0084】(n側キャップ層20)続いてTMG、T
MA、アンモニア、シランガスを用い、n側光ガイド層
13よりもバンドギャップエネルギーが大きい、Siを
5×1018/cm3ドープしたn型Al0.3Ga0.7Nより
なるn側キャップ層20を300オングストロームの膜
厚で成長させる。(N-side cap layer 20) Subsequently, TMG, T
The n-side cap layer 20 made of n-type Al 0.3 Ga 0.7 N doped with Si at 5 × 10 18 / cm 3 and having a band gap energy larger than that of the n-side light guide layer 13 using MA, ammonia, and silane gas is 300 Å. It grows with the film thickness of.
【0085】後は実施例1と同様にして活性層14、p
側キャップ層15、アンドープp側光ガイド層16、変
調ドープされた超格子よりなるp側クラッド層17、p
側コンタクト層18を成長させる。Thereafter, the active layer 14, p
Side cap layer 15, undoped p-side light guide layer 16, p-side cladding layer 17 composed of modulation-doped superlattice, p
The side contact layer 18 is grown.
【0086】窒化物半導体層成長後、同様にしてアニー
リングを行い、p型不純物をドープした層をさらに低抵
抗化させ、アニーリング後、図3に示すように最上層の
p側コンタクト層18と、p側クラッド層17とをエッ
チングして、4μmのストライプ幅を有するリッジ形状
とする。After growing the nitride semiconductor layer, annealing is performed in the same manner to further reduce the resistance of the p-type impurity-doped layer. After annealing, as shown in FIG. The p-side cladding layer 17 is etched into a ridge shape having a stripe width of 4 μm.
【0087】リッジ形成後、p側コンタクト層18のリ
ッジ最表面にNi/Auよりなるp電極21をストライ
プ状に形成し、p電極21以外の最表面の窒化物半導体
層のにSiO2よりなる絶縁膜25を形成し、この絶縁
膜25を介してp電極21と電気的に接続したpパッド
電極22を形成する。After the formation of the ridge, a p-electrode 21 made of Ni / Au is formed in a stripe shape on the outermost surface of the ridge of the p-side contact layer 18, and the outermost nitride semiconductor layer other than the p-electrode 21 is made of SiO 2. An insulating film 25 is formed, and a p pad electrode 22 electrically connected to the p electrode 21 via the insulating film 25 is formed.
【0088】以上のようにして、p電極を形成したウェ
ーハを研磨装置に移送し、サファイア基板を研磨により
除去し、GaN基板10の表面を露出させる。露出した
GaN基板表面のほぼ全面にTi/Alよりなるn電極
23を形成する。As described above, the wafer on which the p-electrode is formed is transferred to the polishing apparatus, the sapphire substrate is removed by polishing, and the surface of the GaN substrate 10 is exposed. An n-electrode 23 made of Ti / Al is formed on almost the entire exposed GaN substrate surface.
【0089】電極形成後GaN基板のM面(窒化物半導
体を六方晶系で近似した場合に六角柱の側面に相当する
面)で劈開し、その劈開面にSiO2とTiO2よりなる
誘電体多層膜を形成し、最後にp電極に平行な方向で、
バーを切断してレーザ素子とする。このレーザ素子も同
様に室温において連続発振を示し、実施例1とほぼ同等
の特性を示した。After the electrodes are formed, the GaN substrate is cleaved on the M plane (a plane corresponding to the side surface of a hexagonal prism when the nitride semiconductor is approximated by a hexagonal system), and the cleavage plane is formed of a dielectric material composed of SiO 2 and TiO 2. A multilayer film is formed, and finally, in a direction parallel to the p-electrode,
The bar is cut to form a laser element. This laser device also exhibited continuous oscillation at room temperature, and exhibited substantially the same characteristics as those of Example 1.
【0090】[実施例3]実施例1において、n側バッ
ファ層11成長後、実施例2と同様にしてクラック防止
層19を成長させる。次にそのクラック防止層の上に、
Siを1×1019/cm3ドープしたAl0.3Ga0.7N層
単一層のみよりなるn側クラッド層12を0.4μmの
膜厚で成長させる。後は実施例1と同様にして、レーザ
素子を作製したところ、同じく室温でレーザ発振を示し
たが、寿命は実施例1のレーザ素子よりも若干短くなっ
た。Example 3 In Example 1, after growing the n-side buffer layer 11, a crack preventing layer 19 is grown in the same manner as in Example 2. Next, on the crack prevention layer,
An n-side cladding layer 12 consisting of a single layer of Al 0.3 Ga 0.7 N doped with 1 × 10 19 / cm 3 of Si is grown to a thickness of 0.4 μm. After that, when a laser device was manufactured in the same manner as in Example 1, laser oscillation was also exhibited at room temperature, but the life was slightly shorter than that of the laser device of Example 1.
【0091】[実施例4]実施例1において、p側クラ
ッド層17成長時に、Mgを1×1020/cm3ドープし
たAl0.3Ga0.7N層単一層を0.4μmの膜厚で成長
させる他は、実施例1と同様にして、レーザ素子を作製
したところ、同じく室温でレーザ発振を示したが、寿命
は実施例1のレーザ素子よりも若干短くなった。Example 4 In Example 1, when growing the p-side cladding layer 17, a single layer of Al 0.3 Ga 0.7 N doped with Mg at 1 × 10 20 / cm 3 was grown to a thickness of 0.4 μm. Other than that, when a laser device was manufactured in the same manner as in Example 1, the laser oscillation was also exhibited at room temperature, but the life was slightly shorter than that of the laser device of Example 1.
【0092】[実施例5]実施例1において、n側クラ
ッド層12を超格子構造とせずに、Siを1×1018/
cm3ドープしたAl0.2Ga0.8N層0.4μmとする。
また、p側クラッド層も同様に超格子構造とせず、Mg
を1×1020/cm3ドープしたAl0.2Ga0.8N層0.
4μmとする。代わりに、n側光ガイド層13をアンド
ープIn0.01Ga0.99N層30オングストロームと、S
iを1×1017/cm3ドープしたGaN層30オングス
トロームとを積層した総膜厚0.12μmの超格子構造
とし、p側光ガイド層16をアンドープIn0.01Ga
0.99N層30オングストロームと、Mgを1×1017/
cm3ドープしたGaN層30オングストロームとを積層
した総膜厚0.12μmの超格子構造とする他は実施例
1と同様にしてレーザ素子を作製したところ、同じく室
温でレーザ発振を示したが、寿命は実施例1のレーザ素
子よりも若干短くなった。Fifth Embodiment In the first embodiment, the n-side cladding layer 12 is not made to have a superlattice structure, but Si is 1 × 10 18 / cm 2.
An Al 0.2 Ga 0.8 N layer doped with cm 3 is 0.4 μm.
Similarly, the p-side cladding layer does not have a superlattice structure.
Al 0.2 Ga 0.8 N layer doped with 1 × 10 20 / cm 3 .
4 μm. Instead, the n-side light guide layer 13 is made of undoped In 0.01 Ga 0.99 N layer 30 Å and S
i has a superlattice structure having a total thickness of 0.12 μm in which a GaN layer 30 Å doped with 1 × 10 17 / cm 3 is laminated, and the p-side light guide layer 16 is undoped In 0.01 Ga
0.99 N layer 30 Å and Mg 1 × 10 17 /
A laser device was fabricated in the same manner as in Example 1 except that a superlattice structure having a total film thickness of 0.12 μm was formed by laminating a GaN layer 30 Å doped with cm 3. Laser oscillation was also exhibited at room temperature. The service life was slightly shorter than that of the laser device of Example 1.
【0093】[実施例6]実施例1において、n側バッ
ファ層11を形成する際、アンドープGaN層を30オ
ングストロームと、Siを1×1019/cm3ドープした
Al0.05Ga0.95N層を30オングストロームとを積層
した総膜厚1.2μmの超格子層とする。後は実施例1
と同様にして、n側クラッド層12から上の層を成長さ
せ、レーザ素子とする。但しn電極を形成する際、エッ
チングにより露出させる面は、前述の1.2μmの超格
子層の中間とし、その超格子層にn電極を形成する。こ
のレーザ素子も同様に室温において連続発振し、閾値は
実施例1のものに比較して若干低下し、寿命は1000
時間以上であった。Example 6 In Example 1, when forming the n-side buffer layer 11, 30 Å of the undoped GaN layer and 30 of the Al 0.05 Ga 0.95 N layer doped with 1 × 10 19 / cm 3 of Si were used. A superlattice layer having a total film thickness of 1.2 μm is formed by stacking Angstrom. After that, Example 1
In the same manner as described above, a layer above the n-side cladding layer 12 is grown to obtain a laser device. However, when forming the n-electrode, the surface to be exposed by etching is set at the middle of the above-described 1.2 μm superlattice layer, and the n-electrode is formed on the superlattice layer. This laser element also oscillates continuously at room temperature, the threshold value is slightly lower than that of the first embodiment, and the lifetime is 1000
It was more than an hour.
【0094】[実施例7]図4は本発明の他の実施例に
係るレーザ素子の構造を示す模式的な断面図であり、他
の図面と同一符号は同一層を示している。以下、この図
を基に実施例7について説明する。[Embodiment 7] FIG. 4 is a schematic sectional view showing the structure of a laser device according to another embodiment of the present invention, and the same reference numerals as those in the other drawings denote the same layers. Hereinafter, a seventh embodiment will be described with reference to FIG.
【0095】実施例1と同じく、2インチφ、(000
1)C面を主面とするサファイア基板30の上に500
℃にて、GaNよりなるバッファ層(図示せず)を20
0オングストロームの膜厚で成長させた後、温度を10
50℃にしてアンドープGaN層31を5μm膜厚で成
長させる。尚、この成長させる膜厚は、5μmに限定さ
れるものではなく、バッファ層よりも厚い膜厚で成長さ
せて、10μm以下の膜厚に調整することが望ましい。
基板はサファイアの他、SiC、ZnO、スピネル、G
aAs等窒化物半導体を成長させるために知られてい
る、窒化物半導体と異なる材料よりなる基板を用いるこ
とができる。As in Example 1, 2 inches φ, (000
1) 500 on the sapphire substrate 30 having the C plane as a main surface
At ℃, a GaN buffer layer (not shown)
After growing to a thickness of 0 Å, the temperature was increased to 10 Å.
At 50 ° C., an undoped GaN layer 31 is grown to a thickness of 5 μm. Note that the film thickness to be grown is not limited to 5 μm, and it is desirable to grow the film to a thickness larger than that of the buffer layer and to adjust the film thickness to 10 μm or less.
The substrate is sapphire, SiC, ZnO, spinel, G
A substrate made of a material different from a nitride semiconductor, which is known for growing a nitride semiconductor such as aAs, can be used.
【0096】次にこのアンドープGaN層31成長後、
ウェーハを反応容器から取り出し、このGaN層31の
表面に、ストライプ状のフォトマスクを形成し、CVD
装置によりストライプ幅20μm、ストライプ間隔(窓
部)5μmのSiO2よりなる保護膜32を0.1μm
の膜厚で形成する。図4はストライプの長軸方向に垂直
な方向で切断した際の部分的なウェーハの構造を示す模
式断面図である。保護膜の形状としてはストライプ状、
ドット状、碁盤目状等どのような形状でも良いが、アン
ドープGaN層31の露出部分、即ち保護膜が形成され
ていない部分(窓部)よりも保護膜の面積を大きくする
方が、結晶欠陥の少ないGaN基板10を成長させやす
い。保護膜の材料としては、例えば酸化ケイ素(SiO
X)、窒化ケイ素(SiXNY)、酸化チタン(Ti
OX)、酸化ジルコニウム(ZrOX)等の酸化物、窒化
物、またこれらの多層膜の他、1200℃以上の融点を
有する金属等を用いることができる。これらの保護膜材
料は、窒化物半導体の成長温度600℃〜1100℃の
温度にも耐え、その表面に窒化物半導体が成長しない
か、成長しにくい性質を有している。Next, after growing the undoped GaN layer 31,
The wafer is taken out of the reaction vessel, a striped photomask is formed on the surface of the GaN layer 31, and the CVD is performed.
The protective film 32 made of SiO 2 having a stripe width of 20 μm and a stripe interval (window portion) of 5 μm is formed by using an apparatus.
It is formed with a film thickness of. FIG. 4 is a schematic cross-sectional view showing a partial wafer structure when cut in a direction perpendicular to the major axis direction of the stripe. The shape of the protective film is striped,
Any shape such as a dot shape or a grid shape may be used. It is easy to grow the GaN substrate 10 with less noise. As a material of the protective film, for example, silicon oxide (SiO 2)
X ), silicon nitride (Si X N Y ), titanium oxide (Ti
O X), an oxide such as zirconium oxide (ZrO X), nitrides, or other of these multilayer films, it is possible to use a metal or the like having a 1200 ° C. or more melting point. These protective film materials have the property of withstanding the growth temperature of the nitride semiconductor of 600 ° C. to 1100 ° C. and preventing the nitride semiconductor from growing or hardly growing on the surface thereof.
【0097】保護膜32形成後、ウェーハを再度反応容
器内にセットし、1050℃で、アンドープGaNより
なるGaN基板10となるGaN層を10μmの膜厚に
成長させる。成長させるGaN層の好ましい成長膜厚
は、先に形成した保護膜32の膜厚、大きさによっても
異なるが、保護膜32の表面を覆うように保護膜上部に
おいて横方向(厚さ方向に垂直な方向)にも成長するよ
うに十分の厚さに成長させる。このように窒化物半導体
が成長しにくい性質を有する保護膜32の表面上に、横
方向にGaN層を成長させる手法でGaN基板10を成
長させると、最初は保護膜32の上にはGaN層が成長
せず、窓部のアンドープGaN層31の上にGaN層が
選択成長される。続いてGaN層の成長を続けると、G
aN層が横方向に成長して、保護膜32の上に覆いかぶ
さって行き、隣接した窓から成長したGaN層同士でつ
ながって、保護膜32の上にGaN層が成長したかのよ
うな状態となる。つまり、GaN層31上に保護膜32
を介してGaN層を横方向に成長させる。ここで、重要
なことは、サファイヤ基板30の上に成長されているG
aN層31の結晶欠陥と、保護膜32の上に成長されて
いるGaN基板10との結晶欠陥の数である。すなわ
ち、異種基板と窒化物半導体との格子定数のミスマッチ
により、異種基板の上に成長される窒化物半導体には非
常に多くの結晶欠陥が発生し、この結晶欠陥は順次上層
に形成される窒化物半導体成長中を、表面まで伝わる。
一方、本実施例7のように、保護膜32上に横方向に成
長されたGaN基板10は、異種基板上に直接成長した
ものではなく、隣接する窓から成長させたGaN層が、
保護膜32上に横方向に成長することにより成長中につ
ながったものであるため、結晶欠陥の数は異種基板から
直接成長したものに比べて非常に少なくなる。従って、
異種基板上に成長された窒化物半導体層の上に、部分的
に形成された保護膜を形成して、その保護膜上に横方向
に成長されてなるGaN層を基板とすることにより、実
施例1のGaN基板に比較して、はるかに結晶欠陥の少
ないGaN基板が得られる。実際、アンドープGaN層
31の結晶欠陥は1010/cm2以上あるが、この実施例
7の方法によるGaN基板10の結晶欠陥は106/cm2
以下に減少させることができる。After the formation of the protective film 32, the wafer is set in the reactor again, and a GaN layer serving as the GaN substrate 10 made of undoped GaN is grown at 1050 ° C. to a thickness of 10 μm. The preferred growth thickness of the GaN layer to be grown varies depending on the thickness and size of the protective film 32 formed earlier, but the lateral direction (perpendicular to the thickness direction) above the protective film covers the surface of the protective film 32. ) In a sufficient thickness so as to grow in the same direction. As described above, when the GaN substrate 10 is grown on the surface of the protective film 32 having a property in which the nitride semiconductor is unlikely to grow by a method of growing the GaN layer in the lateral direction, the GaN layer is initially formed on the protective film 32. Does not grow, and a GaN layer is selectively grown on the undoped GaN layer 31 in the window. Subsequently, when the growth of the GaN layer is continued, G
The aN layer grows in the lateral direction, covers and overlies the protective film 32, and the GaN layers grown from adjacent windows are connected to each other, as if a GaN layer had grown on the protective film 32. Becomes That is, the protective film 32 is formed on the GaN layer 31.
To grow a GaN layer in the lateral direction. Here, what is important is that the G grown on the sapphire substrate 30 is
The number of crystal defects in the aN layer 31 and the number of crystal defects in the GaN substrate 10 grown on the protective film 32. That is, due to the mismatch of the lattice constant between the heterogeneous substrate and the nitride semiconductor, a large number of crystal defects are generated in the nitride semiconductor grown on the heterogeneous substrate, and the crystal defects are sequentially formed in the upper layer. During the growth of the semiconductor, it propagates to the surface.
On the other hand, as in the seventh embodiment, the GaN substrate 10 laterally grown on the protective film 32 is not directly grown on a heterogeneous substrate, but is a GaN layer grown from an adjacent window.
Since the crystal defects are connected during the growth by growing laterally on the protective film 32, the number of crystal defects is much smaller than that of the crystal grown directly from a heterogeneous substrate. Therefore,
This is implemented by forming a partially formed protective film on a nitride semiconductor layer grown on a heterogeneous substrate and using a GaN layer grown laterally on the protective film as a substrate. As compared with the GaN substrate of Example 1, a GaN substrate having much less crystal defects can be obtained. Actually, the crystal defect of the undoped GaN layer 31 is 10 10 / cm 2 or more, but the crystal defect of the GaN substrate 10 according to the method of Embodiment 7 is 10 6 / cm 2.
It can be reduced to:
【0098】以上のようにしてGaN基板10を形成し
た後、該GaN基板上に実施例1と同様にしてSiを1
×1018/cm3ドープしたGaNよりなるn側バッファ
層、件コンタクト層11を5μmの膜厚で成長させた
後、実施例2と同様にして、Siを5×1018/cm3ド
ープしたIn0.1Ga0.9Nよりなるクラック防止層19
を500オングストロームの膜厚で成長させる。尚、ク
ラック防止層19は省略することもできる。After the GaN substrate 10 is formed as described above, Si is deposited on the GaN substrate 10 in the same manner as in the first embodiment.
After growing an n-side buffer layer made of GaN doped with × 10 18 / cm 3 and the contact layer 11 with a thickness of 5 μm, Si was doped at 5 × 10 18 / cm 3 in the same manner as in Example 2. Crack preventing layer 19 made of In 0.1 Ga 0.9 N
Is grown to a thickness of 500 angstroms. Incidentally, the crack prevention layer 19 may be omitted.
【0099】(中央部が高不純物濃度の超格子構造のn
側クラッド層12)次に、1050℃で、TMG、アン
モニアガスを用い、アンドープGaN層を20オングス
トロームの膜厚で成長させることにより、バンドギャッ
プエネルギーの小さい第2の窒化物半導体層を形成す
る。次に同温度にて、TMAを追加しアンドープAl
0.1Ga0.9N層を5オングストローム成長させ、続いて
シランガスを追加しSiを1×1019/cm3ドープした
Al0.1Ga0.9N層を20オングストロームの膜厚で成
長させた後、Siを止めてアンドープAl0.1Ga0.9N
層をさらに5オングストロームの膜厚で成長させること
により、バンドギャップエネルギーの大きい厚さ30μ
mの第1の窒化物半導体層を形成する。以後同様にし
て、第2の窒化物半導体層と第1の窒化物半導体層とを
交互に繰り返し形成する。尚、実施例7では、第2の窒
化物半導体層と第1の窒化物半導体層とがそれぞれ12
0層になるように積層し、0.6μm厚の、超格子構造
よりなるn側クラッド層12を形成する。(The central part has a high impurity concentration of a superlattice structure of n.
Side clad layer 12) Next, a second nitride semiconductor layer having a small band gap energy is formed at 1050 ° C. by growing an undoped GaN layer to a thickness of 20 Å using TMG and ammonia gas. Next, at the same temperature, TMA was added and undoped Al
A 0.1 Ga 0.9 N layer is grown for 5 Å, and then a silane gas is added to grow an Al 0.1 Ga 0.9 N layer doped with 1 × 10 19 / cm 3 of Si to a thickness of 20 Å. Undoped Al 0.1 Ga 0.9 N
The layer is further grown to a thickness of 5 angstroms to achieve a high bandgap energy thickness of 30 μm.
m first nitride semiconductor layers are formed. Thereafter, similarly, the second nitride semiconductor layer and the first nitride semiconductor layer are formed alternately and repeatedly. In Example 7, the second nitride semiconductor layer and the first nitride semiconductor layer
The n-side cladding layer 12 having a superlattice structure and having a thickness of 0.6 μm is formed by laminating so as to have zero layers.
【0100】次に、実施例1と同様にして、n側光ガイ
ド層13、活性層14、p側キャップ層15、p側光ガ
イド層16を順に成長させる。Next, as in the first embodiment, an n-side light guide layer 13, an active layer 14, a p-side cap layer 15, and a p-side light guide layer 16 are sequentially grown.
【0101】(中央部が高不純物濃度の超格子構造のp
側クラッド層17)次に、1050℃で、TMG、アン
モニアガスを用い、アンドープGaN層を20オングス
トロームの膜厚で成長させることにより、バンドギャッ
プエネルギーの小さい第4の窒化物半導体層を形成す
る。次に同温度にて、TMAを追加しアンドープAl
0.1Ga0.9N層を5オングストローム成長させ、続いて
Cp2Mgを追加しMgを1×1020/cm3ドープしたA
l0.1Ga0.9N層を20オングストロームの膜厚で成長
させた後、Cp2Mgを止めてアンドープAl0.1Ga
0.9N層をさらに5オングストロームの膜厚で成長させ
ることにより、バンドギャップエネルギーの大きい厚さ
30μmの第3の窒化物半導体層を形成する。以後同様
にして、第4の窒化物半導体層と第3の窒化物半導体層
とを交互に繰り返し形成する。尚、実施例7では、第4
の窒化物半導体層と第3の窒化物半導体層とがそれぞれ
120層になるように積層し、0.6μm厚の、超格子
構造よりなるn側クラッド層17を形成する。(P center of superlattice structure with high impurity concentration
Side cladding layer 17) Next, a fourth nitride semiconductor layer having a small band gap energy is formed by growing an undoped GaN layer to a thickness of 20 angstroms at 1050 ° C. using TMG and ammonia gas. Next, at the same temperature, TMA was added and undoped Al
A 0.1 Ga 0.9 N layer is grown for 5 Å, and then Cp 2 Mg is added and Mg is doped at 1 × 10 20 / cm 3.
After growing a 0.1 Ga 0.9 N layer to a thickness of 20 angstroms, Cp 2 Mg is stopped and undoped Al 0.1 Ga
A third nitride semiconductor layer having a large band gap energy and a thickness of 30 μm is formed by further growing the 0.9 N layer to a thickness of 5 Å. Thereafter, similarly, a fourth nitride semiconductor layer and a third nitride semiconductor layer are alternately and repeatedly formed. In the seventh embodiment, the fourth
And a third nitride semiconductor layer are laminated so as to have 120 layers each, to form a 0.6 μm thick n-side cladding layer 17 having a superlattice structure.
【0102】そして最後に、実施例1と同様にしてp側
コンタクト層18を成長させた後、ウェーハを反応容器
から取り出し、アニーリングを行った後、エッチングを
行いp側クラッド層17以上の層をストライプ状のリッ
ジ形状とする。Finally, after growing the p-side contact layer 18 in the same manner as in Example 1, the wafer is taken out of the reaction vessel, annealed, and then etched to remove the p-side cladding layer 17 or more. The shape is a stripe-shaped ridge.
【0103】次に図4に示すようにリッジに対して、左
右対称にエッチングを行い、n電極23を形成すべきn
側バッファ層表面を露出させ、n電極23を形成し、一
方p側コンタクト層18のリッジ最表面にもp電極21
をストライプ状に形成する。後は実施例1と同様にし
て、レーザ素子を作製したところ、実施例1のものに比
較して閾値で、電流密度、電圧でおよそ10%低下し、
波長405nmの連続発振寿命は、2000時間以上の
寿命を示した。これはGaN基板10に結晶欠陥の少な
いものを使用したことによる、窒化物半導体の結晶性の
向上によるものが多大である。なお図4において、Ga
N基板10を例えば80μm以上の膜厚で成長させた場
合には、異種基板30〜保護膜32は除去することも可
能である。Next, as shown in FIG. 4, the ridge is etched symmetrically to form an n-electrode 23.
The n-electrode 23 is formed by exposing the surface of the side buffer layer, while the p-electrode 21
Are formed in a stripe shape. After that, when a laser device was fabricated in the same manner as in Example 1, the threshold, current density, and voltage were reduced by about 10% as compared with those of Example 1,
The continuous oscillation lifetime at a wavelength of 405 nm showed a lifetime of 2000 hours or more. This is largely due to the use of the GaN substrate 10 having a small number of crystal defects and the improvement of the crystallinity of the nitride semiconductor. In FIG. 4, Ga
When the N substrate 10 is grown to a thickness of, for example, 80 μm or more, the different substrate 30 to the protective film 32 can be removed.
【0104】[実施例8]実施例7において、n側クラ
ッド層12を成長させる際、中央部を高不純物濃度とせ
ず、通常のアンドープGaN層を20オングストローム
と、Siを1×1019/cm3ドープしたAl0.1Ga0.9
N層を20オングストロームとを積層し、総膜厚0.6
μmの超格子構造とする。[Embodiment 8] In Embodiment 7, when growing the n-side cladding layer 12, the central portion is not made to have a high impurity concentration, the normal undoped GaN layer is 20 Å, and Si is 1 × 10 19 / cm 2. 3 doped Al 0.1 Ga 0.9
The N layer is laminated with 20 Å, and the total film thickness is 0.6
It has a superlattice structure of μm.
【0105】一方、p側クラッド層17を成長させる際
も、中央部を高不純物濃度とせずに、アンドープGaN
層を20オングストロームと、Mgを1×1020/cm3
ドープしたAl0.1Ga0.9N層を20オングストローム
とを積層し、総膜厚0.6μmの超格子構造とする他は
実施例7と同様にしてレーザ素子を作製したところ、実
施例7のものに比較して、若干閾値は低下したが、寿命
はほぼ同じ2000時間以上を示した。On the other hand, when the p-side cladding layer 17 is grown, the undoped GaN
The layer is 20 Å and the Mg is 1 × 10 20 / cm 3
A laser device was fabricated in the same manner as in Example 7, except that a doped Al 0.1 Ga 0.9 N layer was laminated with 20 Å to form a superlattice structure having a total film thickness of 0.6 μm. In comparison, although the threshold value was slightly lowered, the life was almost the same at 2000 hours or more.
【0106】[実施例9]実施例7において、n側クラ
ッド層12を成長させる際、Siを1×1019/cm3ド
ープしたGaN層を25オングストロームと、アンドー
プAl0.1Ga0.9N層を25オングストロームとを交互
に積層し、総膜厚0.6μmの超格子構造とする。一
方、p側クラッド層17を成長させる際も、Mgを1×
1020/cm3ドープしたGaN層を25オングストロー
ムと、アンドープAl0.1Ga0.9N層を25オングスト
ロームとを交互に積層し、総膜厚0.6μmの超格子構
造とする他は実施例7と同様にしてレーザ素子を作製し
たところ、実施例7のものとほぼ同等の特性、寿命を有
するレーザ素子が得られた。Example 9 In Example 7, when growing the n-side cladding layer 12, 25 Å of a GaN layer doped with 1 × 10 19 / cm 3 of Si and 25 of an undoped Al 0.1 Ga 0.9 N layer were used. And Angstrom are alternately laminated to form a superlattice structure having a total film thickness of 0.6 μm. On the other hand, when growing the p-side cladding layer 17, Mg
Same as Example 7 except that 25 Å of a GaN layer doped with 10 20 / cm 3 and 25 Å of an undoped Al 0.1 Ga 0.9 N layer are alternately laminated to form a superlattice structure having a total thickness of 0.6 μm. As a result, a laser element having substantially the same characteristics and life as those of Example 7 was obtained.
【0107】[実施例10]実施例7において、n側ク
ラッド層12を成長させる際、Siを1×1019/cm3
ドープしたGaN層を25オングストロームと、Siを
1×1017/cm3ドープしたAl0.1Ga0.9N層を25
オングストロームとを交互に積層し、総膜厚0.6μm
の超格子構造とする。一方、p側クラッド層17を成長
させる際も、Mgを1×1020/cm3ドープしたGaN
層を25オングストロームと、Mgを1×1018/cm3
ドープしたAl0.1Ga0.9N層を25オングストローム
とを交互に積層し、総膜厚0.6μmの超格子構造とす
る他は実施例7と同様にしてレーザ素子を作製したとこ
ろ、実施例7のものとほぼ同等の特性、寿命を有するレ
ーザ素子が得られた。Example 10 In Example 7, when growing the n-side cladding layer 12, Si was added to 1 × 10 19 / cm 3.
The doped GaN layer is 25 Å, and the Si 0.1 × 10 17 / cm 3 -doped Al 0.1 Ga 0.9 N layer is 25 Å.
Angstrom and alternately, total thickness 0.6μm
Superlattice structure. On the other hand, when growing the p-side cladding layer 17, GaN doped with 1 × 10 20 / cm 3 of Mg is also used.
25 Å layer and 1 × 10 18 / cm 3 Mg
A laser device was fabricated in the same manner as in Example 7 except that a doped Al 0.1 Ga 0.9 N layer was alternately laminated at 25 Å to form a superlattice structure having a total film thickness of 0.6 μm. A laser device having characteristics and a life almost equivalent to those of the device was obtained.
【0108】[実施例11]実施例7において、n側ク
ラッド層を超格子構造とせずに、Siを1×1019/cm
3ドープしたAl0.1Ga0.9N層を0.6μmの膜厚で
成長させる。一方、p側クラッド層17を成長させる際
は、Mgを1×1020/cm3ドープしたGaN層を25
オングストロームと、1×1018/cm3ドープしたAl
0.1Ga0.9N層を25オングストロームとを交互に積層
し、総膜厚0.6μmの超格子構造とする他は実施例7
と同様にしてレーザ素子を作製したところ、実施例7に
比較して閾値は若干上昇したが同じく1000時間以上
の寿命を示した。[Embodiment 11] In the seventh embodiment, the n-side cladding layer was not made to have a superlattice structure, and Si was set to 1 × 10 19 / cm.
A 3- doped Al 0.1 Ga 0.9 N layer is grown to a thickness of 0.6 μm. On the other hand, when growing the p-side cladding layer 17, the GaN layer doped with Mg at 1 × 10 20 / cm 3
Angstroms and 1 × 10 18 / cm 3 doped Al
Example 7 except that a 0.1 Ga 0.9 N layer was alternately laminated with 25 Å to form a superlattice structure having a total film thickness of 0.6 μm.
When a laser device was manufactured in the same manner as in Example 7, the threshold value was slightly increased as compared with Example 7, but the life was also 1000 hours or more.
【0109】[実施例12]実施例7において、n側ク
ラッド層、及びp側クラッド層の超格子における不純物
濃度を通常の変調ドープ(中央部が高濃度ではなく、層
内ほぼ均一)とし、n側バッファ層11を成長させる際
に、Siを1×1019/cm3ドープしたAl0.05Ga
0.95N層50オングストロームと、アンドープGaN層
50オングストロームとを交互に成長させ、総膜厚2μ
mの超格子層とする他は実施例7と同様にしてレーザ素
子を作製したところ、実施例7のものに比較して、閾値
が若干低下し、寿命は3000時間以上を示した。[Embodiment 12] In Embodiment 7, the impurity concentration in the superlattice of the n-side cladding layer and the p-side cladding layer is set to normal modulation doping (the central part is not high, but is substantially uniform in the layer). When growing the n-side buffer layer 11, Al 0.05 Ga doped with 1 × 10 19 / cm 3 of Si is used.
A 0.95 N layer and 50 Å of an undoped GaN layer are alternately grown to a total film thickness of 2 μm.
A laser device was fabricated in the same manner as in Example 7, except that the superlattice layer was made m. As compared with the laser device of Example 7, the threshold value was slightly lowered, and the life was 3,000 hours or more.
【0110】[実施例13]実施例7において、n側ク
ラッド層12をアンドープGaN層20オングストロー
ムと、Siを1×1019/cm3ドープしたAl0.1Ga
0.9N層20オングストロームとを積層した総膜厚0.
6μmの超格子構造とする。次のn側光ガイド層13を
Siを1×1019/cm3ドープしたGaN層25オング
ストロームと、アンドープAl0.05Ga0.95N層25オ
ングストロームとを交互に成長させ、総膜厚0.1μm
の超格子構造とする。Example 13 In Example 7, the n-side cladding layer 12 was made of undoped GaN layer 20 Å, and Al 0.1 Ga doped with 1 × 10 19 / cm 3 of Si.
A total film thickness of 0.9 N layer and 20 angstroms is laminated.
A 6 μm superlattice structure is used. The next n-side light guide layer 13 is formed by alternately growing 25 Å of a GaN layer doped with 1 × 10 19 / cm 3 of Si and 25 Å of an undoped Al 0.05 Ga 0.95 N layer to a total thickness of 0.1 μm.
Superlattice structure.
【0111】一方、p側光ガイド層も、Mgを1×10
19/cm3ドープしたGaN層25オングストロームと、
アンドープAl0.05Ga0.95N層25オングストローム
とを交互に成長させ、総膜厚0.1μmの超格子構造と
する。次に、p側クラッド層17をアンドープGaN層
20オングストロームと、Mgを1×1020/cm3ドー
プしたAl0.1Ga0.9N層を20オングストロームとを
交互に積層した、総膜厚0.6μmの超格子構造とする
他は、同様にしてレーザ素子を作製したところ、実施例
7のものに比較して、若干閾値は低下し、寿命は300
0時間以上を示した。On the other hand, the p-side light guide layer also contains Mg of 1 × 10
A 25 Å layer of 19 / cm 3 doped GaN;
Undoped Al 0.05 Ga 0.95 N layers and 25 Å are alternately grown to form a superlattice structure with a total thickness of 0.1 μm. Next, an undoped GaN layer of 20 Å of the p-side cladding layer 17 and 20 Å of an Al 0.1 Ga 0.9 N layer doped with 1 × 10 20 / cm 3 of Mg were alternately laminated, and a total film thickness of 0.6 μm was formed. A laser device was manufactured in the same manner except that the laser device had a superlattice structure.
It showed 0 hours or more.
【0112】[実施例14]実施例14は、実施例7と
同様、GaN基板10を用いて構成したレーザ素子であ
る。すなわち、実施例14のレーザ素子は、実施例7と
同様に構成されたGaN基板10上に以下の各半導体層
が形成されて構成される。まず、そのGaN基板10の
上にSiを1×1018/cm3以上ドープしたn型Ga
Nよりなるn側コンタクト層(n側の第2の窒化物半導
体層)を2μmの膜厚で成長させる。なお、この層をア
ンドープのGaNと、SiをドープしたAlXGa1-XN
(0<X≦0.4)からなる超格子層としても良い。[Embodiment 14] Embodiment 14 is a laser device constructed using a GaN substrate 10 as in Embodiment 7. That is, the laser device of Example 14 is configured by forming the following semiconductor layers on the GaN substrate 10 configured in the same manner as Example 7. First, n-type Ga doped with 1 × 10 18 / cm 3 or more on the GaN substrate 10 is used.
An n-side contact layer made of N (n-side second nitride semiconductor layer) is grown to a thickness of 2 μm. Note that the this layer of undoped GaN, doped with Si Al X Ga 1-X N
A superlattice layer made of (0 <X ≦ 0.4) may be used.
【0113】次に、n側コンタクト層を成長させた後、
温度を800℃にして、窒素雰囲気中、TMG,TM
I,アンモニア、シランガスで、Siを5×1018/c
m3ドープしたIn0.1Ga0.9Nよりなるクラック防止
層を500オングストロームの膜厚で成長させる。この
クラック防止層はInを含むn型の窒化物半導体、好ま
しくはInGaNで成長させることにより、後に成長さ
せるAlを含む窒化物半導体層中にクラックが入るのを
防止することができる。なおこのクラック防止層は10
0オングストローム以上、0.5μm以下の膜厚で成長
させることが好ましい。100オングストロームよりも
薄いと前記のようにクラック防止として作用しにくく、
0.5μmよりも厚いと、結晶自体が黒変する傾向にあ
る。Next, after growing the n-side contact layer,
The temperature was set to 800 ° C., and in a nitrogen atmosphere, TMG, TM
I, ammonia, silane gas, Si is 5 × 10 18 / c
m 3 doped crack preventing layer In consisting 0.1 Ga 0.9 N and the is grown to the thickness of 500 angstroms. By growing this crack prevention layer with an n-type nitride semiconductor containing In, preferably InGaN, cracks can be prevented from entering the nitride semiconductor layer containing Al to be grown later. This crack prevention layer is 10
It is preferable to grow the film with a thickness of 0 Å to 0.5 μm. If it is thinner than 100 Å, it is difficult to act as a crack prevention as described above,
If it is thicker than 0.5 μm, the crystals themselves tend to turn black.
【0114】続いて、1050℃でTMA、TMG、ア
ンモニア、シランガスを用い、Siを1×1019/cm
3ドープしたn型Al0.2Ga0.8Nよりなる層を40オ
ングストロームと、アンドープのGaN層を40オング
ストロームの膜厚で成長させ、これらの層を交互に、そ
れぞれ100層ずつ積層した、総膜厚0.8μmの超格
子よりなるn側クラッド層を成長させる。Subsequently, at 1050 ° C., TMA, TMG, ammonia, and silane gas were used to convert Si into 1 × 10 19 / cm 3.
A layer made of 3- doped n-type Al 0.2 Ga 0.8 N is grown to a thickness of 40 Å, and an undoped GaN layer is grown to a thickness of 40 Å. An n-side cladding layer composed of a 0.8 μm superlattice is grown.
【0115】続いて、アンドープAl0.05Ga0.95Nよ
りなるn側光ガイド層を0.1μmの膜厚で成長させ
る。この層には活性層の光を導波する光ガイド層として
作用し、アンドープの他、n型不純物をドープしても良
い。またこの層をGaNとAlGaNからなる超格子層
とすることもできる。Subsequently, an n-side optical guide layer made of undoped Al 0.05 Ga 0.95 N is grown to a thickness of 0.1 μm. This layer functions as a light guide layer for guiding light of the active layer, and may be doped with an n-type impurity in addition to undoping. This layer may be a superlattice layer made of GaN and AlGaN.
【0116】次に、アンドープIn0.01Ga0.99Nより
なる活性層を400オングストロームの膜厚で成長させ
る。Next, an active layer made of undoped In 0.01 Ga 0.99 N is grown to a thickness of 400 Å.
【0117】次に、後で形成するp側光ガイド層よりも
バンドキャップエネルギーが大きいMgを1×1019/
cm3ドープしたp型Al0.2Ga0.8Nよりなるp側キ
ャップ層を300オングストロームの膜厚で成長させ
る。Next, Mg having a bandcap energy higher than that of a p-side light guide layer to be formed later is added to 1 × 10 19 / Mg.
A p-side cap layer made of p-type Al 0.2 Ga 0.8 N doped with cm 3 is grown to a thickness of 300 Å.
【0118】次に、バンドキャップエネルギーがp側キ
ャップ層よりも小さい、Al0.01Ga0.99Nよりなるp
側光ガイド層を0.1μmの膜厚で成長させる。この層
は、活性層の光ガイド層として作用する。なお、このp
側光ガイド層をアンドープの窒化物半導体よりなる超格
子層とすることもできる。超格子層とする場合にはバン
ドキャップエネルギーの大きな方の層(障壁層)のバン
ドキャップエネルギーは活性層より大きく、p側クラッ
ド層よりも小さくする。Next, p of Al 0.01 Ga 0.99 N whose band cap energy is smaller than that of the p-side cap layer.
The side light guide layer is grown to a thickness of 0.1 μm. This layer acts as a light guide layer for the active layer. Note that this p
The side light guide layer may be a superlattice layer made of an undoped nitride semiconductor. When a superlattice layer is used, the bandcap energy of a layer (barrier layer) having a larger bandcap energy is larger than that of the active layer and smaller than that of the p-side cladding layer.
【0119】続いてMgを1×1019/cm3ドープし
たp型Al0.2Ga0.8N層を40オングストロームと、
アンドープGaNを40オングストロームとを交互に積
層成長した総膜厚0.8μmの超格子層構造よりなるp
側クラッド層を成長させる。Subsequently, a p-type Al 0.2 Ga 0.8 N layer doped with Mg at 1 × 10 19 / cm 3 was set to 40 Å,
A p-layer having a superlattice layer structure having a total film thickness of 0.8 μm, in which undoped GaN is alternately stacked with 40 angstroms.
Grow the side cladding layer.
【0120】最後に、p側クラッド層の上に、Mgを1
×1020/cm3ドープしたp型GaNよりなるp側コ
ンタクト層を150オングストロームの膜厚で成長させ
る。特にレーザ素子の場合、AlGaNを含む超格子構
造のp側クラッド層に接して、バンドキャップエネルギ
ーの小さい窒化物半導体をp側コンタクト層として、そ
の膜厚を500オングストローム以下と薄くしているた
めに、実質的にp側コンタクト層のキャリア濃度が高く
なりp電極と好ましいオーミックが得られて、素子の閾
値電流、電圧が低下する傾向にある。Finally, on the p-side cladding layer, Mg was
A p-side contact layer made of p-type GaN doped with × 10 20 / cm 3 is grown to a thickness of 150 Å. In particular, in the case of a laser device, a nitride semiconductor having a small bandgap energy is used as a p-side contact layer in contact with a p-side cladding layer having a superlattice structure containing AlGaN, and its thickness is reduced to 500 angstroms or less. Substantially, the carrier concentration of the p-side contact layer is increased, a favorable ohmic contact with the p-electrode is obtained, and the threshold current and voltage of the device tend to decrease.
【0121】以上にようにして窒化物半導体を成長させ
たウェーハを所定の温度でアニーリングを行いp型不純
物をドープした層をさらに低抵抗化させた後、ウェーハ
を反応容器から取り出し、RIE装置により最上層のp
側コンタクト層と、p側クラッド層とをエッチングし
て、4μmのストライプ幅を有するリッジ形状とする。
このように、活性層よりも上部にある層をストライプ状
のリッジ形状とすることにより、活性層の発光がストラ
イプリッジの下に集中するようになって閾値が低下し、
特に超格子層よりなるp側クラッド層以上の層をリッジ
形状とすることが好ましい。After the wafer on which the nitride semiconductor has been grown as described above is annealed at a predetermined temperature to further reduce the resistance of the layer doped with the p-type impurity, the wafer is taken out of the reaction vessel and subjected to RIE. Top layer p
The side contact layer and the p-side cladding layer are etched to form a ridge shape having a stripe width of 4 μm.
As described above, by forming the layer above the active layer into a stripe-shaped ridge shape, light emission of the active layer is concentrated below the stripe ridge, and the threshold value is reduced.
In particular, it is preferable that a layer above the p-side cladding layer composed of a superlattice layer has a ridge shape.
【0122】次にリッジ表面にマスクを形成し、RIE
にてエッチングを行い、n側コンタクト層の表面を露出
させ、TiとAlよりなるn電極をストライプ状に形成
する。一方p側コンタクト層のリッジ最表面にはNiと
Auよりなるp電極をストライプ状に形成する。p型G
aN層と好ましいオーミックが得られる電極材料として
は、例えばNi,Pt,Pd,Ni/Au,Pt/A
u,Pd/Au等を挙げることができる。n型GaNと
好ましいオーミックが得られる電極材料としてはAl、
Ti,W,Cu,Zn,Sn,In等の金属若しくは合
金等を挙げることができる。Next, a mask is formed on the ridge surface, and RIE is performed.
To expose the surface of the n-side contact layer, and form an n-electrode made of Ti and Al in a stripe shape. On the other hand, on the outermost surface of the ridge of the p-side contact layer, a p-electrode made of Ni and Au is formed in a stripe shape. p-type G
Examples of the electrode material that can obtain a preferable ohmic with the aN layer include Ni, Pt, Pd, Ni / Au, and Pt / A.
u, Pd / Au and the like. Examples of electrode materials that can obtain a preferable ohmic with n-type GaN include Al,
Examples include metals or alloys such as Ti, W, Cu, Zn, Sn, and In.
【0123】次に、p電極と、n電極との間に露出した
窒化物半導体層の表面にSiO2よりなる絶縁膜を形成
し、この絶縁膜を介してp電極と電気的に接続したpパ
ッド電極を形成する。このpパッド電極は実質的なp電
極の表面積を広げて、p電極側をワイヤーボンディン
グ、ダイボンディングできるようにしている。Next, an insulating film made of SiO 2 is formed on the surface of the nitride semiconductor layer exposed between the p-electrode and the n-electrode, and the p-electrode electrically connected to the p-electrode via this insulating film. A pad electrode is formed. This p-pad electrode enlarges the substantial surface area of the p-electrode so that the p-electrode side can be wire-bonded and die-bonded.
【0124】以上のようにして、n電極とp電極とを形
成したウェーハを研磨装置に移送し、ダイヤモンド研磨
剤を用いて、窒化物半導体を形成していない側のサファ
イア基板をラッピングし、サファイア基板の厚さを70
μmとする。ラッピング後、さらに細かい研磨剤で1μ
mポリシングして基板表面を鏡面状とし、Au/Snで
全面をメタライズする。As described above, the wafer on which the n-electrode and the p-electrode are formed is transferred to a polishing apparatus, and the sapphire substrate on which the nitride semiconductor is not formed is wrapped using a diamond polishing agent. Substrate thickness of 70
μm. After wrapping, 1μ with finer abrasive
The substrate surface is mirror-finished by m-polishing, and the entire surface is metallized with Au / Sn.
【0125】その後、Au/Sn側をスクライプして、
ストライプ状の電極に垂直な方向でバー状に劈開し、劈
開面に共振器を作製する、共振器面にSiO2とTiO2
よりなる誘電体多層膜を形成し、最後にp電極に平行な
方向で、バーを切断してレーザチップとする。次にチッ
プをフェースアップ(基板とヒートシンクとが対向した
状態)でヒートシンクに設置し、それぞれの電極をワイ
ヤーボンディングして、室温でレーザ発振を試みたとこ
ろ、室温において、閾値電流密度2.0kA/cm2、
閾値電圧4.0Vで、発振波長368nmの連続発振が
確認され、1000時間以上の寿命を示した。Then, the Au / Sn side is scribed,
Cleavage is performed in a bar shape in the direction perpendicular to the stripe-shaped electrode, and a resonator is formed on the cleavage surface. SiO 2 and TiO 2 are formed on the resonator surface.
Finally, a bar is cut in a direction parallel to the p-electrode to form a laser chip. Next, the chip was placed face-up (in a state where the substrate and the heat sink faced each other), and the electrodes were wire-bonded and laser oscillation was attempted at room temperature. At room temperature, the threshold current density was 2.0 kA / cm 2 ,
At a threshold voltage of 4.0 V, continuous oscillation with an oscillation wavelength of 368 nm was confirmed, and a lifetime of 1000 hours or more was shown.
【0126】[0126]
【発明の効果】以上説明したように、本発明では不純物
が変調ドープされた超格子層よりなるクラッド層を有し
ているために、閾値電圧が低下して、長時間連続発振で
きるレーザ素子を実現することができる。またこのレー
ザ素子は特性温度の高い良好なレーザ素子が実現でき
る。特性温度とは、温度変化による閾値電流密度でexp
(T/T0)に比例する{T:動作温度(K)、T0:特
性温度(K)}。T0が大きいほどLDは、高温でも閾
値電流密度が低く安定に動作することを示している。例
えば本発明の実施例1のレーザ素子では、T0が150
K以上ある。この値はLDの温度特性が非常に優れてい
ることを示している。このため本発明のレーザ素子を書
き込み光源、読みとり光源として用いることにより、従
来にはない容量が達成でき、その産業上の利用価値は非
常に大きい。As described above, in the present invention, a laser device capable of continuous oscillation for a long time with a reduced threshold voltage because of having a clad layer composed of a superlattice layer in which impurities are modulation-doped is provided. Can be realized. Further, this laser device can realize a good laser device having a high characteristic temperature. Characteristic temperature is the threshold current density due to temperature change exp
{T: operating temperature (K), T 0 : characteristic temperature (K)} proportional to (T / T 0 ). The larger T 0 indicates that the LD operates stably with a lower threshold current density even at high temperatures. For example, in the laser device according to the first embodiment of the present invention, T 0 is 150
K or more. This value indicates that the temperature characteristics of the LD are very excellent. For this reason, by using the laser element of the present invention as a writing light source and a reading light source, an unprecedented capacity can be achieved, and its industrial utility value is very large.
【図1】 本発明に係る一実施形成のレーザ素子の構造
を示す模式断面図。FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing the structure of a laser device according to one embodiment of the present invention.
【図2】 図1のレーザ素子の斜視図。FIG. 2 is a perspective view of the laser device of FIG.
【図3】 本発明に係る実施例2のレーザ素子の構造を
示す模式断面図。FIG. 3 is a schematic sectional view showing the structure of a laser device according to a second embodiment of the present invention.
【図4】 本発明に係る実施例7のレーザ素子の構造を
示す模式断面図。FIG. 4 is a schematic sectional view showing the structure of a laser device according to Example 7 of the present invention.
10・・・GaN基板、 11・・・n側バッファ層、 12・・・超格子構造のn側クラッド層、 13・・・n側ガイド層、 14・・・活性層、 15・・・p側キャップ層、 16・・・p側ガイド層、 17・・・超格子構造のp側クラッド層、 18・・・p側コンタクト層、 19・・・クラック防止層、 20・・・n側キャップ層、 21・・・p電極、 22・・・pパッド電極、 23・・・n電極、 24・・・nパッド電極、 25・・・絶縁膜。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... GaN substrate, 11 ... n side buffer layer, 12 ... n side clad layer of super lattice structure, 13 ... n side guide layer, 14 ... active layer, 15 ... p Side cap layer, 16 ... p-side guide layer, 17 ... p-side cladding layer of super lattice structure, 18 ... p-side contact layer, 19 ... crack prevention layer, 20 ... n-side cap Layers 21 ... p electrode 22 ... p pad electrode 23 ... n electrode 24 ... n pad electrode 25 ... insulating film.
Claims (44)
p導電側の窒化物半導体層との間に形成されてなる窒化
物半導体素子であって、 前記n導電側の窒化物半導体層において、前記活性層と
離れた位置、若しくは接した位置に、互いにバンドギャ
ップエネルギーが異なりかつ互いにn型不純物濃度が異
なる第1と第2の窒化物半導体層とが積層されてなるn
側歪み超格子層を有することを特徴とする窒化物半導体
素子。1. A nitride semiconductor device comprising an active layer formed between an n-conductive side nitride semiconductor layer and a p-conductive side nitride semiconductor layer, wherein the n-conductive side nitride semiconductor is provided. In the layer, n and n are formed by stacking first and second nitride semiconductor layers having different band gap energies and different n-type impurity concentrations from each other at a position separated from or in contact with the active layer.
A nitride semiconductor device having a side strain superlattice layer.
p導電側の窒化物半導体層との間に形成されてなる窒化
物半導体素子であって、 前記p導電側の窒化物半導体層において、前記活性層と
離れた位置、若しくは接した位置に、互いにバンドギャ
ップエネルギーが異なりかつ互いにp型不純物濃度が異
なる第3と第4の窒化物半導体層とが積層されてなるp
側歪み超格子層を有することを特徴とする窒化物半導体
素子。2. A nitride semiconductor device wherein an active layer is formed between a nitride semiconductor layer on an n-conductive side and a nitride semiconductor layer on a p-conductive side, wherein the nitride semiconductor on the p-conductive side is provided. In a layer, p and n are formed by stacking third and fourth nitride semiconductor layers having different band gap energies and different p-type impurity concentrations from each other at a position separated from or in contact with the active layer.
A nitride semiconductor device having a side strain superlattice layer.
p導電側の窒化物半導体層との間に形成されてなる窒化
物半導体素子であって、 前記n導電側の窒化物半導体層において、前記活性層と
離れた位置、若しくは接した位置に、互いにバンドギャ
ップエネルギーが異なりかつ互いにn型不純物濃度が異
なる第1と第2の窒化物半導体層とが積層されてなるn
側歪み超格子層を有し、 前記p導電側の窒化物半導体層において、前記活性層と
離れた位置、若しくは接した位置に、互いにバンドギャ
ップエネルギーが異なりかつ互いにp型不純物濃度が異
なる第3と第4の窒化物半導体層とが積層されてなるp
側歪み超格子層を有することを特徴とする窒化物半導体
素子。3. A nitride semiconductor device comprising an active layer formed between an n-conductive side nitride semiconductor layer and a p-conductive side nitride semiconductor layer, wherein the n-conductive side nitride semiconductor is provided. In the layer, n and n are formed by stacking first and second nitride semiconductor layers having different band gap energies and different n-type impurity concentrations from each other at a position separated from or in contact with the active layer.
A third strained superlattice layer, wherein the p-type nitride semiconductor layer has a band gap energy different from each other and a p-type impurity concentration different from each other at a position apart from or in contact with the active layer; And a fourth nitride semiconductor layer
A nitride semiconductor device having a side strain superlattice layer.
1の窒化物半導体層は、前記第2の窒化物半導体層より
大きいバンドギャップエネルギーと前記第2の窒化物半
導体層より大きいn型不純物濃度とを有する請求項1又
は3記載の窒化物半導体素子。4. In the n-side strained superlattice layer, the first nitride semiconductor layer has a bandgap energy larger than that of the second nitride semiconductor layer and an n-type larger than the second nitride semiconductor layer. 4. The nitride semiconductor device according to claim 1, which has an impurity concentration.
記第2の窒化物半導体層に近接する部分のn型不純物濃
度を前記第2の窒化物半導体層から離れた部分に比較し
て小さくした請求項4記載の窒化物半導体素子。5. In the first nitride semiconductor layer, an n-type impurity concentration in a portion close to the second nitride semiconductor layer is lower than that in a portion remote from the second nitride semiconductor layer. The nitride semiconductor device according to claim 4, wherein
濃度が1×1017/cm3〜1×1020/cm3の範囲にあ
り、第2の窒化物半導体層のn型不純物濃度が1×10
19/cm3以下である請求項4又は5記載の窒化物半導体
素子。6. An n-type impurity concentration of the first nitride semiconductor layer is in a range of 1 × 10 17 / cm 3 to 1 × 10 20 / cm 3 , and an n-type impurity of the second nitride semiconductor layer is Concentration is 1 × 10
6. The nitride semiconductor device according to claim 4, wherein the nitride semiconductor device has a density of 19 / cm 3 or less.
1の窒化物半導体層は、前記第2の窒化物半導体層より
大きいバンドギャップエネルギーと前記第2の窒化物半
導体層より小さいn型不純物濃度とを有する請求項1又
は3記載の窒化物半導体素子。7. In the n-side strained superlattice layer, the first nitride semiconductor layer has a bandgap energy larger than that of the second nitride semiconductor layer and an n-type smaller than the second nitride semiconductor layer. 4. The nitride semiconductor device according to claim 1, which has an impurity concentration.
記第1の窒化物半導体層に近接する部分のn型不純物濃
度を前記第1の窒化物半導体層から離れた部分に比較し
て小さくした請求項7記載の窒化物半導体素子。8. In the second nitride semiconductor layer, an n-type impurity concentration in a portion close to the first nitride semiconductor layer is lower than that in a portion far from the first nitride semiconductor layer. The nitride semiconductor device according to claim 7, wherein
濃度が1×1019/cm3以下であり、前記第2の窒化物
半導体層のn型不純物濃度が1×1017/cm3〜1×1
020/cm3の範囲である請求項7又は8記載の窒化物半
導体素子。9. The n-type impurity concentration of the first nitride semiconductor layer is 1 × 10 19 / cm 3 or less, and the n-type impurity concentration of the second nitride semiconductor layer is 1 × 10 17 / cm 3. 3 to 1 × 1
9. The nitride semiconductor device according to claim 7, wherein the range is 0 20 / cm 3 .
a1-YN(0<Y<1)からなり、前記第2の窒化物半導
体層はInXGa1-XN(0≦X<1)からなる請求項4
〜9のうちの1つに記載の窒化物半導体素子。10. The first nitride semiconductor layer is formed of Al Y G
5. The semiconductor device according to claim 4, wherein a 1-Y N (0 <Y <1) is used, and said second nitride semiconductor layer is made of In x Ga 1-x N (0 ≦ X <1).
10. The nitride semiconductor device according to any one of to 9 above.
らなる請求項10記載の窒化物半導体素子。11. The nitride semiconductor device according to claim 10, wherein said second nitride semiconductor layer is made of GaN.
a1-XN(0<X<1)からなり、前記第2の窒化物半
導体層はAlYGa1-YN(0<Y<1,X>Y)からな
る請求項4〜9のうちの1つに記載の窒化物半導体素
子。12. The first nitride semiconductor layer is made of Al X G
10. The semiconductor device according to claim 4, wherein a 1-X N (0 <X <1) is used, and said second nitride semiconductor layer is made of Al Y Ga 1-Y N (0 <Y <1, X> Y). The nitride semiconductor device according to one of the above.
2の窒化物半導体層には、n型不純物がドープされてい
ない請求項4〜12のうちのいずれか1つに記載の窒化
物半導体素子。13. The nitride according to claim 4, wherein the first nitride semiconductor layer or the second nitride semiconductor layer is not doped with an n-type impurity. Semiconductor element.
第3の窒化物半導体層は、前記第4の窒化物半導体層よ
り大きいバンドギャップエネルギーと前記第4の窒化物
半導体層より大きいp型不純物濃度とを有する請求項2
又は3記載の窒化物半導体素子。14. The p-side strained superlattice layer, wherein the third nitride semiconductor layer has a band gap energy larger than that of the fourth nitride semiconductor layer and a p-type larger than that of the fourth nitride semiconductor layer. 3. The semiconductor device according to claim 2, which has an impurity concentration.
Or the nitride semiconductor device according to 3.
前記第4の窒化物半導体層に近接する部分のp型不純物
濃度を前記第4の窒化物半導体層から離れた部分に比較
して小さくした請求項14記載の窒化物半導体素子。15. In the third nitride semiconductor layer,
15. The nitride semiconductor device according to claim 14, wherein a p-type impurity concentration in a portion close to the fourth nitride semiconductor layer is lower than that in a portion far from the fourth nitride semiconductor layer.
物濃度が1×1018/cm3〜1×1021/cm3の範囲にあ
り、第4の窒化物半導体層のp型不純物濃度が1×10
20/cm3以下である請求項11又は12記載の窒化物半
導体素子。16. The p-type impurity concentration of the third nitride semiconductor layer is in the range of 1 × 10 18 / cm 3 to 1 × 10 21 / cm 3 , and the p-type impurity of the fourth nitride semiconductor layer is Concentration is 1 × 10
13. The nitride semiconductor device according to claim 11, wherein the nitride semiconductor device has a density of 20 / cm 3 or less.
第3の窒化物半導体層は、前記第4の窒化物半導体層よ
り大きいバンドギャップエネルギーと前記第4の窒化物
半導体層より小さいp型不純物濃度とを有する請求項2
又は3記載の窒化物半導体素子。17. In the p-side strained superlattice layer, the third nitride semiconductor layer has a bandgap energy larger than that of the fourth nitride semiconductor layer and a p-type smaller than that of the fourth nitride semiconductor layer. 3. The semiconductor device according to claim 2, wherein
Or the nitride semiconductor device according to 3.
前記第3の窒化物半導体層に近接する部分のp型不純物
濃度を前記第3の窒化物半導体層から離れた部分に比較
して小さくした請求項17記載の窒化物半導体素子。18. In the fourth nitride semiconductor layer,
18. The nitride semiconductor device according to claim 17, wherein a p-type impurity concentration in a portion close to the third nitride semiconductor layer is lower than that in a portion far from the third nitride semiconductor layer.
物濃度が1×1020/cm3以下であり、第4の窒化物半
導体層のp型不純物濃度が1×1018/cm3〜1×10
21/cm3の範囲である請求項17又は18記載の窒化物
半導体素子。19. The p-type impurity concentration of the third nitride semiconductor layer is 1 × 10 20 / cm 3 or less, and the p-type impurity concentration of the fourth nitride semiconductor layer is 1 × 10 18 / cm 3. ~ 1 × 10
19. The nitride semiconductor device according to claim 17, wherein the range is 21 / cm 3 .
a1-YN(0<Y<1)からなり、前記第4の窒化物半導
体層はInXGa1-XN(0≦X<1)からなる請求項1
4〜19のうちの1つに記載の窒化物半導体素子。20. The third nitride semiconductor layer is formed of Al Y G
a 1-Y N (0 < Y <1) consists, said fourth semiconductor layer is In X Ga 1-X N ( 0 ≦ X <1) consists of claim 1
20. The nitride semiconductor device according to one of 4 to 19.
らなる請求項20記載の窒化物半導体素子。21. The nitride semiconductor device according to claim 20, wherein said fourth nitride semiconductor layer is made of GaN.
a1-XN(0<X<1)からなり、前記第4の窒化物半
導体層はAlYGa1-YN(0<Y<1,X>Y)からな
る請求項14〜19のうちの1つに記載の窒化物半導体
素子。22. The third nitride semiconductor layer is made of Al X G
20. The semiconductor device according to claim 14, wherein a 1-X N (0 <X <1) is used, and wherein the fourth nitride semiconductor layer is made of Al Y Ga 1-Y N (0 <Y <1, X> Y). The nitride semiconductor device according to one of the above.
4の窒化物半導体層には、p型不純物がドープされてい
ない請求項14〜22のうちのいずれか1つに記載の窒
化物半導体素子。23. The nitride according to claim 14, wherein the third nitride semiconductor layer or the fourth nitride semiconductor layer is not doped with a p-type impurity. Semiconductor element.
第1の窒化物半導体層は、前記第2の窒化物半導体層よ
り大きいバンドギャップエネルギーと前記第2の窒化物
半導体層より大きいn型不純物濃度とを有しかつ、 前記p側歪み超格子層において、前記第3の窒化物半導
体層は、前記第4の窒化物半導体層より大きいバンドギ
ャップエネルギーと前記第4の窒化物半導体層より大き
いp型不純物濃度とを有する請求項3記載の窒化物半導
体素子。24. In the n-side strained superlattice layer, the first nitride semiconductor layer has a bandgap energy larger than the second nitride semiconductor layer and an n-type larger than the second nitride semiconductor layer. An impurity concentration, and in the p-side strained superlattice layer, the third nitride semiconductor layer has a bandgap energy larger than that of the fourth nitride semiconductor layer and a bandgap energy higher than that of the fourth nitride semiconductor layer. 4. The nitride semiconductor device according to claim 3, having a high p-type impurity concentration.
物濃度が1×1017/cm3〜1×1020/cm3の範囲であ
って、第2の窒化物半導体層のn型不純物濃度が1×1
019/cm3以下でありかつ、 前記第3の窒化物半導体層のp型不純物濃度が1×10
18/cm3〜1×1021/cm3の範囲であって、前記第4の
窒化物半導体層のp型不純物濃度が1×1020/cm3以
下である請求項24記載の窒化物半導体素子。25. An n-type impurity concentration of the second nitride semiconductor layer, wherein an n-type impurity concentration of the first nitride semiconductor layer is in a range of 1 × 10 17 / cm 3 to 1 × 10 20 / cm 3. 1 × 1 impurity concentration
0 19 / cm 3 or less, and the p-type impurity concentration of the third nitride semiconductor layer is 1 × 10 3
18 / cm 3 to 1 in the range of × 10 21 / cm 3, said fourth semiconductor according to claim 24, wherein the p-type impurity concentration of the nitride semiconductor layer is 1 × 10 20 / cm 3 or less element.
第1の窒化物半導体層は、前記第2の窒化物半導体層よ
り大きいバンドギャップエネルギーと前記第2の窒化物
半導体層より大きいn型不純物濃度とを有しかつ、 前記p側歪み超格子層において、前記第3の窒化物半導
体層は、前記第4の窒化物半導体層より大きいバンドギ
ャップエネルギーと前記第4の窒化物半導体層より小さ
いp型不純物濃度とを有する請求項3記載の窒化物半導
体素子。26. In the n-side strained superlattice layer, the first nitride semiconductor layer has a bandgap energy larger than that of the second nitride semiconductor layer and an n-type larger than the second nitride semiconductor layer. An impurity concentration, and in the p-side strained superlattice layer, the third nitride semiconductor layer has a bandgap energy larger than that of the fourth nitride semiconductor layer and a bandgap energy higher than that of the fourth nitride semiconductor layer. 4. The nitride semiconductor device according to claim 3, having a low p-type impurity concentration.
物濃度が1×1017/cm3〜1×1020/cm3の範囲であ
って、第2の窒化物半導体層のn型不純物濃度が1×1
019/cm3以下でありかつ、 前記第3の窒化物半導体層のp型不純物濃度が1×10
20/cm3以下であり、にあり、第4の窒化物半導体層の
p型不純物濃度が1×1018/cm3〜1×1021/cm3の
範囲である請求項26記載の窒化物半導体素子。27. An n-type impurity concentration of the second nitride semiconductor layer, wherein an n-type impurity concentration of the first nitride semiconductor layer is in a range of 1 × 10 17 / cm 3 to 1 × 10 20 / cm 3. 1 × 1 impurity concentration
0 19 / cm 3 or less, and the p-type impurity concentration of the third nitride semiconductor layer is 1 × 10 3
20 / cm 3 or less, there is a nitride of claim 26, wherein the p-type impurity concentration of the fourth semiconductor layer is in the range of 1 × 10 18 / cm 3 ~1 × 10 21 / cm 3 Semiconductor element.
第1の窒化物半導体層は、前記第2の窒化物半導体層よ
り大きいバンドギャップエネルギーと前記第2の窒化物
半導体層より小さいn型不純物濃度とを有しかつ、 前記p側歪み超格子層において、前記第3の窒化物半導
体層は、前記第4の窒化物半導体層より大きいバンドギ
ャップエネルギーと前記第4の窒化物半導体層より大き
いp型不純物濃度とを有する請求項3記載の窒化物半導
体素子。28. In the n-side strained superlattice layer, the first nitride semiconductor layer has a bandgap energy larger than that of the second nitride semiconductor layer and an n-type smaller than the second nitride semiconductor layer. An impurity concentration, and in the p-side strained superlattice layer, the third nitride semiconductor layer has a bandgap energy larger than that of the fourth nitride semiconductor layer and a bandgap energy higher than that of the fourth nitride semiconductor layer. 4. The nitride semiconductor device according to claim 3, having a high p-type impurity concentration.
物濃度が1×1019/cm3以下であって、前記第2の窒
化物半導体層のn型不純物濃度が1×1017/cm3〜1
×1020/cm3の範囲でありかつ、 前記第3の窒化物半導体層のp型不純物濃度が1×10
18/cm3〜1×1021/cm3の範囲であって、前記第4の
窒化物半導体層のp型不純物濃度が1×1020/cm3以
下である請求項28記載の窒化物半導体素子。29. An n-type impurity concentration of the first nitride semiconductor layer is 1 × 10 19 / cm 3 or less, and an n-type impurity concentration of the second nitride semiconductor layer is 1 × 10 17 / cm 3. cm 3 to 1
And the p-type impurity concentration of the third nitride semiconductor layer is 1 × 10 20 / cm 3.
18 / cm 3 to 1 in the range of × 10 21 / cm 3, said fourth semiconductor according to claim 28, wherein the p-type impurity concentration of the nitride semiconductor layer is 1 × 10 20 / cm 3 or less element.
第1の窒化物半導体層は、前記第2の窒化物半導体層よ
り大きいバンドギャップエネルギーと前記第2の窒化物
半導体層より小さいn型不純物濃度とを有しかつ、 前記p側歪み超格子層において、前記第3の窒化物半導
体層は、前記第4の窒化物半導体層より大きいバンドギ
ャップエネルギーと前記第4の窒化物半導体層より小さ
いp型不純物濃度とを有する請求項3記載の窒化物半導
体素子。30. In the n-side strained superlattice layer, the first nitride semiconductor layer has a bandgap energy larger than that of the second nitride semiconductor layer and an n-type smaller than the second nitride semiconductor layer. An impurity concentration, and in the p-side strained superlattice layer, the third nitride semiconductor layer has a bandgap energy larger than that of the fourth nitride semiconductor layer and a bandgap energy higher than that of the fourth nitride semiconductor layer. 4. The nitride semiconductor device according to claim 3, having a low p-type impurity concentration.
物濃度が1×1019/cm3以下であって、前記第2の窒
化物半導体層のn型不純物濃度が1×1017/cm3〜1
×1020/cm3の範囲でありかつ、 前記第3の窒化物半導体層のp型不純物濃度が1×10
20/cm3以下であり、にあり、第4の窒化物半導体層の
p型不純物濃度が1×1018/cm3〜1×1021/cm3の
範囲である請求項30記載の窒化物半導体素子。31. An n-type impurity concentration of the first nitride semiconductor layer is 1 × 10 19 / cm 3 or less, and an n-type impurity concentration of the second nitride semiconductor layer is 1 × 10 17 / cm 3. cm 3 to 1
And the p-type impurity concentration of the third nitride semiconductor layer is 1 × 10 20 / cm 3.
20 / cm 3 or less, there is a nitride of claim 30, wherein the p-type impurity concentration of the fourth semiconductor layer is in the range of 1 × 10 18 / cm 3 ~1 × 10 21 / cm 3 Semiconductor element.
第1の窒化物半導体層はAlYGa1-YN(0<Y<1)
からなり、前記第2の窒化物半導体層はInXGa1-XN
(0≦X<1)からなりかつ、 前記p側歪み超格子層において、前記第3の窒化物半導
体層はAlYGa1-YN(0<Y<1)からなり、前記第
4の窒化物半導体層はInXGa1-XN(0≦X<1)か
らなる請求項24〜31のうちの1つに記載の窒化物半
導体素子。32. In the n-side strained superlattice layer, the first nitride semiconductor layer is Al Y Ga 1 -YN (0 <Y <1).
And the second nitride semiconductor layer is made of In x Ga 1 -xN
(0 ≦ X <1), and in the p-side strained superlattice layer, the third nitride semiconductor layer is made of Al Y Ga 1-Y N (0 <Y <1); 32. The nitride semiconductor device according to claim 24, wherein the nitride semiconductor layer is made of In x Ga 1 -xN (0 ≦ X <1).
それぞれ、GaNからなる請求項24〜31のうちの1
つに記載の窒化物半導体素子。33. The semiconductor device according to claim 24, wherein each of the second and fourth nitride semiconductor devices is made of GaN.
6. A nitride semiconductor device according to any one of the above.
第1の窒化物半導体層はAlXGa1-XN(0<X<1)
からなり、前記第2の窒化物半導体層はAl YGa1-YN
(0<Y<1,X>Y)からなり、 前記p側歪み超格子層において、前記第3の窒化物半導
体層はAlXGa1-XN(0<X<1)からなり、前記第
4の窒化物半導体層はAlYGa1-YN(0<Y<1,X
>Y)からなる請求項24〜31のうちの1つに記載の
窒化物半導体素子。34. In the n-side strained superlattice layer,
The first nitride semiconductor layer is AlXGa1-XN (0 <X <1)
Wherein the second nitride semiconductor layer is made of Al YGa1-YN
(0 <Y <1, X> Y), and in the p-side strained superlattice layer, the third nitride semiconductor
Body layer is AlXGa1-XN (0 <X <1),
The nitride semiconductor layer of No. 4 is made of AlYGa1-YN (0 <Y <1, X
> Y) according to one of the claims 24-31.
Nitride semiconductor device.
2の窒化物半導体層は、n型不純物がドープされていな
いアンドープ層である請求項24〜34のうちの1つに
記載の窒化物半導体素子。35. The nitride according to claim 24, wherein the first nitride semiconductor layer or the second nitride semiconductor layer is an undoped layer not doped with an n-type impurity. Semiconductor device.
4の窒化物半導体層は、p型不純物がドープされていな
いアンドープ層である請求項24〜34のうちの1つに
記載の窒化物半導体素子。36. The nitride according to claim 24, wherein the third nitride semiconductor layer or the fourth nitride semiconductor layer is an undoped layer not doped with a p-type impurity. Semiconductor device.
項1〜36のうちのいずれか1つに記載の窒化物半導体
素子。37. The nitride semiconductor device according to claim 1, wherein the active layer includes an InGaN layer.
請求項37記載の窒化物半導体素子。38. The nitride semiconductor device according to claim 37, wherein said InGaN layer is a quantum well layer.
がp側クラッド層とn側クラッド層の間に位置するレー
ザ発振素子であって、 前記p側クラッド層と前記n側クラッド層のうちの少な
くとも一方が、前記n側歪み超格子層又は前記p側歪み
超格子層である請求項1〜38のうちのいずれか1つに
記載の窒化物半導体素子。39. The nitride semiconductor device, wherein the active layer is a laser oscillation device located between a p-side clad layer and an n-side clad layer, wherein the active layer is one of the p-side clad layer and the n-side clad layer. 39. The nitride semiconductor device according to claim 1, wherein at least one of the layers is the n-side strain superlattice layer or the p-side strain superlattice layer.
素子であって、 前記p側クラッド層と活性層との間、又は前記p側クラ
ッド層と活性層との間の少なくとも一方に、Inを含む
窒化物半導体又はGaNからなり、不純物濃度が1×1
019/cm3以下である光ガイド層が形成された請求項3
9記載の窒化物半導体素子。40. The nitride semiconductor device is a laser oscillation device, wherein at least one of In between at least one of between the p-side cladding layer and the active layer or between the p-side cladding layer and the active layer. Containing nitride semiconductor or GaN and having an impurity concentration of 1 × 1
4. A light guide layer having a thickness of 0 19 / cm 3 or less is formed.
10. The nitride semiconductor device according to item 9.
請求項40記載の窒化物半導体素子。41. The nitride semiconductor device according to claim 40, wherein the light guide layer has a superlattice structure.
に、前記活性層の井戸層及び前記光ガイド層よりも大き
いバンドギャップエネルギーを有しかつ膜厚0.1μm
以下の窒化物半導体よりなるキャップ層が形成され、該
キャップ層の不純物濃度が1×1018/cm3以上である
請求項40又は41記載の窒化物半導体素子。42. A gap between the light guide layer and the active layer, which has a larger band gap energy than the well layer of the active layer and the light guide layer, and has a thickness of 0.1 μm.
42. The nitride semiconductor device according to claim 40, wherein a cap layer made of the following nitride semiconductor is formed, and an impurity concentration of the cap layer is 1 × 10 18 / cm 3 or more.
p導電側窒化物半導体層側に形成されていることを特徴
とする請求項42に記載の窒化物半導体素子。43. The nitride semiconductor device according to claim 42, wherein the light guide layer and the cap layer are formed on a p-conductive side nitride semiconductor layer side.
異種基板上に窒化物半導体層を成長させ、該成長された
窒化物半導体層上に、該窒化物半導体層の表面を部分的
に露出させるように保護膜を形成した後、露出された窒
化物半導体層から前記保護膜を覆うように成長させた窒
化物半導体層からなる窒化物半導体基板の上に、請求項
1〜43のうちのいずれか1つに記載の窒化物半導体素
子を形成した窒化物半導体素子。44. A nitride semiconductor layer is grown on a heterogeneous substrate made of a material different from a nitride semiconductor, and a surface of the nitride semiconductor layer is partially exposed on the grown nitride semiconductor layer. After forming a protective film as described above, on a nitride semiconductor substrate composed of a nitride semiconductor layer grown to cover the protective film from the exposed nitride semiconductor layer, any one of claims 1 to 43 A nitride semiconductor device formed from the nitride semiconductor device according to any one of the above.
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