JP4953559B2 - Nitride semiconductor laser device - Google Patents
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Description
本発明は、半導体レーザ素子に関し、より詳細には、劈開面を共振器面として形成されてなる半導体レーザ素子に関する。 The present invention relates to a semiconductor laser device, and more particularly to a semiconductor laser device formed with a cleavage plane as a resonator surface.
従来から、半導体発光素子として、窒化物半導体、特にGaN系半導体を利用して、緑色や青色等の広範囲の発光素子が研究されている。これら窒化物半導体は、通常、成長基板としてサファイア基板上に成長させるが、サファイアは窒化物半導体との格子不整が13%以上ある。このため、サファイア基板上に成長した窒化物半導体は、格子欠陥が非常に多い。結晶欠陥が多い基板は、レーザ素子には不向きであり、実用化が困難である。また、サファイアは、六方晶系という結晶の性質上、劈開性を有していない。 Conventionally, a wide range of light-emitting elements such as green and blue have been studied using nitride semiconductors, particularly GaN-based semiconductors, as semiconductor light-emitting elements. These nitride semiconductors are usually grown on a sapphire substrate as a growth substrate, but sapphire has a lattice mismatch of 13% or more with the nitride semiconductor. For this reason, the nitride semiconductor grown on the sapphire substrate has very many lattice defects. A substrate with many crystal defects is unsuitable for a laser element and is difficult to put into practical use. In addition, sapphire does not have a cleavage property due to the nature of the hexagonal crystal.
そこで、窒化物半導体と格子整合する窒化物半導体による基板を作製する試みがなされている(例えば、特許文献1等)。
この窒化物半導体基板は、GaN単結晶を成長させる際に、気相成長の成長表面が平面状態でなく、三次元的なファセット構造を維持しながら、ファセット構造を埋め込まないでGaN結晶を成長させることにより、転位を低減させている。
This nitride semiconductor substrate grows a GaN crystal without embedding the facet structure while maintaining a three-dimensional facet structure when the growth surface of the vapor phase growth is not flat when growing the GaN single crystal. As a result, dislocations are reduced.
しかし、このような方法によって得られた基板では、ファセット面の境界部分に欠陥が集中し、基板の面内方向において、例えばストライプ状に、結晶欠陥の非常に少ない領域と、結晶欠陥が集中する領域とが並存する。
従って、この基板を用いて、その上に窒化物半導体層を積層させ、結晶欠陥のストライプ方向に沿って光導波路を形成し、ストライプに対して垂直に自然劈開させて共振器面を作製する際に、結晶欠陥の多い領域と少ない領域との界面で結晶が不連続となっているために、直線的に劈開することができないという問題があった。
However, in the substrate obtained by such a method, defects are concentrated on the boundary portion of the facet plane, and in the in-plane direction of the substrate, for example, stripe-like regions and crystal defects are concentrated. The area coexists.
Therefore, when a nitride semiconductor layer is laminated on this substrate, an optical waveguide is formed along the stripe direction of the crystal defect, and the substrate is naturally cleaved perpendicular to the stripe to produce a resonator surface. In addition, since the crystal is discontinuous at the interface between the region with many crystal defects and the region with few crystal defects, there is a problem that it cannot be cleaved linearly.
また、自然劈開による上述した問題を避けるために基板側全面にスクライブを行って、このスクライブに沿って、積層した半導体層を劈開する場合には、共振器面となる劈開面にまでスクライブに起因する微細な縦筋が入り、レーザの信頼性を損ねるという問題があった。 In addition, in order to avoid the above-mentioned problems due to natural cleavage, when scribing is performed on the entire surface of the substrate and the stacked semiconductor layers are cleaved along this scribe, it is caused by the scribing to the cleavage plane that becomes the resonator surface. There was a problem that fine vertical streaks entered, and the reliability of the laser was impaired.
本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、結晶欠陥の少ない低密度欠陥領域と、この低密度欠陥領域よりも結晶欠陥の多い高密度欠陥領域とを有する窒化物半導体基板を用いた場合においても、平坦性に優れた共振器面が得られ、安定な動作を維持し得る信頼性の高い窒化物半導体レーザ素子を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above problems, and when a nitride semiconductor substrate having a low-density defect region with few crystal defects and a high-density defect region with more crystal defects than the low-density defect region is used. However, an object of the present invention is to provide a highly reliable nitride semiconductor laser device capable of obtaining a resonator surface with excellent flatness and maintaining stable operation.
本発明の第1の窒化物半導体レーザ素子は、窒化物半導体基板と、該窒化物半導体基板上に積層されたn型半導体層、活性層及びp型半導体層からなる窒化物半導体層とを備え、該窒化物半導体層にストライプ状の光導波路領域を有する窒化物半導体レーザ素子であって、
前記窒化物半導体基板は、表面に2以上の異なる面方位を有する下層基板と、上層基板と、が積層されてなり、
前記下層基板と前記上層基板との間には、空洞が設けられ、
前記上層基板は、前記空洞の上方において、高密度欠陥領域と低密度欠陥領域とを有し、
前記光導波路領域は、前記低密度欠陥領域の上方に位置することを特徴とする。
A first nitride semiconductor laser element of the present invention includes a nitride semiconductor substrate, and a nitride semiconductor layer composed of an n-type semiconductor layer, an active layer, and a p-type semiconductor layer stacked on the nitride semiconductor substrate. A nitride semiconductor laser element having a stripe-shaped optical waveguide region in the nitride semiconductor layer,
The nitride semiconductor substrate includes a lower substrate having two or more different plane orientation on the surface, and the upper layer substrate, is being laminated,
Between the upper substrate and the lower substrate, a cavity is provided,
The upper substrate has a high-density defect region and a low-density defect region above the cavity,
The optical waveguide region is located above the low density defect region .
この窒化物半導体レーザ素子においては、下層基板は、2以上の異なる面方位を周期的に有し、少なくとも1つの面方位が高転位密度領域であることを特徴とする。 In this nitride semiconductor laser device, the lower layer substrate has two or more different plane orientations periodically, and at least one plane orientation is a high dislocation density region.
また、本発明の第2の窒化物半導体レーザ素子は、窒化物半導体基板と、該窒化物半導体基板上に積層されたn型半導体層、活性層及びp型半導体層からなる窒化物半導体層とを備え、該窒化物半導体層にストライプ状の光導波路領域を有する窒化物半導体レーザ素子であって、
前記窒化物半導体基板は、高密度欠陥領域及び低密度欠陥領域を有する下層基板と、上層基板と、が積層されてなり、
前記下層基板と前記上層基板との間には、空洞が設けられ、
前記上層基板は、前記空洞の上方において、高密度欠陥領域と低密度欠陥領域とを有し、
前記光導波路領域は、前記低密度欠陥領域の上方に位置することを特徴とする。
The second nitride semiconductor laser element of the present invention includes a nitride semiconductor substrate, and a nitride semiconductor layer comprising an n-type semiconductor layer, an active layer, and a p-type semiconductor layer stacked on the nitride semiconductor substrate. A nitride semiconductor laser element having a stripe-shaped optical waveguide region in the nitride semiconductor layer,
The nitride semiconductor substrate includes a lower substrate, and the upper layer substrate, is being laminated with a high density defective regions and low density defective regions,
Between the upper substrate and the lower substrate, a cavity is provided,
The upper substrate has a high-density defect region and a low-density defect region above the cavity,
The optical waveguide region is located above the low density defect region .
さらに、上述した窒化物半導体レーザ素子においては、層成長抑止領域は、下層基板上に形成された空洞からなるか、層成長抑制領域は、下層基板上に設けられた凹部からなるか、あるいは層成長抑止領域は、ストライプ状の成長抑止膜からなることを特徴とする。
特に、第2の窒化物半導体レーザ素子では、下地基板は、高転位密度領域と低転位密度領域とが、周期的に設けられていることを特徴とする。
また、下層基板は、ルミネッセンス領域を有することを特徴とする。
さらに、窒化物半導体基板は、2種以上のn型不純物を含むことを特徴とする。
また、窒化物半導体基板とn型半導体層とが異なるn型不純物を含有することを特徴とする。
本発明の第3の窒化物半導体レーザ素子は、窒化物半導体基板と、該窒化物半導体基板上に積層されたn型半導体層、活性層及びp型半導体層からなる窒化物半導体層とを備え、該窒化物半導体層にストライプ状の光導波路領域を有する窒化物半導体レーザ素子であって、
前記窒化物半導体基板は、高転位密度領域及び、該高転位密度領域よりも転位の少ない低転位密度領域とを有する基板であり、
前記基板上に、下地層が積層されてなり、
前記基板には、前記下地層との界面に、凹部からなる層成長抑止領域を有してなることを特徴とする。
Further, in the above-described nitride semiconductor laser element, the layer growth suppression region is composed of a cavity formed on the lower layer substrate, the layer growth suppression region is composed of a recess provided on the lower layer substrate, or a layer The growth inhibition region is characterized by comprising a stripe-like growth inhibition film.
In particular, the second nitride semiconductor laser element is characterized in that the base substrate is periodically provided with a high dislocation density region and a low dislocation density region.
In addition, the lower layer substrate has a luminescence region.
Furthermore, the nitride semiconductor substrate includes two or more types of n-type impurities.
In addition, the nitride semiconductor substrate and the n-type semiconductor layer contain different n-type impurities.
A third nitride semiconductor laser device of the present invention includes a nitride semiconductor substrate, and a nitride semiconductor layer including an n-type semiconductor layer, an active layer, and a p-type semiconductor layer stacked on the nitride semiconductor substrate. A nitride semiconductor laser element having a stripe-shaped optical waveguide region in the nitride semiconductor layer,
The nitride semiconductor substrate is a substrate having a high dislocation density region and a low dislocation density region having fewer dislocations than the high dislocation density region.
A base layer is laminated on the substrate,
The substrate has a layer growth inhibition region formed of a recess at an interface with the base layer.
本発明の窒化物半導体レーザ素子によれば、表面に2以上の異なる面方位を有する下層基板上に、この下層基板の面方位とは異なる面方位を有する上層基板が積層されているために、あるいは、他の領域よりも結晶欠陥の多い高転位密度領域及び高転位密度領域よりも結晶欠陥の少ない低転位密度領域とを有する下層基板と、この下層基板とは異なる周期で高密度欠陥領域及び低密度欠陥領域を有する上層基板とが積層されているために、導波路領域近傍の端面において非常に平坦な劈開面による共振器面を得ることができ、レーザ素子の安定性及び信頼性を向上させることができる。つまり、窒化物半導体の自然劈開によって半導体レーザ素子の共振器面を作製する場合、通常、窒化物半導体基板表面での異なる面方位の配列、あるいは異なる転位密度領域又は欠陥密度領域の配列により、その界面において、これらの結晶性の反転に起因すると見られる非直線的な割れやうねり等が発生する。しかし、下層基板上に、面方位の違いによる結晶性の反転を相殺する上層基板、つまり窒化物半導体層が積層されることにより、このような非直線的な割れやうねりが、この上層基板によって吸収されることとなり、下層基板よりも上において、光導波路領域の端面を、縦すじのない平坦な劈開面とすることができる。 According to the nitride semiconductor laser device of the present invention, since the upper layer substrate having a plane orientation different from the plane orientation of the lower layer substrate is laminated on the lower layer substrate having two or more different plane orientations on the surface, Alternatively, a lower layer substrate having a high dislocation density region with more crystal defects than other regions and a low dislocation density region with less crystal defects than the high dislocation density region, and a high density defect region and a different period from this lower substrate Since the upper layer substrate having the low density defect region is laminated, it is possible to obtain a resonator surface with a very flat cleaved surface at the end surface near the waveguide region, improving the stability and reliability of the laser device. Can be made. That is, when the cavity surface of a semiconductor laser element is produced by natural cleavage of a nitride semiconductor, it is usually determined by the arrangement of different plane orientations on the surface of the nitride semiconductor substrate, or the arrangement of different dislocation density regions or defect density regions. At the interface, non-linear cracks, undulations, and the like that appear to be caused by the reversal of the crystallinity occur. However, the upper substrate that cancels the crystallinity inversion due to the difference in the plane orientation, that is, the nitride semiconductor layer is laminated on the lower substrate, so that such non-linear cracks and undulations are caused by the upper substrate. As a result of the absorption, the end surface of the optical waveguide region can be a flat cleaved surface without vertical stripes above the lower substrate.
特に、下層基板において、2以上の異なる面方位が周期的に配列してなる場合には、上層基板表面の低密度欠陥領域と高密度欠陥領域との間隔を制御することができるため、光導波路を適所に配置することが可能となり、高寿命の窒化物半導体レーザ素子を得ることができる。
また、上層基板表面の高密度欠陥領域と低密度欠陥領域とが配列され、かつ、該高密度欠陥領域と低密度欠陥領域との周期と、下層基板において2以上の異なる面方位の周期とが異なって配列している場合には、下層基板表面の面方位に支配されることなく、上層基板表面においては、任意の周期で高密度欠陥領域と低密度欠陥領域とを配列させることができ、これらの結晶欠陥に起因する窒化物半導体レーザ素子の寿命や特性の低下を防止することができる。
In particular, when two or more different plane orientations are periodically arranged in the lower layer substrate, the distance between the low density defect region and the high density defect region on the upper layer substrate surface can be controlled. Can be arranged in place, and a long-life nitride semiconductor laser device can be obtained.
Further, the high density defect region and the low density defect region on the surface of the upper layer substrate are arranged, and the period of the high density defect region and the low density defect region and the period of two or more different plane orientations in the lower layer substrate are When arranged differently, the high-density defect region and the low-density defect region can be arranged at an arbitrary period on the upper layer substrate surface without being governed by the plane orientation of the lower layer substrate surface, The lifetime and characteristics of the nitride semiconductor laser device due to these crystal defects can be prevented from deteriorating.
高転位密度領域と低転位密度領域とが、周期的に配列されている場合、その周期に対応して面方位の異なる領域が設けられる。すなわち、異なる面方位のうち、例えば(0001)面として形成されている領域が低転位密度領域となり、(000−1面)として形成されている領域が高転位密度領域となるようにすることができる。このように、転位密度の異なる領域が周期的に配列され、且つ、それらが一定の面積(領域)を有することで結晶の面方位を確保できる場合には、面方位と転位密度との間、特に高転位密度領域とそれ以外の転位密度領域(中転位密度領域、低転位密度領域)との間に、相関性をもって配置させることができる。また、転位密度が、結晶の面方位を確保できる程度以下の面積で周期的又はランダムに配置される場合は、面方位は、例えば(0001)面だけが現れるようになる。この場合、より安定な面方位として現れやすいが、結晶の成長方法や成長条件又は組成等によって任意に選択することも可能である。上層基板として窒化ガリウム系化合物半導体層を成長させる場合は、(0001)面が安定して成長できる。 When the high dislocation density region and the low dislocation density region are periodically arranged, regions having different plane orientations are provided corresponding to the cycle. That is, among different plane orientations, for example, a region formed as a (0001) plane is a low dislocation density region, and a region formed as a (000-1 plane) is a high dislocation density region. it can. As described above, when regions having different dislocation densities are periodically arranged, and the crystal plane orientation can be ensured by having a certain area (region), between the plane orientation and the dislocation density, In particular, a high dislocation density region and other dislocation density regions (medium dislocation density region, low dislocation density region) can be disposed with correlation. In addition, when the dislocation density is periodically or randomly arranged in an area that is less than or equal to the crystal plane orientation, only the (0001) plane appears as the plane orientation. In this case, although it is likely to appear as a more stable plane orientation, it can be arbitrarily selected depending on the crystal growth method, growth conditions or composition. When a gallium nitride compound semiconductor layer is grown as the upper substrate, the (0001) plane can be grown stably.
さらに、窒化物半導体基板内に配置される層成長抑止領域が空洞、凹凸、ストライプ状の成長抑止膜によって形成されている場合には、光導波路に対して垂直に自然劈開させて共振器面を作製する際に、基板側からの非直線的な割れやうねり、基板側からの縦筋が、これら空洞等によって確実に吸収されるため、上述した効果をより顕著に発揮させることができる。さらに、凹凸やストライプ状の成長抑止膜によって、下層基板表面の結晶性の反転を解消することができ、上述した効果をより確実に発揮させることができる。 Furthermore, when the layer growth suppression region disposed in the nitride semiconductor substrate is formed of a cavity, uneven, or striped growth suppression film, the resonator surface is naturally cleaved perpendicular to the optical waveguide. When manufacturing, since the non-linear cracks and undulations from the substrate side and the vertical stripes from the substrate side are surely absorbed by these cavities and the like, the above-described effects can be exhibited more remarkably. Furthermore, the crystal growth inversion on the lower layer substrate surface can be eliminated by the uneven or striped growth inhibiting film, and the above-described effects can be more reliably exhibited.
また、下層基板がルミネッセンス領域を有する場合には、下層基板において欠陥密度の非常に低い領域を確保することができることとなり、その上に積層される窒化物半導体層、n型半導体層、活性層及びp型半導体層等において欠陥密度を抑えることができ、より寿命の長い窒化物半導体レーザ素子を得ることが可能となる。
さらに、窒化物半導体基板が、2種以上のn型不純物を含む場合、窒化物半導体基板とn型半導体層とが異なるn型不純物を含有する場合には、各層の不純物濃度を制御しやすくなり、高寿命で高品質、高信頼性を有する窒化物半導体レーザ素子を得ることができる。
In addition, when the lower layer substrate has a luminescence region, a region having a very low defect density in the lower layer substrate can be secured, and a nitride semiconductor layer, an n-type semiconductor layer, an active layer, It is possible to suppress the defect density in the p-type semiconductor layer and the like, and to obtain a nitride semiconductor laser element having a longer lifetime.
Furthermore, when the nitride semiconductor substrate contains two or more types of n-type impurities, when the nitride semiconductor substrate and the n-type semiconductor layer contain different n-type impurities, the impurity concentration of each layer can be easily controlled. A nitride semiconductor laser device having a long life, high quality, and high reliability can be obtained.
本発明の窒化物半導体レーザ素子は、窒化物半導体基板と、この上に積層されたn型半導体層、活性層及びp型半導体からなる窒化物半導体層とを備えて構成される。
本発明において、窒化物半導体基板とは、窒化物半導体レーザ素子として機能する窒化物半導体の積層構造を形成するための基板を意味し、例えば、下層基板上に、任意に単数又は複数層のバッファ層、任意に成長抑止膜、任意に空洞、バッファ層又は下地層等からなる上層基板が形成されているものが挙げられる。この窒化物半導体基板の膜厚、つまり、これら下層基板、任意にバッファ層、任意に成長抑止膜、任意に空洞等の上層基板が積層されて構成される基板の総膜厚は、自由に設定することができ、例えば、50〜1000μm程度が挙げられる。
The nitride semiconductor laser device of the present invention includes a nitride semiconductor substrate and a nitride semiconductor layer made of an n-type semiconductor layer, an active layer, and a p-type semiconductor stacked on the nitride semiconductor substrate.
In the present invention, the nitride semiconductor substrate means a substrate for forming a nitride semiconductor laminated structure that functions as a nitride semiconductor laser element. For example, a single or multiple layer buffer is arbitrarily formed on a lower substrate. And a substrate on which an upper substrate composed of a layer, optionally a growth inhibiting film, and optionally a cavity, a buffer layer or an underlayer is formed. The film thickness of this nitride semiconductor substrate, that is, the total film thickness of the lower substrate, optionally the buffer layer, optionally the growth restraining film, and optionally the upper layer substrate such as the cavity is laminated can be freely set. For example, about 50-1000 micrometers is mentioned.
ここで、窒化物半導体基板は、GaN、AlGaN、AlN、GaInN、AlGaInN、AlBGaInN等の窒化物半導体からなる基板が挙げられる。つまり、下層基板及び上層基板のいずれもが、上述した窒化物半導体からなることが好ましいが、下層基板及び上層基板の双方が必ずしも同じ窒化物半導体でなくてもよい。なかでも、双方ともGaNからなることが好ましい。なお、この窒化物半導体基板には、n型又はp型の不純物がドーピングされていてもよい。不純物としては、Cl、O、S、Se、Te、C、Si、Ge、Zn、Cd、Mg及びBe等が挙げられる。なかでも、2種類以上の不純物が含まれていることが好ましい。この場合、厚み方向で異なる不純物が含有されていてもよいし、混在するように含有されていてもよい。具体的には、下層基板と上層基板とで異なる不純物が含まれているものが挙げられる。また、その濃度は、特に限定されるものではなく、例えば、5×1015/cm3〜5×1021/cm3程度が適当である。 Here, examples of the nitride semiconductor substrate include a substrate made of a nitride semiconductor such as GaN, AlGaN, AlN, GaInN, AlGaInN, and AlBGaInN. In other words, both the lower layer substrate and the upper layer substrate are preferably made of the nitride semiconductor described above, but both the lower layer substrate and the upper layer substrate are not necessarily the same nitride semiconductor. Especially, it is preferable that both consist of GaN. The nitride semiconductor substrate may be doped with n-type or p-type impurities. Examples of the impurities include Cl, O, S, Se, Te, C, Si, Ge, Zn, Cd, Mg, and Be. Especially, it is preferable that 2 or more types of impurities are contained. In this case, impurities different in the thickness direction may be contained, or may be contained so as to be mixed. Specifically, those containing different impurities between the lower layer substrate and the upper layer substrate can be mentioned. Also, the concentration is not particularly limited, for example, 5 × 10 15 / cm 3 approximately ~5 × 10 21 / cm 3 are suitable.
本発明の窒化物半導体基板を得るために、下層基板として、窒化物半導体基板として市販されているものを利用してもよいし、異種基板(例えば、サファイア、SiC、Si、スピネル(MgAl2O4)、ZnO、MgO、SiO2、GaAs、GaP、GaN、AlN、NdGaO3等)上にGaN層等の窒化物半導体を積層させて得たもの(例えば、特開平11−238945号公報等に記載の窒化物半導体基板)を利用してもよいし、サファイア等の異種基板上にGaN層等の窒化物半導体を積層させた後にサファイア等を除去したもの(例えば、特開2001−102307号公報、特開平11−4048号公報、Jpn. J. Appl. Phys. vol.39 (2000) p647-650等に記載の基板)等を利用してもよい。 In order to obtain the nitride semiconductor substrate of the present invention, as the lower layer substrate, a commercially available nitride semiconductor substrate may be used, or a heterogeneous substrate (for example, sapphire, SiC, Si, spinel (MgAl 2 O 4), ZnO, MgO, SiO 2, GaAs, GaP, GaN, AlN, NdGaO 3 , etc.), those obtained by laminating nitride semiconductor GaN layer or the like is formed on (e.g., in JP-a-11-238945 Patent Publication The nitride semiconductor substrate described above may be used, or a nitride semiconductor such as a GaN layer is stacked on a heterogeneous substrate such as sapphire and then the sapphire is removed (for example, Japanese Patent Laid-Open No. 2001-102307) JP, 11-4048, Jpn. J. Appl. Phys. Vol.39 (2000) p647-650 etc.) may be used.
下層基板は、結晶欠陥が、例えば、1×107cm-2程度以下、好ましくは1×106cm-2程度と少ないか、このような少ない領域を有しているものが適当である。例えば、上述した従来の三次元的なファセット構造を維持しながら、ファセット構造を埋め込まないでGaN結晶を成長させる方法では、その表面に結晶欠陥の少ない低転位密度領域と、この低転位密度領域よりも結晶欠陥の多い高転位密度領域とを有し、さらに、これら低転位密度領域と高転位密度領域との間に、これら領域の間の量の結晶欠陥を有する中転位密度領域を有する基板が得られる。これらの領域は、高転位密度領域とそれ以外の領域(例えば、中転位密度領域や低転位密度領域)との境界は、視覚的に比較的判りやすく形成されている。言い換えると、低転位密度領域と高転位密度領域とに相当する少なくとも2種の異なる面方位を有する基板が得られる。 The lower substrate is suitable to have a crystal defect of, for example, as small as about 1 × 10 7 cm −2 or less, preferably about 1 × 10 6 cm −2 , or such a small region. For example, in the method of growing a GaN crystal without embedding the facet structure while maintaining the above-described conventional three-dimensional facet structure, a low dislocation density region with few crystal defects on the surface and a low dislocation density region. And a high dislocation density region with many crystal defects, and a substrate having a medium dislocation density region between the low dislocation density region and the high dislocation density region and having an amount of crystal defects between these regions. can get. In these regions, the boundary between the high dislocation density region and the other regions (for example, the middle dislocation density region and the low dislocation density region) is formed to be relatively easy to understand visually. In other words, a substrate having at least two different plane orientations corresponding to a low dislocation density region and a high dislocation density region can be obtained.
ここで2種の異なる面方位を有するとは、異なる面方位を有していることを意味し、好ましくは、結晶が反転した状態、つまりC面(0001)と−C面(000−1)等の状態である。また、2種のみならず、さらに、中転位密度領域に相当する領域として、いずれかと同じ面方位を有する領域又はさらに異なる面方位を有する領域、あるいは特定の面方位とは必ずしもいえないが、特定の面方位が優勢な領域(例えば、特定の面方位から0.01〜2°程度オフアングルを有している領域)が存在してもよい。このような低角度のオフアングルを有する面は、例えばC面から0.01〜2°程度のオフアングルを有する面は実質的にC面と言える。これらの領域又は特定の面方位を有する領域は、ランダムに配置していてもよいし、部分的に周期をもって配置されていてもよいが、ほぼ全体にわたって周期的に配置されていることが好ましい。周期においては限定されないが、例えば、高転位密度領域又は−C面等が10〜50μm程度、特に30〜40μm程度の幅で、300〜600μm程度、例えば400μm程度のピッチで配列されていることが適当である。また、低転位密度領域又はC面等(実質的なC面含む。)が1〜600μm程度の幅で、300〜600μm程度、例えば400μm程度のピッチで配列されていることが適当である。なお、低、中、高転位密度領域が周期的に配置されている場合であっても、必ずしもこれらの領域が一定の均一な幅で存在していなくてもよく、部分的に幅太、幅狭になっていてもよいし、分断されていてもよい。 Here, having two different plane orientations means having different plane orientations. Preferably, the crystal is inverted, that is, the C plane (0001) and the -C plane (000-1). And so on. In addition to the two types, the region corresponding to the intermediate dislocation density region is not necessarily a region having the same plane orientation, a region having a different plane orientation, or a specific plane orientation. There may be a region where the plane orientation is dominant (for example, a region having an off angle of about 0.01 to 2 ° from a specific plane orientation). Such a surface having a low off-angle can be said to be substantially a C-plane, for example, a surface having an off-angle of about 0.01 to 2 ° from the C-plane. These regions or regions having a specific plane orientation may be randomly arranged or may be partially arranged with a period, but are preferably arranged periodically over substantially the whole. Although not limited in the period, for example, the high dislocation density region or the -C plane is arranged at a pitch of about 10 to 50 μm, particularly about 30 to 40 μm, and a pitch of about 300 to 600 μm, for example about 400 μm. Is appropriate. Further, it is appropriate that the low dislocation density region or the C plane (including the substantial C plane) is arranged with a width of about 1 to 600 μm and a pitch of about 300 to 600 μm, for example, about 400 μm. Even if the low, medium, and high dislocation density regions are periodically arranged, these regions do not necessarily have a uniform width, and are partially thick and wide. It may be narrowed or divided.
下層基板の表面の面方位の差異は、不純物をドーピングする際に不純物の種類によってはこの不純物の分布においても差異が生じる。例えば、C面の一部の領域では不純物が入りにくく、それ以外のC面及び−C面の方が不純物が入りやすい。このため、両者の間において、不純物濃度の分布が異なり、ひいては、抵抗値にも差異が生じる。さらに、本発明の窒化物基板を用いて窒化物半導体レーザ素子を作製した場合には、活性層における発光に起因して、下層基板の低転位密度領域に相当する領域(ルミネッセンス領域)が発光する。従って、例えば、C面と−C面の場合では、C面のルミネッセンス領域において、発光が見られる。 The difference in the plane orientation of the surface of the lower layer substrate also varies in the distribution of impurities depending on the type of impurities when doping impurities. For example, impurities are less likely to enter in a part of the C plane, and impurities are more likely to enter the other C plane and -C plane. For this reason, the distribution of impurity concentration differs between the two, and as a result, the resistance value also differs. Furthermore, when a nitride semiconductor laser device is fabricated using the nitride substrate of the present invention, a region (luminescence region) corresponding to a low dislocation density region of the lower substrate emits light due to light emission in the active layer. . Therefore, for example, in the case of the C plane and the −C plane, light emission is observed in the luminescence region of the C plane.
窒化物半導体基板は、下層基板上に、バッファ層、下地層等の上層基板が積層されて構成され、上層基板の表面は、下層基板の面方位と周期が異なる面方位を有するか、あるいは、上層基板の表面に、結晶欠陥の少ない低密度欠陥領域と、この低密度欠陥領域よりも結晶欠陥の多い高密度欠陥領域とを有する。例えば、下層基板上に上層基板を成長させる際に、下層基板上に直接又はバッファ層等を介して、成長抑止膜が形成され、その上に、バッファ層、下地層等の上層基板が形成される。これにより、下層基板表面における2以上の異なる面方位に支配されることなく、例えば、下層基板における結晶の反転を解消して、上層基板表面においては、下層基板に対して、さらに低いレベルの結晶欠陥しか含まれない領域が形成されることとなる。なお、上層基板表面の異なる面方位は、周期的であることが好ましい。しかし、必ずしもこれらの面方位を有する領域が一定の均一な幅で存在していなくてもよく、部分的に幅太、幅狭になっていてもよいし、分断されていてもよい。 The nitride semiconductor substrate is configured by laminating an upper layer substrate such as a buffer layer and an under layer on the lower layer substrate, and the surface of the upper layer substrate has a plane orientation having a period different from the plane orientation of the lower layer substrate, or The surface of the upper layer substrate has a low density defect region with few crystal defects and a high density defect region with more crystal defects than the low density defect region. For example, when an upper substrate is grown on a lower substrate, a growth inhibiting film is formed on the lower substrate directly or via a buffer layer or the like, and an upper substrate such as a buffer layer or an underlying layer is formed thereon. The Thereby, for example, the crystal inversion in the lower layer substrate is resolved without being controlled by two or more different plane orientations on the lower layer substrate surface. A region containing only defects will be formed. In addition, it is preferable that the different plane orientations of the upper layer substrate surface are periodic. However, the regions having these plane orientations do not necessarily have a certain uniform width, and may be partially thick and narrow, or may be divided.
ここで使用される成長抑止膜としては、いわゆるELOG成長の際に使用される公知のマスク材料、例えば、非晶質又は多結晶であって、窒化物半導体層がその上に成長しにくいもの、具体的には、SiO2、SiN、SiON、TiO2、ZrO2等が挙げられる。なかでも、SiO2が好ましい。成長抑止膜は、種々のパターン形状、すなわちドット形状(円形、正方形、多角形等)、ストライプ形状、格子形状等のいずれの形状であってもよいが、ストライプ形状のものが好ましい。パターン形状は、規則的、例えば周期的なパターンであることが好ましい。成長抑止膜は、例えば、真空蒸着、スパッタ、CVD法等、公知の方法で形成することができ、フォトリソグラフィ及びエッチング工程等の公知の方法によりパターニングすることができる。また、下層基板上にバッファ層が形成される場合、バッファ層としては、後述する窒化物半導体層と同様のもの、好ましくは、その上に形成される窒化物半導体層と同じ組成のものが挙げられる。バッファ層の膜厚は、例えば、0.01〜5μm程度が挙げられる。 As the growth inhibiting film used here, a known mask material used in so-called ELOG growth, for example, an amorphous or polycrystalline material in which a nitride semiconductor layer is difficult to grow on it, Specifically, SiO 2, SiN, SiON, TiO 2, ZrO 2 and the like. Of these, SiO 2 is preferable. The growth inhibiting film may have any of various pattern shapes, that is, a dot shape (circular, square, polygonal, etc.), a stripe shape, a lattice shape, etc., but a stripe shape is preferable. The pattern shape is preferably a regular, for example, periodic pattern. The growth inhibiting film can be formed by a known method such as vacuum deposition, sputtering, or CVD, and can be patterned by a known method such as photolithography and an etching process. When the buffer layer is formed on the lower substrate, the buffer layer is the same as the nitride semiconductor layer described later, and preferably has the same composition as the nitride semiconductor layer formed thereon. It is done. As for the film thickness of a buffer layer, about 0.01-5 micrometers is mentioned, for example.
また、成長抑止膜を用いる代わりに、下層基板の表面に凹凸を形成し、その上にバッファ層、下地層等の上層基板が形成されてもよい。下層基板表面への凹凸の形成は、公知の方法、フォトリソグラフィ及びエッチング工程により実現することができる。 Further, instead of using the growth inhibiting film, irregularities may be formed on the surface of the lower substrate, and an upper substrate such as a buffer layer or an underlayer may be formed thereon. Formation of irregularities on the surface of the lower layer substrate can be realized by a known method, photolithography, and an etching process.
なお、窒化物半導体基板の内部、つまり、下層基板と上層基板との界面には、空洞が形成されていてもよい。通常、上述した成長抑止膜の材料、幅(大きさ)及び厚さ、凹凸の周期及び深さ等を調整することにより、その上に成長させる上層基板を構成する半導体の横成長を制御することができ、これによって、成長抑止膜の上、凹部又は凸部の上に、空洞を形成することができる。成長抑止膜の幅、凹部又は凸部の幅は、例えば、2〜400μm程度、好ましくは後述するストライプ状の光導波路領域の幅の2倍以上、下層基板の高転位密度領域よりも小さい幅で、成長抑止膜の厚さ又は凹凸の高さは、例えば、0.1〜2μm程度が挙げられる。空洞の大きさは特に限定されることなく、後述するストライプ状の光導波路領域の幅の2倍以上であることが好ましい。具体的には、3μm以上の幅、好ましくは10μm以上の幅が挙げられる。また、その高さは、例えば、3μm程度以下、好ましくは0.1〜2μm程度が挙げられる。言い換えると、成長抑止膜(成長抑止領域)は、その上に形成される窒化物半導体レーザ素子の光導波路領域の位置に対応させて形成することが好ましく、窒化物半導体基板の下層基板表面における面方位、転位密度等にかかわらず、任意の幅、大きさ、形状等で形成することができる。つまり、成長抑止膜(成長抑止領域)は、下層基板の低転位密度領域をほぼ完全に被覆する、高転位密度領域をほぼ完全に被覆する又は中転位密度領域をほぼ完全に被覆するように形成することは要せず、例えば、それらの領域よりも小さい幅、形状等で形成することが適当である。 A cavity may be formed inside the nitride semiconductor substrate, that is, at the interface between the lower layer substrate and the upper layer substrate. Usually, by controlling the material, width (size) and thickness of the above-described growth inhibiting film, the period and depth of the unevenness, etc., the lateral growth of the semiconductor constituting the upper substrate to be grown thereon is controlled. As a result, a cavity can be formed on the growth inhibiting film, on the concave portion or on the convex portion. The width of the growth inhibiting film, the width of the concave portion or the convex portion is, for example, about 2 to 400 μm, preferably at least twice the width of the stripe-shaped optical waveguide region described later, and smaller than the high dislocation density region of the lower layer substrate. The thickness of the growth inhibiting film or the height of the irregularities is, for example, about 0.1 to 2 μm. The size of the cavity is not particularly limited and is preferably at least twice the width of the stripe-shaped optical waveguide region described later. Specifically, the width is 3 μm or more, preferably 10 μm or more. Moreover, the height is about 3 micrometers or less, for example, Preferably about 0.1-2 micrometers is mentioned. In other words, the growth inhibiting film (growth inhibiting region) is preferably formed corresponding to the position of the optical waveguide region of the nitride semiconductor laser element formed thereon, and the surface of the nitride semiconductor substrate on the surface of the lower substrate Regardless of orientation, dislocation density, etc., it can be formed in any width, size, shape, etc. That is, the growth inhibiting film (growth inhibiting region) is formed so as to almost completely cover the low dislocation density region of the lower substrate, almost completely cover the high dislocation density region, or almost completely cover the medium dislocation density region. For example, it is appropriate to form with a width, shape, etc. smaller than those regions.
空洞には、何も詰まっていないことが好ましいが、バッファ層、下地層等が形成される際に、多少のこれら層を構成する材料が埋まってもよい。これらは、空洞上においては、結晶性が良好な強固な層とならず、疎な多結晶、非晶質な層となり、基板側からの劈開を中断させることができるからである。空洞は、窒化物半導体基板側から、積層されレーザ素子を構成する窒化物半導体層を劈開する際に、下層基板の裏面に形成されたスクライブラインからの縦すじが、光導波路領域にまで到達するのを抑制することができる。すなわち、上層基板と下層基板との間に設けられる層成長抑止領域(空洞、凹部又は成長抑止膜等)によって、結晶の縦方向への直線的な連続性を阻害するため、縦すじが延長することも抑制することができる。さらに、下層基板に比して転位密度の高低差を小さくして、面内における結晶の面方位及び転位密度分布の不均一を緩和していることで、劈開性を向上させることができる。 It is preferable that nothing is clogged in the cavities, but when a buffer layer, a base layer, or the like is formed, some material constituting these layers may be buried. This is because the cavity does not become a strong layer with good crystallinity but becomes a sparse polycrystalline or amorphous layer, and the cleavage from the substrate side can be interrupted. When the nitride semiconductor layer that is laminated and constitutes the laser element is cleaved from the nitride semiconductor substrate side, the vertical stripe from the scribe line formed on the back surface of the lower layer substrate reaches the optical waveguide region. Can be suppressed. That is, the vertical streak extends because the layer growth inhibition region (cavity, recess, growth inhibition film, etc.) provided between the upper layer substrate and the lower layer substrate inhibits the linear continuity of the crystal in the vertical direction. This can also be suppressed. Furthermore, the difference in height of the dislocation density is made smaller than that of the lower layer substrate, and the inhomogeneity of the crystal plane orientation and dislocation density distribution in the plane is alleviated, so that the cleavage property can be improved.
成長抑止膜又は凹凸が形成された下層基板上に形成されるバッファ層及び/又は下地層等の上層基板は、それらの作用、機能等が明確に区別される層である必要はなく、下層基板表面の転位密度の状態、面方位等を引き継がない、これとは異なるレベルの結晶欠陥しか存在しない窒化物半導体基板表面を得るために成長される層(基板)である。なお、下層基板上に形成される上層基板の膜厚は、例えば、3μm程度以上、好ましくは5〜20μm程度が挙げられる。
本発明の窒化物半導体基板では、成長抑止膜又は凹凸を含む下層基板上に、上層基板が形成されると、成長抑止膜の上又は凹部の上で、任意に空洞が形成され、横方向成長がぶつかった面が形成され、その面であって、最終的に得られる窒化物半導体基板の表面に、結晶欠陥が高密度に分布されることとなる。つまり、成長抑止膜又は凹部の中央付近に高密度欠陥領域が配置されることになる。そして、この高密度欠陥領域以外の領域、例えば、成長抑止膜又は凹部の端部付近、成長抑止膜が形成されていない領域、凸部が形成された領域においては、この領域よりも結晶欠陥密度が低い領域が配置される。
The upper layer substrate such as the buffer layer and / or the underlayer formed on the lower layer substrate on which the growth suppressing film or the unevenness is formed does not need to be a layer in which their functions, functions, etc. are clearly distinguished. This is a layer (substrate) that is grown to obtain a nitride semiconductor substrate surface that does not inherit the surface dislocation density state, plane orientation, etc., and has only different levels of crystal defects. In addition, the film thickness of the upper layer board | substrate formed on a lower layer board | substrate is about 3 micrometers or more, for example, Preferably about 5-20 micrometers is mentioned.
In the nitride semiconductor substrate of the present invention, when the upper layer substrate is formed on the growth inhibiting film or the lower substrate including the unevenness, a cavity is arbitrarily formed on the growth inhibiting film or on the recess, and the lateral growth is performed. As a result, a crystal defect is distributed at a high density on the surface of the finally obtained nitride semiconductor substrate. That is, the high-density defect region is arranged near the center of the growth inhibiting film or the recess. Then, in regions other than this high-density defect region, for example, in the vicinity of the end portion of the growth suppression film or recess, in the region where the growth suppression film is not formed, or in the region where the projection is formed, the crystal defect density is higher than this region. A region having a low is arranged.
このように、下層基板上に、任意にバッファ層、任意に成長抑止膜、任意に空洞等の上層基板が形成された窒化物半導体基板は、低密度欠陥領域として、例えば、欠陥密度が1×104〜1×107cm-2程度又はそれよりも欠陥密度が低い領域が、さらに高密度欠陥領域として、例えば、欠陥密度が1×107〜1×109cm-2程度又はそれよりも欠陥密度が低い領域が、少なくともその表面に形成されることとなる。
このような窒化物半導体基板の上には、種々の組成及び膜厚の窒化物半導体層が積層されることにより、窒化物半導体レーザを構成する。
具体的には、上述した窒化物半導体基板上に、n型又はp型の半導体層、活性層、p型又はn型の半導体層が積層され、n型及びp型の半導体層に接続された電極が形成されて、窒化物半導体レーザが構成される。
窒化物半導体基板上に、例えば、n型半導体層が形成される。n型半導体層として、任意に、まず、n型コンタクト層を成長させる。n型コンタクト層としては、活性層のバンドギャップエネルギーより大きい組成であることが好ましく、AljGa1−jN(0≦j<0.3)が一例として挙げられる。n型コンタクト層の膜厚は特に限定されるものではないが、好ましくは1μm以上である。
As described above, a nitride semiconductor substrate in which an upper layer substrate such as a buffer layer, an arbitrary growth inhibiting film, and an arbitrary cavity is formed on a lower layer substrate has a defect density of 1 × as a low density defect region. A region having a defect density of about 10 4 to 1 × 10 7 cm −2 or lower is a higher density defect region. For example, the defect density is about 1 × 10 7 to 1 × 10 9 cm −2 or more. In other words, a region having a low defect density is formed at least on the surface thereof.
A nitride semiconductor laser is configured by stacking nitride semiconductor layers having various compositions and film thicknesses on such a nitride semiconductor substrate.
Specifically, an n-type or p-type semiconductor layer, an active layer, a p-type or n-type semiconductor layer is stacked on the above-described nitride semiconductor substrate, and is connected to the n-type and p-type semiconductor layers. An electrode is formed to constitute a nitride semiconductor laser.
For example, an n-type semiconductor layer is formed on the nitride semiconductor substrate. As an n-type semiconductor layer, an n-type contact layer is first grown arbitrarily. The n-type contact layer preferably has a composition larger than the band gap energy of the active layer, and Al j Ga 1-j N (0 ≦ j <0.3) is an example. The thickness of the n-type contact layer is not particularly limited, but is preferably 1 μm or more.
次に、n型クラッド層を成長させる。n型クラッド層はAlを含有していることが好ましい。また、単一層でも多層膜層(超格子構造)でもよい。n型不純物濃度は特に限定されるものではないが、好ましくは1×1017〜1×1020/cm3であり、n型不純物濃度に、膜厚方向において傾斜をつけてもよい。さらに、Alの組成傾斜をつけることでキャリアの閉じ込めのためのクラッド層としても機能させてもよい。 Next, an n-type cladding layer is grown. The n-type cladding layer preferably contains Al. Further, it may be a single layer or a multilayer layer (superlattice structure). The n-type impurity concentration is not particularly limited, but is preferably 1 × 10 17 to 1 × 10 20 / cm 3 , and the n-type impurity concentration may be inclined in the film thickness direction. Further, it may function as a cladding layer for confining carriers by providing an Al composition gradient.
次に、同様の温度で原料ガスにTMG及びアンモニアを用い、アンドープのGaNよりなるn型光ガイド層を成長させる。n型光ガイド層の膜厚は特に限定されるものではなく、任意の膜厚を選択することができる。例えば、0.15μm程度が挙げられる。この層は、キャリアを活性層に閉じ込め、且つ、光は閉じ込めない層として設けられるもので、単層又は多層膜層(超格子構造)で形成させることができる。また、n型不純物をドープさせてもよい。ただし、n型光ガイド層は、活性層の組成や膜厚等によっては省略することもできる。
n型半導体層上には、活性層が形成される。活性層は、単一(SQW)又は多重量子井戸構造(MQW)のいずれでもよい。例えば、AlaInbGa1−a−bN(0≦a≦1、0≦b≦1、a+b≦1)からなる井戸層と、AlcIndGa1−c−dN(0≦c≦1、0≦d≦1、c+d≦1)からなる障壁層とを含む量子井戸構造が挙げられる。活性層に用いられる半導体層は、ノンドープ、n型不純物ドープ、p型不純物ドープのいずれでもよいが、ノンドープ又はn型不純物ドープであることが好ましい。これにより発光素子を高出力化することができる。さらに、井戸層をアンドープとし、障壁層をn型不純物ドープとしてもよい。これにより発光素子の出力と発光効率を高めることができる。また、井戸層にAlを含ませることで、従来のInGaNの井戸層では困難な波長域、具体的には、GaNのバンドギャップエネルギーである波長365nm付近、もしくはそれより短い波長を得ることができる。
Next, an n-type light guide layer made of undoped GaN is grown using TMG and ammonia as source gases at the same temperature. The film thickness of the n-type light guide layer is not particularly limited, and an arbitrary film thickness can be selected. For example, about 0.15 μm can be mentioned. This layer is provided as a layer that confines carriers in the active layer and does not confine light, and can be formed of a single layer or a multilayer layer (superlattice structure). Further, an n-type impurity may be doped. However, the n-type light guide layer can be omitted depending on the composition and film thickness of the active layer.
An active layer is formed on the n-type semiconductor layer. The active layer may be either single (SQW) or multiple quantum well structure (MQW). For example, a well layer composed of Al a In b Ga 1-ab N (0 ≦ a ≦ 1, 0 ≦ b ≦ 1, a + b ≦ 1), and Al c In d Ga 1-cd N (0 ≦ and a quantum well structure including a barrier layer of c ≦ 1, 0 ≦ d ≦ 1, c + d ≦ 1). The semiconductor layer used for the active layer may be non-doped, n-type impurity doped, or p-type impurity doped, but is preferably non-doped or n-type impurity doped. As a result, the output of the light emitting element can be increased. Furthermore, the well layer may be undoped and the barrier layer may be n-type impurity doped. Thereby, the output and luminous efficiency of the light emitting element can be increased. In addition, by including Al in the well layer, it is possible to obtain a wavelength range that is difficult for a conventional InGaN well layer, specifically, a wavelength near 365 nm, which is the band gap energy of GaN, or a wavelength shorter than that. .
井戸層の膜厚は、例えば、1〜30nm程度が好ましい。特に、2nm以上では膜厚に大きなむらがなく比較的均一な膜質の層が得られ、20nm以下では結晶欠陥の発生を抑制して結晶成長が可能となる。さらに、膜厚を3.5nm以上とすることで出力を向上させることができる。また、単一量子井戸構造では膜厚を5nm以上とすることで上記と同様に出力を向上させる効果が得られる。井戸層の数は特に限定されないが、4以上の場合には井戸層の膜厚を10nm以下として活性層の膜厚を低く抑えることが好ましい。活性層を構成する各層の膜厚が厚くなると、活性層全体の膜厚が厚くなりVfの上昇を招くからである。多重量子井戸構造の場合、複数の井戸の内、好ましくは10nm以下の範囲にある膜厚の井戸層を少なくとも1つ有すること、より好ましくは全ての井戸層を上記の10nm以下とすることである。
障壁層は、例えば、n型不純物をドープする場合、その濃度は少なくとも5×1016/cm3以上が好ましい。また、高出力のデバイスでは、5×1017/cm3以上、1×1020/cm3以下が適当である。なお、障壁層にn型不純物をドープする場合、活性層内のすべての障壁層にドープしてもよいし、一部をドープとし、一部をノンドープとすることもできる。
The film thickness of the well layer is preferably about 1 to 30 nm, for example. In particular, when the thickness is 2 nm or more, a layer having a relatively uniform film quality is obtained with no great unevenness in film thickness, and when the thickness is 20 nm or less, the generation of crystal defects is suppressed and crystal growth is possible. Furthermore, the output can be improved by setting the film thickness to 3.5 nm or more. In the single quantum well structure, the effect of improving the output can be obtained by setting the film thickness to 5 nm or more in the same manner as described above. The number of well layers is not particularly limited, but when the number is 4 or more, it is preferable to keep the thickness of the active layer low by setting the thickness of the well layer to 10 nm or less. This is because if the thickness of each layer constituting the active layer is increased, the thickness of the entire active layer is increased, causing an increase in Vf . In the case of a multiple quantum well structure, it is preferable to have at least one well layer having a film thickness in the range of 10 nm or less among the plurality of wells, and more preferably to set all the well layers to 10 nm or less. .
For example, when the barrier layer is doped with an n-type impurity, the concentration is preferably at least 5 × 10 16 / cm 3 or more. For high-power devices, 5 × 10 17 / cm 3 or more and 1 × 10 20 / cm 3 or less are appropriate. When the n-type impurity is doped in the barrier layer, all the barrier layers in the active layer may be doped, or a part may be doped and a part may be non-doped.
活性層の上にはp型化合物半導体層が形成される。
例えば、温度を1050℃にして、原料ガスにTMG及びアンモニアを用い、アンドープのGaNよりなるp型光ガイド層を成長させる。p型光ガイド層の膜厚は特に限定されるものではなく、任意の膜厚を選択することができる。例えば、0.15μm程度が挙げられる。このp型光ガイド層はアンドープとして成長させることが好ましいが、Mgをドープさせてもよい。また、n型光ガイド層と同様に、単層又は多層膜層(超格子構造)で形成させることができる。さらに、p型光ガイド層は、活性層の組成や膜厚等によっては省略することもできる。
A p-type compound semiconductor layer is formed on the active layer.
For example, the temperature is set to 1050 ° C., TMG and ammonia are used as source gases, and a p-type light guide layer made of undoped GaN is grown. The film thickness of the p-type light guide layer is not particularly limited, and an arbitrary film thickness can be selected. For example, about 0.15 μm can be mentioned. The p-type light guide layer is preferably grown undoped, but may be doped with Mg. Further, similarly to the n-type light guide layer, it can be formed of a single layer or a multilayer film layer (superlattice structure). Furthermore, the p-type light guide layer can be omitted depending on the composition and thickness of the active layer.
次に、p型クラッド層として、活性層のバンドギャップエネルギーより大きい組成であり、活性層へのキャリアの閉じ込めができるものであれば特に限定されず、その一例として、AlkGa1−kN(0≦k<1)が挙げられる。p型クラッド層の膜厚は特に限定されないが、0.01〜0.3μmが好ましい。p型クラッド層のp型不純物濃度は、1×1018〜1×1021/cm3が適当である。p型不純物濃度が上記の範囲にあると、結晶性を低下させることなくバルク抵抗を低下させることができる。p型クラッド層は、単一層でも多層膜層(超格子構造)でもよい。多層膜層の場合、上記のAlkGa1−kNと、それよりバンドギャップエネルギーの小さい窒化物半導体層とからなる多層膜層であればよい。例えば、バンドギャップエネルギーの小さい層としては、n型クラッド層の場合と同様に、InlGa1−lN(0≦l<1)、AlmGa1−mN(0≦m<1、m>l)が挙げられる。多層膜層を形成する各層の膜厚は、超格子構造の場合は、一層の膜厚が100Å以下とすることが好ましい。また、p型クラッド層がバンドギャップエネルギーの大きい層と、バンドギャップエネルギーの小さい層からなる多層膜層である場合、バンドギャップエネルギーの大きい層及び小さい層の少なくともいずれか一方にp型不純物をドープさせてもよい。バンドギャップエネルギーの大きい層及び小さい層の両方にドープする場合は、ドープ量は同一でも異なってもよい。 Next, the p-type cladding layer is not particularly limited as long as it has a composition larger than the band gap energy of the active layer and can confine carriers in the active layer. As an example, Al k Ga 1-k N (0 ≦ k <1). The thickness of the p-type cladding layer is not particularly limited, but is preferably 0.01 to 0.3 μm. The p-type impurity concentration of the p-type cladding layer is suitably 1 × 10 18 to 1 × 10 21 / cm 3 . When the p-type impurity concentration is in the above range, the bulk resistance can be reduced without reducing the crystallinity. The p-type cladding layer may be a single layer or a multilayer film layer (superlattice structure). In the case of a multilayer film layer, it may be a multilayer film layer composed of the above Al k Ga 1-k N and a nitride semiconductor layer having a smaller band gap energy. For example, as a layer having a small band gap energy, as in the case of the n-type cladding layer, In 1 Ga 1- N (0 ≦ l <1), Al m Ga 1-m N (0 ≦ m <1, m> l). In the case of a superlattice structure, the thickness of each layer forming the multilayer film layer is preferably 100 mm or less. In addition, when the p-type cladding layer is a multilayer film composed of a layer having a large band gap energy and a layer having a small band gap energy, at least one of the layer having a large band gap energy and the layer having a small band gap energy is doped with a p-type impurity. You may let them. When doping both the layer with large band gap energy and the layer with small band gap energy, the doping amount may be the same or different.
次いで、p型クラッド層上にp型コンタクト層を形成する。p型コンタクト層は、例えば、その一例として、AlfGa1−fN(0≦f<1)が用いられる。特に、AlfGa1−fN(0≦f<0.3)で構成することによりオーミック電極であるp電極と良好なオーミックコンタクトが可能となる。p型不純物濃度は1×1017/cm3以上が好ましい。また、p型コンタクト層は、p型不純物濃度が高くなる濃度勾配及び/又はAlの混晶比が小さくなる組成勾配を有することが好ましい。この場合、濃度勾配及び組成勾配は、連続的に変化させても、不連続に段階的に変化させてもよい。例えば、p型コンタクト層を、オーミック電極と接し、p型不純物濃度が高くAl組成比の低い第1のp型コンタクト層と、p型不純物濃度が低くAl組成比の高い第2のp型コンタクト層とで構成することもできる。第1のp型コンタクト層によって良好なオーミック接触が得られ、第2のp型コンタクト層により自己吸収を防止することが可能となる。 Next, a p-type contact layer is formed on the p-type cladding layer. p-type contact layer, for example, as an example, Al f Ga 1-f N (0 ≦ f <1) is used. In particular, by using Al f Ga 1-f N (0 ≦ f <0.3), good ohmic contact with the p-electrode which is an ohmic electrode is possible. The p-type impurity concentration is preferably 1 × 10 17 / cm 3 or more. Further, the p-type contact layer preferably has a concentration gradient that increases the p-type impurity concentration and / or a composition gradient that decreases the mixed crystal ratio of Al. In this case, the concentration gradient and the composition gradient may be changed continuously or discontinuously and stepwise. For example, a p-type contact layer is in contact with an ohmic electrode, a first p-type contact layer having a high p-type impurity concentration and a low Al composition ratio, and a second p-type contact having a low p-type impurity concentration and a high Al composition ratio. It can also consist of layers. Good ohmic contact can be obtained by the first p-type contact layer, and self-absorption can be prevented by the second p-type contact layer.
なお、基板上に化合物半導体層を成長させた後、酸素及び/又は窒素を含む雰囲気中、400℃以上で熱処理をすることが好ましい。これによりp型層に結合している水素が取り除かれ、p型の導電性を示すp型の窒化物半導体層を形成することができる。 Note that after the compound semiconductor layer is grown on the substrate, heat treatment is preferably performed at 400 ° C. or higher in an atmosphere containing oxygen and / or nitrogen. As a result, hydrogen bonded to the p-type layer is removed, and a p-type nitride semiconductor layer exhibiting p-type conductivity can be formed.
p型半導体層には、例えば、クラッド層の途中、クラッド層と光ガイド層との界面、光ガイド層の途中等から上の領域がストライプ状のリッジとして構成されていることが好ましい。つまり、リッジ形状のストライプは、p型コンタクト層からエッチングされてp型コンタクト層よりも下側(基板側)までエッチングされることにより形成される。例えば、p型コンタクト層からp型クラッド層の途中までエッチングしてなるストライプ又はp型コンタクト層からn型コンタクト層までエッチングしてなるストライプなどが挙げられる。このような構成にすることにより、その下に存在する活性層を含む領域においてストライプ状の光導波路領域を形成することができる。ここで、光導波路領域とは、活性層と、任意にその上下に配置する、いわゆる光ガイド層とを含む領域を示す。光導波路領域の幅、長さ及び高さ等は、半導体層の組成、膜厚、得ようとする窒化物半導体レーザの特性等に応じて適宜設定することができる。例えば、エッチングして形成されるリッジ形状のストライプの幅としては、0.5〜4μm、好ましくは1〜3μmである。ストライプの幅がこの範囲であると、水平横モードが単一モードになり易く好ましい。また、エッチングがp型クラッド層とレーザ導波路領域との界面よりも基板側にかけてなされていると、アスペクト比を1に近づけるのに好ましい。 In the p-type semiconductor layer, for example, the upper region from the middle of the cladding layer, the interface between the cladding layer and the light guide layer, the middle of the light guide layer, or the like is preferably configured as a striped ridge. That is, the ridge-shaped stripe is formed by etching from the p-type contact layer to the lower side (substrate side) than the p-type contact layer. For example, a stripe formed by etching from the p-type contact layer to the middle of the p-type cladding layer or a stripe formed by etching from the p-type contact layer to the n-type contact layer can be used. With such a configuration, a stripe-shaped optical waveguide region can be formed in the region including the active layer existing therebelow. Here, the optical waveguide region refers to a region including an active layer and a so-called light guide layer disposed arbitrarily above and below the active layer. The width, length, height, and the like of the optical waveguide region can be appropriately set according to the composition and thickness of the semiconductor layer, the characteristics of the nitride semiconductor laser to be obtained, and the like. For example, the width of the ridge-shaped stripe formed by etching is 0.5 to 4 μm, preferably 1 to 3 μm. When the width of the stripe is within this range, it is preferable that the horizontal and transverse mode easily becomes a single mode. Further, if the etching is performed closer to the substrate side than the interface between the p-type cladding layer and the laser waveguide region, it is preferable to bring the aspect ratio closer to 1.
なお、ストライプ状のリッジは、窒化物半導体基板の下層基板表面における特定の面方位の位置にかかわらず、窒化物半導体基板表面の低密度欠陥領域の上方に形成されていることが必要である。ただし、必ずしも、リッジは、最も結晶欠陥密度が低い領域に形成されていなくてもよく、最も結晶欠陥密度が高い領域を避けた領域、つまり低密度欠陥領域に形成されていることが好ましい。結晶欠陥密度が非常に低い領域においては、窒化物半導体を構成する元素の結晶格子に不純物が混在する隙間がなく、ドーピングされにくく、抵抗が高くなる傾向があるからである。 The stripe-shaped ridge needs to be formed above the low-density defect region on the surface of the nitride semiconductor substrate regardless of the position of the specific plane orientation on the surface of the lower layer substrate of the nitride semiconductor substrate. However, the ridge is not necessarily formed in a region having the lowest crystal defect density, and is preferably formed in a region avoiding a region having the highest crystal defect density, that is, a low-density defect region. This is because, in a region where the crystal defect density is very low, there is no gap in which impurities are mixed in the crystal lattice of the elements constituting the nitride semiconductor, the doping is difficult, and the resistance tends to increase.
リッジ形状のストライプを形成する際、素子構造を形成するための基板がELOG基板である場合、ELOG成長が保護膜を用いて行う場合は保護膜の上方部に、ELOG成長が凹凸を設けて行う場合は凹部上方部に、リッジ形状のストライプが形成されることが素子の信頼性の向上の点で好ましい。また、保護膜の中心部、凹部の中心部のそれぞれの上部を避けることが信頼性の点で好ましい。 When forming a ridge-shaped stripe, if the substrate for forming the element structure is an ELOG substrate, and if the ELOG growth is performed using a protective film, the ELOG growth is performed with unevenness above the protective film. In this case, it is preferable to form a ridge-shaped stripe in the upper part of the recess in terms of improving the reliability of the device. Further, it is preferable in terms of reliability to avoid the upper portions of the central portion of the protective film and the central portion of the concave portion.
エッチングして形成されたリッジ形状のストライプの側面やその側面に連続した窒化物半導体層の平面に、例えば、Ti、V、Zr、Nb、Hf、Taよりなる群から選択された少なくとも一種の元素を含む酸化物、BN、SiC、AlNの内の少なくとも1種、さらに、レーザ導波路領域の屈折率より小さい値を有する絶縁膜が、単層又は積層膜として形成されていることが好ましい。具体的には、屈折率が約1.6〜2.3付近の値を有する、Si、V、Zr、Nb、Hf、Taよりなる群から選択された少なくとも1種の元素を含む酸化物や、BN、AlN等が挙げられる。なかでもZr及びHfの酸化物のいずれか1種以上の元素や、BNがより好ましい。 At least one element selected from the group consisting of, for example, Ti, V, Zr, Nb, Hf, and Ta, on the side surface of the ridge-shaped stripe formed by etching and the plane of the nitride semiconductor layer continuous to the side surface It is preferable that the insulating film having a value smaller than the refractive index of the laser waveguide region is formed as a single layer or a laminated film, at least one of oxides containing BN, SiC, and AlN. Specifically, an oxide containing at least one element selected from the group consisting of Si, V, Zr, Nb, Hf, and Ta having a refractive index of about 1.6 to 2.3. , BN, AlN and the like. Among these, one or more elements of Zr and Hf oxides and BN are more preferable.
これらの材料はフッ酸に対しても多少溶解する性質を有しているものもあるが、レーザ素子の絶縁層にすれば、埋め込み層としてSiO2よりもかなり信頼性が高くなる傾向にある。また、PVD、CVDのような気相で成膜した酸化物系薄膜は、その元素と酸素とが当量反応した酸化物となりにくいので、酸化物系薄膜の絶縁性に対する信頼性が不十分となりにくい傾向にあるが、上述した元素のPVD、CVDによる酸化物、BN、SiC、AlNは、Si酸化物よりも絶縁性に対して信頼性に優れている傾向にある。特に、この絶縁性を有する膜を、p型層の表面の電極が形成されていない領域に設けることで、電極のマイグレーションの発生を効果的に抑えることができる。しかも、酸化物の屈折率を窒化物半導体よりも小さいもの(例えば、SiC以外のもの)を選択すると、レーザ素子の埋め込み層として非常に都合がよい。 Some of these materials have a property of being slightly dissolved in hydrofluoric acid, but if an insulating layer of a laser element is used, the reliability as a buried layer tends to be considerably higher than that of SiO 2 . In addition, an oxide thin film formed in a gas phase such as PVD or CVD is unlikely to be an oxide in which the element and oxygen are equivalently reacted, and thus the reliability of the insulating property of the oxide thin film is unlikely to be insufficient. Although there is a tendency, the above-described elements of PVD, CVD oxide, BN, SiC, and AlN tend to be more reliable in terms of insulation than Si oxide. In particular, by providing this insulating film in a region where the electrode on the surface of the p-type layer is not formed, the occurrence of electrode migration can be effectively suppressed. In addition, it is very convenient as a buried layer of a laser element if a refractive index of an oxide smaller than that of a nitride semiconductor (for example, other than SiC) is selected.
その後、p型コンタクト層の表面にオーミック接触が得られるp電極を形成する。p電極は、p型化合物半導体層の表面にオーミック接触して素子内部、特に光導波路領域に電流を効率的に注入することができるような材料、膜厚、形状等で形成される。電極材料としては、通常、電極として使用されるものの全てを用いることができる。例えば、Co、Ni、Fe、Rh、Ru、Ti、V、Cr、Zr、Nb、Mo、Hf、Ta、W、Re、Mn、Al、Zn、Pt、Au、Ru、Pd、Rh等の金属又は合金、ZnO、In2O3、SnO2、ITO(InとSnとの複合酸化物)、MgO等の導電性酸化物膜の単層膜又は積層膜が挙げられる。p電極の形成方法はCVD法、スパッタ法、蒸着法等が挙げられる。p電極の膜厚は特に限定されるものではないが、例えば、500Å程度以上とすることで、シート抵抗を低くすることができる。 Thereafter, a p-electrode capable of providing ohmic contact is formed on the surface of the p-type contact layer. The p-electrode is formed of a material, a film thickness, a shape, and the like that can make ohmic contact with the surface of the p-type compound semiconductor layer and efficiently inject current into the element, particularly into the optical waveguide region. As the electrode material, all of those usually used as electrodes can be used. For example, metals such as Co, Ni, Fe, Rh, Ru, Ti, V, Cr, Zr, Nb, Mo, Hf, Ta, W, Re, Mn, Al, Zn, Pt, Au, Ru, Pd, Rh Alternatively, a single layer film or a stacked film of a conductive oxide film such as an alloy, ZnO, In 2 O 3 , SnO 2 , ITO (a composite oxide of In and Sn), MgO, or the like can be given. Examples of the method for forming the p electrode include CVD, sputtering, and vapor deposition. The film thickness of the p-electrode is not particularly limited. For example, the sheet resistance can be lowered by setting the thickness to about 500 mm or more.
通常、化合物半導体素子では、このオーミック用のp電極とは別に、例えば、ワイヤーボンディングにより接続するボンティング用のpパッド電極を形成して、そのpパッド電極をオーミック電極であるp電極と電気的に接続する。このpパッド電極は、p型層の上に設ける形態でもよく、メタル配線してp型層の外部、例えばn電極形成面に絶縁膜を介して設けてもよい。pパッド電極をp型層の上に形成する場合には、pパッド電極をp電極の一部が重なるように形成してもよいし、p電極の上にpパッド電極を形成してもよい。pパッド電極はワイヤ等と実装するための電極であるので、実装時に半導体素子を損傷しない程度の膜厚があれば特に限定されない。
pパッド電極は、例えば、p電極と密着性が高いものを選択することが好ましい。例えば、上述したp電極における材料から選択して単層膜又は積層膜として形成することができる。
p電極を構成するオーミック電極とパッド電極とは、例えば、Ni−Au系、Ni−Au−Pt系、Pd−Pt系、Ni−Pt系の電極材料によって形成することが好ましい。
Usually, in the compound semiconductor element, apart from the ohmic p-electrode, for example, a bonding p-pad electrode connected by wire bonding is formed, and the p-pad electrode is electrically connected to the p-electrode which is an ohmic electrode. Connect to. The p-pad electrode may be provided on the p-type layer, or may be provided by metal wiring and on the outside of the p-type layer, for example, on the n-electrode formation surface via an insulating film. When the p-pad electrode is formed on the p-type layer, the p-pad electrode may be formed so that part of the p-electrode overlaps, or the p-pad electrode may be formed on the p-electrode. . Since the p-pad electrode is an electrode for mounting with a wire or the like, there is no particular limitation as long as it has a film thickness that does not damage the semiconductor element during mounting.
For example, it is preferable to select a p-pad electrode that has high adhesion to the p-electrode. For example, it can be selected from the materials for the p-electrode described above and formed as a single layer film or a laminated film.
The ohmic electrode and the pad electrode constituting the p electrode are preferably formed of, for example, a Ni—Au-based, Ni—Au—Pt-based, Pd—Pt-based, or Ni—Pt-based electrode material.
また、n型半導体層には、n電極が、直接接触して又は間接的に、電気的に接続されるように形成されている。例えば、n型コンタクト層の表面であって、p電極と同じ面側に、あるいは窒化物半導体基板の裏面側(p電極とは反対の面側)にn電極を形成する。n電極としては、p電極に使用されるものと同様のものが例示される。なかでも、Ti−Al系、Ti−Pt系、V−Pt系、Ti−Al−Ti−Pt系、W−Al−W系、Ti−Mo−Ti−Pt系等の電極材料を用いることが適当である。n電極の膜厚は0.1〜1.5μmが適当である。n電極については、ボンディング用のパッド電極と、n型層とオーミック接触するオーミック用の電極とをほぼ同一の形状として同時に形成することができる。また、オーミック電極とnパッド電極とを重ねて積層してもよいし、オーミック用のn電極をnパッド電極と異なる形状、異なる工程で積層して形成してもよい。 Further, the n-type semiconductor layer is formed so that the n-electrode is electrically connected in direct contact or indirectly. For example, the n-electrode is formed on the surface of the n-type contact layer on the same side as the p-electrode or on the back side of the nitride semiconductor substrate (the side opposite to the p-electrode). Examples of the n electrode are the same as those used for the p electrode. Of these, electrode materials such as Ti—Al, Ti—Pt, V—Pt, Ti—Al—Ti—Pt, W—Al—W, and Ti—Mo—Ti—Pt are used. Is appropriate. The thickness of the n electrode is suitably 0.1 to 1.5 μm. As for the n-electrode, the bonding pad electrode and the ohmic electrode in ohmic contact with the n-type layer can be simultaneously formed in substantially the same shape. Further, the ohmic electrode and the n-pad electrode may be stacked to be stacked, or the ohmic n-electrode may be stacked by a shape different from that of the n-pad electrode in a different process.
電極を窒化物半導体層に接続されるように形成した後、熱処理を行うことが好ましい。このような熱処理により電極を合金化することができるとともに、半導体層と良好なオーミック接触を得ることができる。また、半導体層と電極との接触抵抗を低下させることができる。熱処理温度としては、200℃〜1200℃の範囲が好ましい。また、雰囲気ガスを酸素及び/又は窒素を含有する雰囲気での熱処理が適当である。 Heat treatment is preferably performed after the electrode is formed so as to be connected to the nitride semiconductor layer. The electrode can be alloyed by such heat treatment, and good ohmic contact with the semiconductor layer can be obtained. In addition, the contact resistance between the semiconductor layer and the electrode can be reduced. As heat processing temperature, the range of 200 to 1200 degreeC is preferable. In addition, heat treatment in an atmosphere containing oxygen and / or nitrogen as the atmospheric gas is appropriate.
また、本発明においては、窒化物半導体基板、n型半導体層、活性層及びp型半導体基板等の中又は間などにおいて、半導体レーザ素子の機能を向上させるための層(例えば、反射膜、中間層等)を形成してもよい。
さらに、通常、半導体レーザ素子として用いられる素子は、一辺が150〜1000μm程度の四角形又は多角形のチップに分割及び/又は劈開されて用いられる。本発明においては、上述したように、下層基板として表面に2以上の異なる面方位を有する基板、言い換えると、低転位密度領域と高転位密度領域、好ましくは、さらに中転位密度領域とを有する基板を用い、その上に、高密度欠陥領域と低密度欠陥領域とをその表面に有する窒化物半導体層が形成された窒化物半導体基板を用いて、素子構造を構成する半導体層を積層し、1チップごとに分割/劈開する。しかし、1チップを構成する場合には、その縮小化の要請から、必ずしも、下層基板及び窒化物半導体層の表面に、これらすべての領域が存在しない場合もあり得る。つまり、素子構造を構成する半導体層を、その機能を十分に発揮し得るサイズにした場合に、窒化物半導体基板の下層基板における高転位密度領域の一部又は全部、中又は低転位密度領域の一部が除去されて窒化物半導体レーザ素子にもはや存在しない場合もあり得る。
In the present invention, a layer for improving the function of the semiconductor laser device (for example, a reflection film, an intermediate layer) in or between the nitride semiconductor substrate, the n-type semiconductor layer, the active layer, and the p-type semiconductor substrate. Layer, etc.) may be formed.
Further, an element used as a semiconductor laser element is usually used by being divided and / or cleaved into quadrangular or polygonal chips each having a side of about 150 to 1000 μm. In the present invention, as described above, a substrate having two or more different plane orientations on the surface as a lower substrate, in other words, a substrate having a low dislocation density region and a high dislocation density region, preferably a medium dislocation density region. And a nitride semiconductor substrate having a nitride semiconductor layer having a high-density defect region and a low-density defect region on the surface thereof, and a semiconductor layer constituting an element structure is stacked thereon. Divide / cleave for each chip. However, when a single chip is configured, all of these regions may not necessarily exist on the surface of the lower substrate and the nitride semiconductor layer due to the demand for reduction in size. That is, when the semiconductor layer constituting the element structure is sized so that its function can be sufficiently exerted, part or all of the high dislocation density region in the lower layer substrate of the nitride semiconductor substrate, the middle or low dislocation density region In some cases, a part of the nitride semiconductor laser element is removed and no longer exists in the nitride semiconductor laser element.
以下に、本発明の窒化物半導体レーザ素子の実施例を詳細に説明する。
実施例1
(下層基板の作製)
2インチ(111)GaAs基板のa面(111)の全面に膜厚0.1μmのSiO2膜を形成し、フォトリソグラフィ及びエッチング工程によって、ストライプ状の窓を形成した。窓は、4μmピッチとした。
このSiO2膜を形成したGaAs基板を、約400℃の低温に保ち、NH3分圧0.2atm(20kPa)、HCl分圧2×10−3atm(0.2kPa)として約30分間GaN膜を、約800Åで堆積した。
次いで、GaAs基板の温度を約1000℃に上げて、NH3分圧0.4atm(40kPa)、HCl分圧3×10−2atm(3kPa)とした。これにより、500μm程度のGaNエピタキシャル層を形成した。
得られたGaAs基板を、スライサーによりスライス切断加工して、膜厚400μm程度のGaNからなるウェハを作製し、これを下層基板とした。
Hereinafter, embodiments of the nitride semiconductor laser device of the present invention will be described in detail.
Example 1
(Preparation of lower layer substrate)
A SiO 2 film having a thickness of 0.1 μm was formed on the entire surface of the a-side (111) of a 2-inch (111) GaAs substrate, and stripe-like windows were formed by photolithography and etching processes. The windows were 4 μm pitch.
The GaAs substrate on which the SiO 2 film is formed is kept at a low temperature of about 400 ° C., and the GaN film is formed with an NH 3 partial pressure of 0.2 atm (20 kPa) and an HCl partial pressure of 2 × 10 −3 atm (0.2 kPa) for about 30 minutes. Was deposited at about 800 liters.
Next, the temperature of the GaAs substrate was raised to about 1000 ° C., and the NH 3 partial pressure was 0.4 atm (40 kPa) and the HCl partial pressure was 3 × 10 −2 atm (3 kPa). Thereby, a GaN epitaxial layer of about 500 μm was formed.
The obtained GaAs substrate was sliced by a slicer to produce a wafer made of GaN having a film thickness of about 400 μm, which was used as a lower layer substrate.
この下層基板を顕微鏡により観察したところ、図1に示すように、非常に転位密度が高い転位束10が、400μm程度のピッチで現れていることが確認された。また、転位束10と転位束10との間に、その太さが均一ではないが、80〜100μm程度の幅の非常に転位密度が低い領域30が認められた。これらの転位束10と転位密度が低い領域30とを、電子線回折及び/又はX線回折により分析したところ、面方位が反転している、つまり−C面とC面とを有していることが確認された。さらに、転位束10と転位密度が低い領域30との間には、これらの中間の転位密度を有する中転位密度領域20が配置していることが確認された。
When this lower layer substrate was observed with a microscope, it was confirmed that dislocation bundles 10 having a very high dislocation density appeared at a pitch of about 400 μm, as shown in FIG. Moreover, although the thickness was not uniform between the
(窒化物半導体基板の作製)
その後、得られた下層基板であるGaN基板の全面に、膜厚0.5μmのSiO2膜を形成し、フォトリソグラフィ及びエッチング工程によって、SiO2膜をストライプ状形状にパターニングした。この際、ストライプ形状のパターン幅を14μm程度、ピッチを20μm程度とした。
得られた下層基板の上に、AlxGa1−xN(0≦x≦1)の高温成長バッファ層を100Å、エピタキシャル層としてGaNを3μm成長させた。この際、バッファ層及びGaNエピタキシャル層の成長条件を適宜設定することにより、SiO2膜の上に空洞を形成した。なお、空洞を形成する条件等は、当該分野で公知であり、ここでは省略する。このようにして、バッファ層、GaNエピタキシャル層を有し、その内部に空洞を有するGaN基板を窒化物半導体基板とした。
(Production of nitride semiconductor substrate)
Thereafter, a SiO 2 film having a film thickness of 0.5 μm was formed on the entire surface of the obtained GaN substrate as the lower layer substrate, and the SiO 2 film was patterned into a stripe shape by photolithography and etching processes. At this time, the pattern width of the stripe shape was about 14 μm and the pitch was about 20 μm.
On the obtained lower layer substrate, 100 μm of a high-temperature growth buffer layer of Al x Ga 1-x N (0 ≦ x ≦ 1) and 3 μm of GaN were grown as an epitaxial layer. At this time, a cavity was formed on the SiO 2 film by appropriately setting the growth conditions of the buffer layer and the GaN epitaxial layer. The conditions for forming the cavities are well known in the art, and are omitted here. In this way, a GaN substrate having a buffer layer and a GaN epitaxial layer and having a cavity therein was used as a nitride semiconductor substrate.
このような方法により得られた窒化物半導体基板は、その表面において、空洞の中央部付近の上方に、例えば、結晶欠陥が3×107m-2程度の結晶欠陥の高い領域が形成され、その周辺部の上方においては、これよりも結晶欠陥が低い(例えば、結晶欠陥密度が3×105cm-2程度)領域が並存していた。つまり、空洞は、高密度欠陥領域から、低密度欠陥領域の一部にわたって配置していた。 In the nitride semiconductor substrate obtained by such a method, a region having a high crystal defect such as a crystal defect of about 3 × 10 7 m −2 is formed on the surface above the vicinity of the center of the cavity, Above the periphery, there are regions where crystal defects are lower than this (for example, the crystal defect density is about 3 × 10 5 cm −2 ). That is, the cavities are arranged from the high density defect region to a part of the low density defect region.
(窒化物半導体レーザ素子の形成)
得られた窒化物半導体基板上に、SiドープのGaNを2μm積層し、n型半導体層を形成した。
その上に、SiドープのAlGaNからなるn型クラッド層を2μm、さらにGaNからなるn型ガイド層を1700Åの膜厚で、それぞれ形成した。
続いて、発光領域となる多重量子井戸の活性層として、(井戸層/障壁層)=(InGaN、60Å/SiドープのGaN、250Å)として、井戸層が2層及び障壁層を3層づつ交互に積層した。
(Formation of nitride semiconductor laser device)
On the obtained nitride semiconductor substrate, 2 μm of Si-doped GaN was laminated to form an n-type semiconductor layer.
On top of this, an n-type cladding layer made of Si-doped AlGaN was formed to a thickness of 2 μm, and an n-type guide layer made of GaN was formed to a thickness of 1700 mm.
Subsequently, as an active layer of a multi-quantum well serving as a light emitting region, (well layer / barrier layer) = (InGaN, 60Si / Si-doped GaN, 250Å), two well layers and three barrier layers alternately. Laminated.
活性層の上に、p型半導体層として、MgドープのAlGaNを200Å、アンドープのGaNガイド層を1500Å、MgドープのAlGaNクラッド層を4000Å、MgドープのGaNコンタクト層を200Å積層した。p型半導体層として形成したアンドープのGaNガイド層は、隣接する層からのMgの拡散によりp型を示す。 On the active layer, as a p-type semiconductor layer, 200 Mg Mg-doped AlGaN, 1500 Å undoped GaN guide layer, 4000 ク ラ ッ ド Mg-doped AlGaN cladding layer, and 200 Mg Mg-doped GaN contact layer were laminated. An undoped GaN guide layer formed as a p-type semiconductor layer exhibits p-type due to diffusion of Mg from an adjacent layer.
次いで、p型半導体層の表面にストライプ状のリッジを形成した。まず、p型半導体層表面にレジストを塗布し、フォトリソグラフィ及びエッチング工程により、p型半導体層の途中、例えば、1000Åで積層させたアンドープのGaNの途中までをストライプ状の部分を残してエッチングすることによりリッジを形成した。なお、ここでのリッジ幅は2μm程度、高さを0.5μm程度とした。また、このリッジは、窒化物半導体基板における空洞が存在する領域の上方に位置し、さらに、高密度欠陥領域からずれた領域、つまり低密度欠陥領域の上方に位置するように設ける。例えば、高密度欠陥領域から1〜3μm程度ずれた低密度欠陥領域の上方に配置した。 Next, a striped ridge was formed on the surface of the p-type semiconductor layer. First, a resist is applied to the surface of the p-type semiconductor layer, and etching is performed in the middle of the p-type semiconductor layer, for example, to the middle of the undoped GaN layered at 1000 mm, by a photolithography and etching process, leaving a striped portion. As a result, a ridge was formed. Here, the ridge width is about 2 μm and the height is about 0.5 μm. In addition, the ridge is provided above the region where the cavity exists in the nitride semiconductor substrate, and is further provided so as to be located above the region shifted from the high-density defect region, that is, above the low-density defect region. For example, it is disposed above the low density defect region that is shifted from the high density defect region by about 1 to 3 μm.
さらに、p型半導体層の表面にNi−Auからなるp電極を、さらにp電極上において、Ni−Ti−Auからなるpパッド電極を形成した。p電極を残し、保護膜で、表面を被覆した。
続いて、n型半導体層、活性層、p型半導体層が積層された窒化物半導体基板の裏側からストライプ状にスクライブを入れ、窒化物半導体基板とともに、半導体層を自然劈開した。これにより、劈開面を共振器面とする半導体レーザ素子が横に連なったバーを作製することができる。さらに、このバーを個々の素子に分割することにより、チップ状の半導体レーザ素子を得ることができる。
このようにして得られた半導体レーザ素子の共振器面は、窒化物半導体基板における空洞よりも下(半導体層が積層されている側と反対側)において、高密度欠陥領域と低密度欠陥領域との界面において、これらの結晶性の反転に起因すると見られる非直線的な割れやうねり等が認められた。一方、空洞よりも上(半導体層が積層されている側)においては、このような非直線的な割れ等は空洞に吸収され、導波路近傍の端面において非常に平坦な劈開面が得られた。
Furthermore, a p-electrode made of Ni—Au was formed on the surface of the p-type semiconductor layer, and a p-pad electrode made of Ni—Ti—Au was further formed on the p-electrode. The surface was covered with a protective film, leaving the p-electrode.
Subsequently, scribing was performed from the back side of the nitride semiconductor substrate on which the n-type semiconductor layer, the active layer, and the p-type semiconductor layer were stacked, and the semiconductor layer was naturally cleaved together with the nitride semiconductor substrate. As a result, it is possible to manufacture a bar in which semiconductor laser elements having a cleavage plane as a resonator plane are connected side by side. Furthermore, a chip-shaped semiconductor laser element can be obtained by dividing this bar into individual elements.
The cavity surface of the semiconductor laser device thus obtained has a high density defect region and a low density defect region below the cavity in the nitride semiconductor substrate (on the side opposite to the side where the semiconductor layer is laminated). At the interface, non-linear cracks and waviness, which are considered to be caused by the reversal of the crystallinity, were observed. On the other hand, above the cavity (on the side where the semiconductor layer is laminated), such non-linear cracks and the like were absorbed by the cavity, and a very flat cleavage plane was obtained at the end face near the waveguide. .
この窒化物半導体レーザ素子を評価したところ、空洞が形成されていない以外同様に作製された半導体レーザ素子に比較して、共振器面はより平坦であり、良好な性能の半導体レーザ素子が得られたことが確認された。 Evaluation of this nitride semiconductor laser device revealed that the cavity surface was flatter and a semiconductor laser device with good performance was obtained compared to a semiconductor laser device manufactured in the same manner except that no cavity was formed. It was confirmed that
実施例2
SiO2膜による成長抑止膜を形成し、下層基板の上に、AlxGa1−xN(0≦x≦1)の高温成長バッファ層及びエピタキシャル層を、空洞が生じない条件によって成長させて窒化物半導体基板を作製した以外は実施例1と同様に半導体レーザ素子を得た。
得られた窒化物半導体レーザ素子を評価したところ、窒化物半導体基板の下層基板における結晶の反転に起因する非直線的な割れや縦筋などが、窒化物半導体基板よりも素子側において解消されており、実施例1と同様に平坦な共振器面が得られたことが確認された。
Example 2
A growth inhibiting film made of SiO 2 film is formed, and a high-temperature growth buffer layer and an epitaxial layer of Al x Ga 1-x N (0 ≦ x ≦ 1) are grown on the lower substrate under conditions that do not cause cavities. A semiconductor laser device was obtained in the same manner as in Example 1 except that a nitride semiconductor substrate was produced.
Evaluation of the obtained nitride semiconductor laser device revealed that non-linear cracks and vertical streaks due to crystal inversion in the lower substrate of the nitride semiconductor substrate were eliminated on the device side of the nitride semiconductor substrate. As in Example 1, it was confirmed that a flat resonator surface was obtained.
本発明は、窒化物半導体を用いた素子、つまり、レーザのみならず、LED、その他、劈開を行うことにより基板又は半導体積層構造を分割することによって得られる素子のすべてに対して利用することができる。 The present invention can be used not only for elements using nitride semiconductors, that is, not only for lasers but also for LEDs and other elements obtained by dividing a substrate or a semiconductor multilayer structure by cleaving. it can.
10 転位束
20 中転位密度領域
30 転位密度が低い領域
10
Claims (7)
前記窒化物半導体基板は、表面に2以上の異なる面方位を有する下層基板と、ストライプ状の成長抑制膜を介して成長させた上層基板とが積層されてなり、
前記下層基板と前記上層基板との間には、空洞が設けられ、
前記上層基板は、前記空洞が存在する領域の上方に位置する、高密度欠陥領域と低密度欠陥領域とを有し、
前記光導波路領域は、前記上層基板における前記低密度欠陥領域の上方に位置することを特徴とする窒化物半導体レーザ素子。 A nitride semiconductor substrate, and a nitride semiconductor layer comprising an n-type semiconductor layer, an active layer, and a p-type semiconductor layer stacked on the nitride semiconductor substrate, and a pair of resonators on side surfaces of the nitride semiconductor layer having a surface, and a nitride semiconductor laser device having a stripe-shaped optical waveguide region in the nitride semiconductor layer,
The nitride semiconductor substrate is formed by laminating a lower layer substrate having two or more different plane orientations on the surface and an upper layer substrate grown through a stripe-shaped growth suppression film ,
A cavity is provided between the lower layer substrate and the upper layer substrate,
The upper layer substrate has a high density defect region and a low density defect region located above the region where the cavity exists,
The nitride semiconductor laser device, wherein the optical waveguide region is located above the low-density defect region in the upper substrate.
前記窒化物半導体基板は、高密度欠陥領域及び低密度欠陥領域を有する下層基板と、ストライプ状の成長抑制膜を介して成長させた上層基板とが積層されてなり、
前記下層基板と前記上層基板との間には、空洞が設けられ、
前記上層基板は、前記空洞が存在する領域の上方に位置する、高密度欠陥領域と低密度欠陥領域とを有し、
前記光導波路領域は、前記上層基板における前記低密度欠陥領域の上方に位置することを特徴とする窒化物半導体レーザ素子。 A nitride semiconductor substrate, and a nitride semiconductor layer comprising an n-type semiconductor layer, an active layer, and a p-type semiconductor layer stacked on the nitride semiconductor substrate, and a pair of resonators on side surfaces of the nitride semiconductor layer A nitride semiconductor laser device having a plane and a stripe-shaped optical waveguide region in the nitride semiconductor layer,
The nitride semiconductor substrate is formed by laminating a lower layer substrate having a high density defect region and a low density defect region and an upper layer substrate grown through a stripe-shaped growth suppression film ,
A cavity is provided between the lower layer substrate and the upper layer substrate,
The upper layer substrate has a high density defect region and a low density defect region located above the region where the cavity exists,
The nitride semiconductor laser device, wherein the optical waveguide region is located above the low-density defect region in the upper substrate.
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