(57)【要約】【課題】内部に形成した電流狭窄層において、ｐ型窒化物半導体層から拡散されるｐ型の不純物によるｐ型転化を抑制して良好な電流狭窄特性を得る。【解決手段】第３のｐ型光ガイド層１０から電流狭窄層９へのｐ型の不純物の拡散を考慮して、電流狭窄層９中にｎ型の不純物濃度が少なくとも１つのピークを持つように分布させる。これにより、ｎ型の不純物のピーク領域によって、拡散してくるｐ型の不純物を補償，捕獲して、電流狭窄層９のｐ型転化を抑制して、良好な電流狭窄特性を得る窒化物半導体装置の作成が可能となる。【選択図】図１
2010027708.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、ストライプ構造を有してｎ型の不純物およびｐ型の不純物を含む第１の窒化物半導体層と、前記ストライプ構造を埋め込むようにして形成された第２のｐ型窒化物半導体層とを有し、
前記第１の窒化物半導体層の前記ｎ型の不純物濃度が層中で少なくとも１つのピークを持つように分布していることを特徴とする窒化物半導体装置。
【請求項２】
前記第１の窒化物半導体層は、前記ストライプ構造を通して選択的に前記第２のｐ型窒化物半導体層に電気を流す電流狭窄層であることを特徴とする請求項１記載の窒化物半導体装置。
【請求項３】
前記第１の窒化物半導体層がアルミニウム（Ａｌ）を含む層であり、前記第２のｐ型窒化物半導体層よりもアルミニウム（Ａｌ）組成の高いことを特徴とする請求項１記載の窒化物半導体装置。
【請求項４】
前記第１の窒化物半導体層中のｐ型の不純物濃度が、前記第１の窒化物半導体層中のｎ型の不純物濃度のピーク領域において、高くなっていることを特徴とする請求項１記載の窒化物半導体装置。
【請求項５】
前記ｎ型の不純物濃度のピークは３×１０１８ｃｍ−３以上３×１０１９ｃｍ−３以下であることを特徴とする請求項１記載の窒化物半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光閉じ込めを有する半導体発光装置、特に電流狭窄構造を持つ窒化物半導体装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
窒化物半導体（窒化ガリウム（ＧａＮ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化インジウム（ＩｎＮ）およびそれらの混晶）は、発光ダイオードデバイス（ＬＥＤ）、レーザダイオード（ＬＤ）等の発光デバイス、パワーデバイス等の電子デバイスに用いられている。これらの窒化物半導体はシリコン（Ｓｉ）やマグネシウム（Ｍｇ）をドーパントとして用いることにより、ｎ型やｐ型の伝導度制御が可能である。例えば、レーザダイオードを低動作電流で安定動作させるためには活性層へのキャリアの注入を効率よく行うことが必要である。これらの観点からストライプ構造のみに電流路を限定する電流狭窄構造がレーザダイオード素子では採用されている。
【０００３】
図４は特許文献１に記載された、電流狭窄構造を有するレーザダイオードの断面図である。図４に示す構造は、異種基板１０１上に、アンドープＧａＮの下地層１０２、ＳｉドープＧａＮのｎ型コンタクト層１０３、クラック防止層１０４、ＳｉドープＡｌＧａＮ（アルミニウム窒化ガリウム）のｎ型クラッド層１０５、アンドープＧａＮのｎ型光ガイド層１０６、ＩｎＧａＮ（インジウム窒化ガリウム）／ＧａＮの活性層１０７、ＭｇドープＡｌＧａＮのｐ側キャップ層１０８、アンドープＧａＮのｐ型光ガイド層１０９、ＡｌＧａＮの電流狭窄層３０１、ＭｇドープＡｌＧａＮのｐ型クラッド層１１０、ＭｇドープＧａＮのｐ型コンタクト層１１１を順次積層した構造を備えている。
【０００４】
ＡｌＧａＮの電流狭窄層３０１はエッチングによって形成されたストライプ状の開口部４１（ストライプ構造）を有している。ＡｌＧａＮの電流狭窄層３０１は窒素ガスをキャリアガスとして成長させ、結晶性を低下させることで、十分な電流狭窄の効果を得ている。
【特許文献１】特開２００３−８６８４１号公報
【非特許文献１】Applied Physics Letters，第68巻，p1829（1996年）
【非特許文献２】OPTO-ELECTRONICS REVIEW，第10巻，p243（2002年）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、従来の電流狭窄層の構造では以下のような問題があった。
【０００６】
１．窒化物半導体を用いた発光素子において、ｐ型半導体層中に電流狭窄層として高結晶性を持つｎ型もしくは高抵抗層を作製した場合、ｐ型半導体層中のドーパントであるＭｇの電流狭窄層への拡散が起こり、電流狭窄層がｐ型転化し、電流狭窄の機能が失われてしまう（特許文献１参照）。
【０００７】
また、図５に示すように、フェルミ準位に応じてＭｇアクセプタの生成エネルギーが変化することが非特許文献１にも開示されており、ｎ型もしくは高抵抗なＧａＮ層中ではＭｇアクセプタの生成エネルギーが小さくなり、Ｍｇの拡散が起こりやすいことが考えられる。非特許文献２には、ＳｉドナーとＭｇアクセプタを同時ドーピングすることでＭｇの溶解度が上昇することが開示されており、図６に示すように、ＧａＮ層中にＳｉドナーが存在する場合にＭｇアクセプタの溶解度、および活性化率が上昇している。
【０００８】
２．Ｍｇの拡散による影響を抑制する目的で電流狭窄層の厚さ、または電流狭窄層中の全ｎ型の不純物濃度を増加させた場合、Ａｌを含む混晶の電流ブロック層中への歪、および過多不純物ドーピングによるクラック，欠陥の発生が懸念される。そのため、低Ａｌ組成の電流狭窄層の形成に限られてしまい、屈折率差を得られず、十分な光閉じ込めが困難となる。
【０００９】
３．ｐ型半導体層中からのＭｇ拡散を抑制する目的で電流狭窄層の結晶性を低下させて形成した場合、電流狭窄層形成後に成長するｐ型層の結晶性が電流狭窄層の結晶性に影響を受けることが考えられる。これらの構造では電流狭窄層が欠陥を含んでいるため、半導体発光素子自体の劣化原因となる可能性もある。
【００１０】
また、結晶性の悪い電流狭窄層では欠陥を介したリーク電流の増加の問題も考えられ、十分な電流狭窄機能を得られない可能性があった。
【００１１】
本発明は、前記従来技術の問題を解決するものであり、第１の窒化物半導体層のｎ型の不純物濃度を高くする領域を設けることで、第２のｐ型窒化物半導体層から拡散されるｐ型の不純物をこれらの領域において補償、もしくは捕獲することにより、ｐ型転化を抑制して良好な電流狭窄特性を得ること、また、第１の窒化物半導体層の過多不純物ドーピングによるクラック，欠陥の発生を抑制して、動作特性の良好な信頼性の高い窒化物半導体装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
前記の目的を達成するために、本発明に係る請求項１に記載した窒化物半導体装置は、基板と、ストライプ構造を有してｎ型の不純物およびｐ型の不純物を含む第１の窒化物半導体層と、ストライプ構造を埋め込むようにして形成された第２のｐ型窒化物半導体層とを有し、第１の窒化物半導体層のｎ型の不純物濃度が層中で少なくとも１つのピークを持つように分布していることを特徴とする。この構成により、第２のｐ型窒化物半導体層から拡散されるｐ型の不純物をｎ型の不純物濃度のピーク領域で補償、および捕獲させることで、第１の窒化物半導体層のｐ型転化を抑制し、また、第１の窒化物半導体層中の全ｎ型の不純物量を低減でき、過多不純物ドーピングによるクラック，欠陥の発生を抑制することができる。
【００１３】
また、請求項２に記載した発明は、請求項１の窒化物半導体装置において、第１の窒化物半導体層は、ストライプ構造を通して選択的に第２のｐ型窒化物半導体層に電気を流す電流狭窄層であることを特徴とする。この構成によって、第１の窒化物半導体層は良好な電流狭窄構造として機能するようになり、良好なデバイス特性を得ることができる。
【００１４】
また、請求項３に記載した発明は、請求項１の窒化物半導体装置において、第１の窒化物半導体層がアルミニウム（Ａｌ）を含む層であり、第２のｐ型窒化物半導体層よりもアルミニウム（Ａｌ）組成の高いことを特徴とする。この構成によって、第１の窒化物半導体層が第２のｐ型窒化物半導体層よりも小さな屈折率を持つようになり、第１の窒化物半導体層のストライプ構造部を光閉じ込め領域とでき、動作特性の良好な窒化物半導体装置を得ることができる。
【００１５】
また、請求項４に記載した発明は、請求項１の窒化物半導体装置において、第１の窒化物半導体層中のｐ型の不純物濃度が、第１の窒化物半導体層中のｎ型の不純物濃度のピーク領域において、高くなっていることを特徴とする。この構成によって、第２のｐ型窒化物半導体層からの拡散の影響によるｐ型転化の影響を抑制することが可能となり、第２のｐ型窒化物半導体層からの一定量以上のｐ型の不純物の拡散を抑制できる。
【００１６】
また、請求項５に記載した発明は、請求項１の窒化物半導体装置において、ｎ型の不純物濃度のピークは３×１０１８ｃｍ−３以上３×１０１９ｃｍ−３以下であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、第２のｐ型窒化物半導体層から第１の窒化物半導体層へのｐ型の不純物の拡散を考慮し、第１の窒化物半導体層中のｎ型の不純物濃度をピークを持つように形成するため、ｎ型の不純物濃度のピーク領域において補償によるｐ型転化の抑制、およびｐ型の不純物の捕獲を行い、良好な電流狭窄特性を得ることができ、また、第１の窒化物半導体層の過多不純物ドーピングによるクラック，欠陥の発生を抑制することができることから、動作特性の良好な信頼性の高い窒化物半導体装置を作製できるという効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、図面を参照して本発明における実施の形態を詳細に説明する。
【００１９】
図１は本発明の一実施の形態における窒化物半導体を用いた埋め込みレーザダイオードを示す断面図である。図１に示すように、ｎ型ＧａＮからなる基板１の上に、ｎ型Ａｌ0.0025Ｇａ0.9975Ｎ層２、ｎ型Ａｌ0.05Ｇａ0.95Ｎのｎ型クラッド層３、ｎ型Ａｌ0.0025Ｇａ0.9975Ｎのｎ型光ガイド層４、ＩｎＧａＮからなるＭＱＷ（Multiple Quantum Well：多重量子井戸）活性層５、ＧａＮの第１のｐ型光ガイド層６、ｐ型Ａｌ0.2Ｇａ0.8ＮのＯＦＳ（オーバーフロー抑制）層７、ｐ型ＧａＮの第２のｐ型光ガイド層８がエピタキシャル成長により順次積層されている。
【００２０】
さらに、ＧａＮの第２のｐ型光ガイド層８の上には、ストライプ状の電流導波部である開口部（ストライプ構造）を有する１４０ｎｍのｎ型Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ｎからなる電流狭窄層９が形成され、開口部を埋め込むように再成長された６０ｎｍのＧａＮの第３のｐ型光ガイド層１０、４８０ｎｍのｐ型ＡｌＧａＮのｐ型クラッド層１１、ｐ型ＧａＮのｐ型コンタクト層１２がエピタキシャル成長により順次積層した構造を備えている。また、ｐ型コンタクト層１２の上にはｐ側電極１３、ｎ型ＧａＮの基板１の裏面にはｎ側電極１４が備えられており、埋め込みレーザダイオードが形成されている。
【００２１】
前述した窒化物半導体のエピタキシャル成長はＭＯＶＰＥ（metal organic vapor phase epitaxy：有機金属気相成長装置）を用いる。ＩＩＩ族源であるＧａ原料にはトリメチルガリウム（ＴＭＧ）を用い、Ａｌ原料にはトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）を用い、Ｉｎ原料にはトリメチルインジウム（ＴＭＩ）を用いる。Ｖ族源であるＮ原料にはアンモニア（ＮＨ３）を用いる。ドナー不純物であるＳｉ原料にはモノシラン（ＳｉＨ４）を用い、アクセプタ不純物であるＭｇ原料にはシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ２Ｍｇ）を用いる。
【００２２】
ｎ型Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ｎからなる電流狭窄層９は、図２に示すようにシランガス（ＳｉＨ４）を用いた熱ＣＶＤ装置により保護膜のＳｉＯ２膜１５を形成、リソグラフィーおよびエッチングにより開口部を形成、その後にＳｉＯ２膜１５を除去する。図２に示す開口部を形成する過程において、シランガスにより形成されたＳｉＯ２膜１５の除去後に、残留Ｓｉ領域１６がｎ型Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ｎからなる電流狭窄層９上に形成される。
【００２３】
電流狭窄層９に１つのピークを持つようにｎ型の不純物を分布し、第３のｐ型光ガイド層１０から電流狭窄層９へのｐ型の不純物の拡散を考慮した構成とする。このｎ型の不純物のピーク領域（残留Ｓｉ領域１６）によって、第３のｐ型光ガイド層１０から電流狭窄層９へ拡散してくるｐ型の不純物を補償、捕獲して、電流狭窄層９のｐ型転化を抑制することで、良好な電流狭窄特性を得る窒化物半導体装置の作成が可能となる。
【００２４】
図１に示すｐ側電極１３から注入された電流は、ｎ型Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ｎからなる電流狭窄層９のストライプ状の開口部に形成されているＧａＮの第３のｐ型光ガイド層１０を介して流れる。また、ＭＱＷ活性層５によって生成された光は、電流狭窄層９と第３のｐ型光ガイド層１０との屈折率差によって横方向光閉じ込めが実現されている。
【００２５】
本実施の形態の特徴として、図３に本発明における窒化物半導体装置のＳｉ濃度およびＭｇ濃度のＳＩＭＳ（Secondary Ion Mass Spectrometry：二次イオン質量分析法 ）によるプロファイルを示す。図３からわかるように、電流狭窄層９内のＳｉ濃度は第３のｐ型光ガイド層１０との界面近傍（界面より５０ｎｍ以内の領域）において、ピーク（好ましくは、第３のｐ型光ガイド層１０中の全Ｍｇ濃度の３０％以上）を持つようになっており、電流狭窄層９内の中央部で２．４×１０１８ｃｍ−３、第３のｐ型光ガイド層１０との界面近傍では４．４×１０１８ｃｍ−３のＳｉ濃度となっている。
【００２６】
本実施の形態の第３のｐ型光ガイド層１０中のｐ型の不純物であるＭｇの不純物濃度は１．０×１０１９ｃｍ−３程度であり、好ましい電流狭窄層９内のＳｉピーク濃度は第３のｐ型光ガイド層１０中の全Ｍｇ濃度の３０％以上となる３×１０１８ｃｍ−３以上３×１０１９ｃｍ−３以下である。電流狭窄層９と第３のｐ型光ガイド層１０の界面近傍の高Ｓｉ濃度領域において、Ｍｇ濃度の上昇が確認されている。これは、第３のｐ型光ガイド層１０からのＭｇ拡散の影響であり、高Ｓｉ濃度領域においてアクセプタ不純物であるＭｇアクセプタの補償、およびＭｇ不純物自体の捕獲が生じたものであると考えられる。
【００２７】
これにより、電流狭窄層９内へのＭｇ拡散を抑制することができ、良好な電流狭窄が実現されている。本実施の形態では、電流狭窄層９と第３のｐ型光ガイド層１０の界面近傍でのＳｉを図２に示す熱ＣＶＤ法による残留Ｓｉ領域１６によって形成しているが、電流狭窄層９を形成している際中にｎ型の不純物であるＳｉ濃度を層中でピーク（好ましくは、第３のｐ型光ガイド層１０中の全Ｍｇ濃度の３０％以上の濃度）を持つように高くドーピングしても問題ない。
【００２８】
また、最低Ｓｉ不純物濃度は下地の第２のｐ型光ガイド層８のＭｇ濃度より高ければ問題ない。本実施の形態では、電流狭窄層９のＡｌ組成を１５％としているが、ＡｌＸＧａ１−ＸＮ（０≦ｘ≦１）としても良い。また、本実施の形態では、電流狭窄層９の厚さを１４０ｎｍとしているが、本実施の形態で見積もられる拡散距離よりも厚い２０ｎｍ以上であれば問題ない。
【産業上の利用可能性】
【００２９】
本発明に係る窒化物半導体装置は、ｐ型層に近接する電流狭窄層の機能を良好に得ることが可能であり、レーザダイオードなどのデバイスの信頼性を向上でき、また、電流狭窄層の様々な組成、膜厚に対応することが可能であって、素子設計の自由度を高くすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明の一実施の形態における窒化物半導体を用いた埋め込みレーザダイオードを示す断面図
【図２】本実施の形態におけるＳｉ領域形成方法を示す図
【図３】本実施の形態における窒化物半導体装置のＳｉ濃度およびＭｇ濃度のＳＩＭＳによるプロファイルを示す図
【図４】従来の電流狭窄構造を有するレーザダイオードを示す断面図
【図５】フェルミ準位の変動に対するＭｇアクセプタとＳｉドナーの不純物生成エネルギーを示すグラフ
【図６】ＳｉとＭｇを同時ドーピングさせた場合のＭｇのＧａＮ層中への溶解度を示すグラフ
【符号の説明】
【００３１】
１  基板
２  ｎ型ＡｌＧａＮ層
３  ｎ型クラッド層
４  ｎ型光ガイド層
５  ＭＱＷ活性層
６  第１のｐ型光ガイド層
７  ＯＦＳ層
８  第２のｐ型光ガイド層
９  電流狭窄層
１０  第３のｐ型光ガイド層
１１  ｐ型クラッド層
１２  ｐ型コンタクト層
１３  ｐ側電極
１４  ｎ側電極
１５  ＳｉＯ２膜
１６  残留Ｓｉ領域
４１  ストライプ構造
１０１  基板
１０２  下地層
１０３  ｎ型コンタクト層
１０４  クラック防止層
１０５  ｎ型クラッド層
１０６  ｎ型光ガイド層
１０７  活性層
１０８  ｐ側キャップ層
１０９  ｐ型光ガイド層
１１０  ｐ型クラッド層
１１１  ｐ型コンタクト層
２０１  ｐ側オーミック電極
２０２  ｎ側オーミック電極
３０１  電流狭窄層
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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