專利名稱：氮化物半導(dǎo)體元件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及使用發(fā)光二極管元件(LED)、激光二極管元件(LD)等發(fā)光元件、太陽(yáng)能電池、光傳感器等感光元件或晶體管、功率器件等電子元件所使用的氮化物半導(dǎo)體(InxAlYGa1-x-yN、0≤X、0≤Y、X+Y≤1)的氮化物半導(dǎo)體元件，特別是涉及具有含銦的氮化物半導(dǎo)體層的氮化物半導(dǎo)體元件。
另外，使用氮化物半導(dǎo)體的發(fā)光元件、感光元件等具有使用包含In的氮化物半導(dǎo)體作為活性層的結(jié)構(gòu)，形成活性層的更優(yōu)異的活性區(qū)域在提高元件特性方面很重要。
以往作為氮化物半導(dǎo)體元件的活性層，一般使用摻入n型雜質(zhì)等的n型氮化物半導(dǎo)體，特別是量子井結(jié)構(gòu)的情況，將摻入n型雜質(zhì)的氮化物半導(dǎo)體、n型氮化物半導(dǎo)體用于井層、阻擋層。
作為使用氮化物半導(dǎo)體的元件，在發(fā)光元件方面，要將其用途擴(kuò)大到許多領(lǐng)域，就必須進(jìn)一步提高元件特性，特別是提高元件壽命。
就使用氮化物半導(dǎo)體的激光元件來說，要利用于所述高密度光盤系統(tǒng)的讀取、寫入光源等或更進(jìn)一步的應(yīng)用，就要解決以下所述問題即進(jìn)一步提高元件壽命、提高輸出。另外，其他氮化物半導(dǎo)體元件也同樣需要提高元件壽命、提高輸出，使用氮化物半導(dǎo)體的發(fā)光元件也需要提高發(fā)光輸出。
以往，使用存在著問題的氮化物半導(dǎo)體的元件的脆弱的反向耐壓特性，在其制造上的處理和封裝于應(yīng)用制品時(shí)的處理中，其被損壞的危險(xiǎn)性很高，這也是極為重要的問題的一。
(1)本件發(fā)明的發(fā)光元件是在具有以p型氮化物半導(dǎo)體層和n型氮化物半導(dǎo)體層夾著具有由包含In的氮化物半導(dǎo)體構(gòu)成的井層和由氮化物半導(dǎo)體構(gòu)成的阻擋層的量子井結(jié)構(gòu)的活性層的結(jié)構(gòu)的氮化物半導(dǎo)體元件，其特征在于所述活性層作為所述阻擋層，具有配置在最接近所述p型氮化物半導(dǎo)體層的位置的第一阻擋層及與該第一阻擋層不同的第二阻擋層，同時(shí)所述第一阻擋層實(shí)質(zhì)上不包含n型雜質(zhì)，所述第二阻擋層具有n型雜質(zhì)。而且，關(guān)于活性層中的阻擋層內(nèi)除了第一阻擋層及第二阻擋層之外的阻擋層，雖然不被特別限定，但用于高輸出的激光元件、發(fā)光元件時(shí)，最好是n型雜質(zhì)摻雜或無摻雜。
在習(xí)知多重量子井型(以下MQW型)氮化物半導(dǎo)體元件方面，為了提高活性層中的起始電子濃度而提高發(fā)光效率，一般在全部阻擋層摻入硅等n型雜質(zhì)，但在本發(fā)明的氮化物半導(dǎo)體元件方面，雖然也有摻入以往同樣的n型雜質(zhì)的阻擋層，但只是最接近p型氮化物半導(dǎo)體層的第一阻擋層實(shí)質(zhì)上不包含n型雜質(zhì)。通過這種結(jié)構(gòu)，可以提高氮化物半導(dǎo)體元件的元件壽命、反耐壓特性。
壽命特性提高的作用原理未必明確，但一個(gè)推測(cè)是對(duì)使載流子(carrier)的壽命比以往長(zhǎng)有幫助。以往在p型層側(cè)配置摻入n型雜質(zhì)的阻擋層，產(chǎn)生不少來自p型層的p型雜質(zhì)擴(kuò)散，因此而設(shè)置包含n型雜質(zhì)和p型雜質(zhì)的阻擋層，結(jié)果成為使載流子壽命降低的原因。根據(jù)本發(fā)明，因在第一阻擋層不摻入n型雜質(zhì)而可以防止n型及p型雜質(zhì)并存于阻擋層。
另外，在活性層中的阻擋層中，配置在p型層側(cè)的阻擋層(第一阻擋層)實(shí)質(zhì)上不包含n型雜質(zhì)，和具有n型雜質(zhì)的阻擋層(第二阻擋層)在活性層中其功能不同。即，通過具有第二阻擋層，增多從n型層注入活性層內(nèi)的載流子，并且增多達(dá)到活性層深處(p型層側(cè))的載流子，可以提高載流子的注入效率，另一方面，通過具有第一阻擋層，就會(huì)配置不包含n型雜質(zhì)的阻擋層作為在活性層內(nèi)最接近p型層的阻擋層，增多來自p型層的載流子注入，而且可以使效率優(yōu)異。
如果第一阻擋層包含n型雜質(zhì)，則往往會(huì)阻礙來自p型層的載流子注入。特別是與來自n型層的載流子相比，來自p型層的載流子有其擴(kuò)散長(zhǎng)度短的傾向，所以在從p型層到活性層的載流子注入口的第一阻擋層有n型雜質(zhì)，則會(huì)帶給來自p型層的載流子注入嚴(yán)重的不良影響。如

圖14所示，得知隨著第一阻擋層的n型雜質(zhì)濃度變大，元件壽命急劇降低。
因此，通過第一阻擋層設(shè)于活性層，可以有許多空穴，而且顯出載流子壽命也變長(zhǎng)的傾向，這些被認(rèn)為不是有助于提高所述特性嗎？第二阻擋層也可以鄰接于第一阻擋層，但最好透過至少一個(gè)以上的井層，和第一阻擋層離間設(shè)置。據(jù)此，在活性層內(nèi)隔著井層可以設(shè)置配置在p側(cè)的第一阻擋層和配置在n側(cè)的第二阻擋層，更有效的載流子注入成為可以能，例如在光盤系統(tǒng)的光源的激光元件減少損失，元件特性特別是導(dǎo)致元件壽命、輸出的提高。此時(shí)，最好第二阻擋層在活性層中的阻擋層是最接近n型層的阻擋層，據(jù)此成為來自n型層的載流子注入口，載流子大量的注入、有效的注入成為可以能，元件特性提高。
而且，所謂實(shí)質(zhì)上不包含n型雜質(zhì)，是指因工序中的污染等超過混入的濃度而不包含n型雜質(zhì)，例如n型雜質(zhì)為硅時(shí)，指濃度為5×1016cm-3以下。
(2)最好所述第一阻擋層的膜厚比第二阻擋層的膜厚大。通過此結(jié)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)元件壽命提高。如果第一阻擋層為比其他阻擋層(第二阻擋層)小的膜厚，則顯出元件壽命降低。特別是如果第一阻擋層配置在最外側(cè)，則此傾向顯著。另外，第一阻擋層在活性層內(nèi)位于最外側(cè)，即最上部時(shí)，如果在活性層上有p型氮化物半導(dǎo)體層，則所述元件壽命的降低會(huì)更大。例如圖8所示，第一阻擋層2c配置在p型電子封閉層(第一p型氮化物半導(dǎo)體層)的最近處時(shí)，此p型電子封閉層如以下說明，是密切帶給活性層，特別是井層影響的層，所以成為第一阻擋層的膜厚決定活性層及井層特性的重要的層。
即，在關(guān)于本發(fā)明的氮化物半導(dǎo)體元件方面，如果利用包含In的氮化物半導(dǎo)體形成活性層中的阻擋層，利用包含Al的氮化物半導(dǎo)體(電子封閉層)形成p型氮化物半導(dǎo)體層中鄰接于至少活性層的層，則可以將載流子有效封閉于活性層。然而，使包含In的氮化物半導(dǎo)體生長(zhǎng)后使包含Al的氮化物半導(dǎo)體生長(zhǎng)，因InN的高蒸氣壓和兩者生長(zhǎng)條件不同而包含In的氮化物半導(dǎo)體容易引起分解。因此，第一阻擋層最好形成得比其他阻擋層厚。
例如，利用MOCVD法進(jìn)行生長(zhǎng)時(shí)，一般InGaN是在氮?dú)鈿夥障乱缘蜏厍衣臍怏w流速條件使其生長(zhǎng)，另一方面，AlGaN是在氫氣氣氛下以高溫且快的氣體流速條件使其生長(zhǎng)。因此，例如使InGaN生長(zhǎng)作為第一阻擋層后使AlGaN生長(zhǎng)作為p型氮化物半導(dǎo)體層，則切換反應(yīng)爐內(nèi)的生長(zhǎng)條件時(shí)，InGaN因氣體蝕刻而引起分解。于是，通過比其他阻擋層厚地形成第一阻擋層，即使第一阻擋層稍微引起分解，也可以維持優(yōu)異的量子井結(jié)構(gòu)。即，第一阻擋層起作為防止包含In的活性層分解的保護(hù)層的作用。
再者，如果最接近配置在p型氮化物半導(dǎo)體層的第一阻擋層為厚膜，則可以增大和p型電子封閉層的距離，所以即使p型載流子變多，也可以確保十分寬的空間，在元件的連續(xù)驅(qū)動(dòng)可以穩(wěn)定注入高濃度的載流子。因此，元件壽命等的元件可以靠性提高。
(3)另外，以配置在最接近n型氮化物半導(dǎo)體層的位置的阻擋層為阻擋層B1，從該阻擋層B1向所述p型氮化物半導(dǎo)體層計(jì)算以第i個(gè)(i＝1、2、3、…L)阻擋層為阻擋層Bi時(shí)，最好從i＝1到i＝n(1＜n＜L)的阻擋層Bi有n型雜質(zhì)。通過此結(jié)構(gòu)，載流子注入活性層的各井層會(huì)更加有效。另外，載流子注入活性層的深處(p型層側(cè))也優(yōu)異，也可以適應(yīng)大量的載流子注入。因此，例如在LED、LD方面發(fā)光效率提高，并且振蕩閾值電流密度、正向電壓降低、元件壽命提高成為可以能。另外，通過在從第1號(hào)到第n號(hào)的阻擋層Bi有n型雜質(zhì)，在元件驅(qū)動(dòng)初期可以立刻注入載流子到井層，所以也有助于閾值電流密度降低。
(4)另外，最好是在除了第一阻擋層之外的其他全部阻擋層摻入n型雜質(zhì)。這樣一來，可以更加增多來自n型層的載流子注入，并且效率優(yōu)異。
(5)最好所述第一阻擋層配置在所述活性層的最外側(cè)。通過第一阻擋層配置在在活性層內(nèi)最接近p型氮化物半導(dǎo)體的側(cè)，第一阻擋層成為載流子注入口，從p型層到活性層內(nèi)的載流子注入有效率，并可以注入大量的載流子，閾值電流密度、元件壽命、輸出等元件特性提高。另外，可以得到具有能耐大電流、高輸出的嚴(yán)格條件的驅(qū)動(dòng)的元件可以靠性的氮化物半導(dǎo)體元件。此時(shí)，p型氮化物半導(dǎo)體層最好接觸活性層被形成，并且作為接觸第一阻擋層的層，可以設(shè)置后述第一p型氮化物半導(dǎo)體層。
(6)再者，最好將所述第二阻擋層配置在接近所述活性層內(nèi)的所述n型氮化物半導(dǎo)體層的最外側(cè)位置。通過此結(jié)構(gòu)，在p型氮化物半導(dǎo)體層側(cè)、n型氮化物半導(dǎo)體側(cè)成為分別配置第一p側(cè)阻擋層、第二n側(cè)阻擋層的活性層，可以向活性層的中央部有效注入來自p型層、n型層的載流子。
(7)在所述(6)的結(jié)構(gòu)中，最好所述第一p側(cè)阻擋層的膜厚和所述第二n側(cè)阻擋層的膜厚大致相同。通過此結(jié)構(gòu)，活性層內(nèi)的對(duì)稱性提高，結(jié)果抑制元件的偏差而良率提高，并且閾值電流密度降低。
(8)另外，在所述(6)的結(jié)構(gòu)，最好所述活性層具有2個(gè)以上的井層，在該井層和井層之間有第三阻擋層，同時(shí)所述第三阻擋層的膜厚比所述第一p側(cè)阻擋層及所述第二n側(cè)阻擋層的膜厚小。通過此結(jié)構(gòu)，第二n側(cè)阻擋層及第一p側(cè)阻擋層和第三阻擋層可以使其具有不同的作用，抑制元件特性的偏差，可以使閾值電流密度Vf降低。即，第二n側(cè)阻擋層、第一p側(cè)阻擋層配置在活性層的最外側(cè)，成為來自n型層、p型層的載流子注入口，因比第三阻擋層的膜厚大而可以確保保持許多載流子的寬廣空間，反的因第三阻擋層的膜厚小而可以抑制活性層全體膜厚成低的，有助于Vf降低。
(9)最好所述活性層內(nèi)的至少一個(gè)井層有40以上的膜厚。以往井層的膜厚重視振蕩、發(fā)光初期階段的特性(例如振蕩閾值電流)，作為較佳范圍，約20?！?0被認(rèn)為最適當(dāng)，但這一來，在大電流的連續(xù)驅(qū)動(dòng)，元件惡化變?cè)纾恋K元件壽命提高。本發(fā)明通過所述結(jié)構(gòu)解決此問題。
即，通過本案發(fā)明的結(jié)構(gòu)可以有效率的載流子注入的后，通過設(shè)置適于其的厚膜的井層，在高輸出的發(fā)光元件、激光元件的驅(qū)動(dòng)可以增加穩(wěn)定性，并且在對(duì)于注入電流的輸出可以抑制損失成低的，在元件壽命可以飛躍的提高。對(duì)于在高輸出的發(fā)光、振蕩，雖然要求在井層內(nèi)不損失所大量注入的載流子而有效被發(fā)光再結(jié)合，但所述結(jié)構(gòu)就適于實(shí)現(xiàn)此。
井層的膜厚的上限取決于阻擋層及活性層膜厚，雖然不被特別限定，但最好是500以下。特別是如果考慮在量子井結(jié)構(gòu)層疊多數(shù)層，則最好是300以下。再者，如果是50以上200以下的范圍，則多重量子井結(jié)構(gòu)、單一量子井結(jié)構(gòu)的任一結(jié)構(gòu)都可以形成較佳的活性層。特別是如果是多重量子井結(jié)構(gòu)，則層疊數(shù)(井層和阻擋層的對(duì)數(shù))變多，所以最好控制在50以上200以下的范圍內(nèi)。另外，通過在此適當(dāng)?shù)姆秶芯畬樱诖箅娏?、高輸出的發(fā)光、振蕩可以得到高的元件可以靠性、長(zhǎng)壽命，并且在激光元件方面，在80mW的連續(xù)振蕩成為可以能，而在5～80mW這種寬廣的輸出區(qū)也可以實(shí)現(xiàn)優(yōu)異的元件壽命。此時(shí)，活性層為多重量子井結(jié)構(gòu)時(shí)，井層的膜厚需要適用于至少一個(gè)井層，最好在全部井層適用所述膜厚。這樣一來，在各井層可以得到如所述的效果，發(fā)光再結(jié)合、光電變換效率更加提高。作為井層，使用包含In的氮化物半導(dǎo)體，最好是InGaN，可以有優(yōu)異的元件壽命。此時(shí)，以銦組成比x為0＜x≤0.3的范圍，可以形成結(jié)晶性佳、厚膜的井層，最好是x≤0.2，可以形成多數(shù)結(jié)晶性佳、厚膜的井層，可以成為優(yōu)異MQW結(jié)構(gòu)的活性層。
(10)最好所述第一阻擋層有p型雜質(zhì)。通過此結(jié)構(gòu)，來自所述p型層的載流子注入有效率，并且載流子壽命也有提高的傾向，結(jié)果有助于反耐壓特性、元件壽命、輸出的提高。此如所述，通過實(shí)質(zhì)上不包含n型雜質(zhì)，來自p型層的載流子注入成為優(yōu)異，再通過在第一阻擋層有p型雜質(zhì)，可以更加促進(jìn)載流子注入活性層內(nèi)，有效從p型層注入大量的載流子到活性層內(nèi)，甚至活性層的深處(n型層側(cè))，除了發(fā)光再結(jié)合、光電變換效率、元件壽命提高之外，還可以實(shí)現(xiàn)反耐壓特性提高。
(11)另外，第一阻擋層的p型雜質(zhì)濃度雖然不被特別限定，但最好是1×1016cm-3以上1×1019cm-3以下。是因?yàn)閜型雜質(zhì)濃度過低則到井層的空穴注入效率降低，過高則第一阻擋層中的載流子移動(dòng)度降低而激光的Vf值增大。
(12)p型雜質(zhì)濃度在于這種范圍的第一阻擋層成為i型或p型。
(13)p型雜質(zhì)摻入第一阻擋層是使第一阻擋層以無摻雜生長(zhǎng)后通過來自p型氮化物半導(dǎo)體層的擴(kuò)散進(jìn)行比第一阻擋層生長(zhǎng)時(shí)進(jìn)行較佳。是因?yàn)楹笳叩那闆r，第一阻擋層生長(zhǎng)時(shí)，p型雜質(zhì)擴(kuò)散到在于其下方的n型井層而有元件壽命特性降低的虞，另一方面，前者的情況，不給與井層不良影響，可以在第一阻擋層摻入p型雜質(zhì)。
(14)如果按n型氮化物半導(dǎo)體層、活性層、p型氮化物半導(dǎo)體層的順序?qū)盈B元件結(jié)構(gòu)，則即使使第一阻擋層以無摻雜生長(zhǎng)，p型雜質(zhì)也會(huì)從其次使其生長(zhǎng)的p型氮化物半導(dǎo)體層擴(kuò)散，所以可以形成有p型雜質(zhì)的阻擋層。
(15)本發(fā)明的氮化物半導(dǎo)體元件最好所述p型氮化物半導(dǎo)體層具有由包含平均混晶比x為0＜x≤0.05的包含Al的氮化物半導(dǎo)體構(gòu)成的上部覆蓋層，所述n型氮化物半導(dǎo)體層具有由包含平均混晶比x為0＜x≤0.05的包含Al的氮化物半導(dǎo)體構(gòu)成的下部覆蓋層，具有激光元件結(jié)構(gòu)。通過此結(jié)構(gòu)，所得到的激光元件在5～100mW的輸出可以連續(xù)振蕩，成為適于光盤系統(tǒng)讀取、寫入光源的元件特性的LD，并可以實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)壽命。通過將覆蓋層的Al的平均混晶比抑制在0.05以下，設(shè)置可以抑制高輸出時(shí)的自激振蕩的光波導(dǎo)路，在高輸出穩(wěn)定的連續(xù)振蕩成為可以能，可以得到光盤光源用的LD。以往使用使覆蓋層的鋁平均成分在于0.05以上0.3以下的范圍的氮化物半導(dǎo)體，這樣的話光的封閉過強(qiáng)，在30mW以上的高輸出的連續(xù)振蕩產(chǎn)生自激振蕩。此自激振蕩起因于縱向的光封閉大，在提高光密度的LD結(jié)構(gòu)，電流-光輸出特性的曲折(kink)產(chǎn)生于低輸出側(cè)，這種曲折的產(chǎn)生作為光盤系統(tǒng)的光源是不利的，起因于曲折的自激振蕩不穩(wěn)定，并有元件偏差。根據(jù)本發(fā)明的結(jié)構(gòu)，通過形成縮小在覆蓋層的折射率差的光波導(dǎo)路，并且使用在于所述范圍的活性層，成為可以連續(xù)穩(wěn)定注入、發(fā)光再結(jié)合大量載流子的結(jié)構(gòu)，超過覆蓋層的光封閉降低所造成的損失可以連續(xù)振蕩，并可以提高在活性層內(nèi)的發(fā)光效率。
最好所述上部覆蓋層有p型導(dǎo)電性，所述下部覆蓋層有n型導(dǎo)電性，所述活性層作為所述阻擋層，有配置在最接近所述上部覆蓋層的位置的第一阻擋層及與該第一阻擋層不同的第二阻擋層，同時(shí)所述第一阻擋層有p型雜質(zhì)，所述第二阻擋層有n型雜質(zhì)。通過此結(jié)構(gòu)，如所述，來自p型層的載流子注入佳，結(jié)果元件特性，特別是元件壽命提高。
(16)最好在所述p型氮化物半導(dǎo)體層中，鄰接活性層有第一p型氮化物半導(dǎo)體層，該第一p型氮化物半導(dǎo)體層由包含Al的氮化物半導(dǎo)體構(gòu)成。通過此結(jié)構(gòu)，如圖4～7所示，第一p型氮化物半導(dǎo)體層28起作用作為電子封閉層，特別是在大電流驅(qū)動(dòng)、高輸出的LD、LED，可以將大量的載流子封閉于活性層內(nèi)。另外，在和所述第一阻擋層、阻擋層BL、第一p側(cè)阻擋層的關(guān)系方面，如圖8所示，這些阻擋層的膜厚決定第一p型氮化物半導(dǎo)體和井層1b的距離dB，所以使元件特性大幅互相受到影響。
另外，第一p型氮化物半導(dǎo)體層以薄膜使其生長(zhǎng)即可以，所以比p型覆蓋層可以低溫使其生長(zhǎng)。因此，通過形成p型電子封閉層，比在活性層上直接形成p型覆蓋層的情況可以抑制包含In的活性層分解。即，p型電子封閉層和第一阻擋層共同起防止包含In的活性層分解的作用。
(17)最好所述第一p型氮化物半導(dǎo)體層是接觸最接近所述p型氮化物半導(dǎo)體層的阻擋層所設(shè)，摻入比所述活性層中的阻擋層高的濃度的p型雜質(zhì)而生長(zhǎng)。通過此結(jié)構(gòu)，可以從p型層容易注入載流子到最接近p型層的阻擋層(所述第一阻擋層)。另外，通過在第一p型氮化物半導(dǎo)體層以高濃度摻入p型雜質(zhì)，可以使p型雜質(zhì)擴(kuò)散到阻擋層而添加適度的p型雜質(zhì)。這樣一來，阻擋層生長(zhǎng)時(shí)不添加雜質(zhì)也可以，所以可以使阻擋層結(jié)晶性優(yōu)異地生長(zhǎng)。特別是此阻擋層為包含In的氮化物半導(dǎo)體時(shí)，因添加雜質(zhì)而結(jié)晶性惡化大，所以其效果顯著。另外，第一p型氮化物半導(dǎo)體層如后述，是包含Al的氮化物半導(dǎo)體且其鋁混晶比比p型覆蓋層的鋁混晶比高時(shí)，有效地起作用作為將電子封閉于活性層內(nèi)的電子封閉層，在大電流驅(qū)動(dòng)、高輸出的LD、LED等方面，可以得到使振蕩閾值、驅(qū)動(dòng)電流降低的效果。
(18)在所述活性層，最好井層數(shù)為1以上3以下的范圍。通過此結(jié)構(gòu)，在LD方面比井層數(shù)為4以上的情況，可以降低振蕩閾值。另外，此時(shí)如所述，通過以井層的膜厚為40以上，在少的井層內(nèi)也可以確保寬廣空間，即使注入大量的載流子，有效的發(fā)光再結(jié)合也可以能，此可以提高元件壽命、發(fā)光輸出。特別是在井層的膜厚為40以下、以井層數(shù)為4以上時(shí)，以大電流使其驅(qū)動(dòng)要得到高輸出的LD、LED，比所述情況要注入大量的載流子到薄膜的各井層，井層就會(huì)在嚴(yán)酷的條件下使其驅(qū)動(dòng)，早發(fā)生元件惡化。另外，如果增多井層數(shù)，則載流子不均勻分布，有不均勻分布的傾向，所以在這種狀態(tài)使大電流的驅(qū)動(dòng)進(jìn)行，所述元件惡化就成為嚴(yán)重的問題。在此結(jié)構(gòu)，通過所述最靠近p型層一側(cè)的阻擋層不包含n型雜質(zhì)或有p型雜質(zhì)、其他阻擋層有n型雜質(zhì)，可以穩(wěn)定注入大量的載流子到井層內(nèi)，再通過以井層為如所述的膜厚(40以上)，這些密切關(guān)連，在連續(xù)的驅(qū)動(dòng)適當(dāng)?shù)刈饔糜趦?yōu)異元件壽命、高發(fā)光輸出的實(shí)現(xiàn)。
(19)最好所述第二阻擋層是夾入井層而配置，所述井層和第二阻擋層的膜厚比Rt為0.5≤Rt≤3的范圍。通過此結(jié)構(gòu)，特別是使用于光盤系統(tǒng)、光通信系統(tǒng)等，可以得到響應(yīng)特性優(yōu)異、RIN低的發(fā)光元件、激光元件。即，在量子井結(jié)構(gòu)的活性層，井層、阻擋層及活性層的膜厚成為使RIN、響應(yīng)特性大幅受到影響的主要原因，但在此結(jié)構(gòu)，通過將井層和阻擋層的膜厚比限定在所述范圍，可以得到這些特性優(yōu)異的發(fā)光元件、激光元件。
(20)最好所述井層的膜厚dw為40?！躣w≤100的范圍，所述第二阻擋層的膜厚db為db≥40的范圍。通過此結(jié)構(gòu)，在所述膜厚比Rt，以井層的膜厚為所述范圍，如圖12所示，是壽命長(zhǎng)、輸出高的激光元件，同時(shí)可以得到適于光盤系統(tǒng)光源的RIN特性、響應(yīng)特性的激光元件。即，在本發(fā)明的發(fā)光元件，增大井層的膜厚謀求長(zhǎng)壽命化，另一方面，井層的膜厚變大，響應(yīng)特性、RIN特性就有降低的傾向。在此結(jié)構(gòu)，適當(dāng)改善此。另外，阻擋層的膜厚40以上，如圖13所示，可以得到優(yōu)異的元件壽命，可以得到成為光盤系統(tǒng)佳的光源的激光元件。
(21)最好在所述p型氮化物半導(dǎo)體層、所述n型氮化物半導(dǎo)體層分別有上部覆蓋層、下部覆蓋層，上部覆蓋層的氮化物半導(dǎo)體的Al的平均混晶比比下部覆蓋層大。此在有效折射率型激光元件方面，在制作有效折射率差的上部覆蓋層，通過增大鋁混晶比而形成折射率小的上部覆蓋層，可以縮小橫向封閉。即，通過在波導(dǎo)路兩側(cè)縮小制作有效折射率差的嵌入層和上部覆蓋層的折射率差，可以成為縮小橫向封閉的結(jié)構(gòu)。據(jù)此，減低橫向封閉，縮小光密度，可以成為到高輸出區(qū)域不產(chǎn)生曲折(kink)的激光元件。
(22)再者，通過所述上部覆蓋層的Al的平均混晶比x為0＜x≤0.1的范圍，可以得到具有激光特性，特別是可以適合使用于光盤系統(tǒng)的電流-光輸出特性等特性的激光元件。此時(shí)，激光元件的振蕩波長(zhǎng)為380nm以上420nm以下的范圍，使用所述覆蓋層可以得到適當(dāng)?shù)募す庠?br> (23)所述p型氮化物半導(dǎo)體層具有接觸所述活性層而成為電子封閉層的第一p型氮化物半導(dǎo)體層，活性層具有離第一p型氮化物半導(dǎo)體層的距離dB成為100以上400以下的范圍的井層，通過在該距離dB內(nèi)有第一阻擋層，可以得到元件壽命長(zhǎng)的氮化物半導(dǎo)體元件。此如圖8所示，離第一p型氮化物半導(dǎo)體層28的距離dB具有第一阻擋層，即調(diào)整成雜質(zhì)實(shí)質(zhì)上沒有n型雜質(zhì)或有p型雜質(zhì)的阻擋層，防止起因于為p型載流子封閉層的第一p型氮化物半導(dǎo)體層的元件惡化，提高元件壽命，可以成為可以使配置在距離dB外部的井層的發(fā)光再結(jié)合促進(jìn)的元件結(jié)構(gòu)。在此，在距離dB區(qū)域有至少所述第一阻擋層，即在距離dB區(qū)域，至少一部分如所述，有雜質(zhì)或調(diào)整其量的雜質(zhì)調(diào)整區(qū)域。此時(shí)，最好距離dB為第一阻擋層，即將膜厚為dB的第一阻擋層接觸第一p型氮化物半導(dǎo)體形成，可以將所述效果引出到最大限度，很理想。如此，在以距離dB區(qū)域?yàn)殡s質(zhì)調(diào)整區(qū)域，如圖8B所示，也可以成為設(shè)置多數(shù)帶隙能量(band gap energy)不同的層的結(jié)構(gòu)。例如在圖8B雖然形成帶隙能量比阻擋層2c小的區(qū)域4，但以區(qū)域距離dB為雜質(zhì)調(diào)整區(qū)域，可以得到所述效果。與此相反，設(shè)置具有比阻擋層2b大的帶隙能量的層4也同樣。即，在區(qū)域距離dB即使設(shè)置多數(shù)帶隙能量不同的層的情況下，以區(qū)域距離dB為第一阻擋層，通過調(diào)整雜質(zhì)或雜質(zhì)量，也可以得到特性優(yōu)異的元件。再者，距離dB最好是120以上200以下的范圍，可以得到適當(dāng)?shù)幕钚詫印⑦m當(dāng)?shù)脑Y(jié)構(gòu)的氮化物半導(dǎo)體元件。
就用于本發(fā)明的氮化物半導(dǎo)體元件的n型雜質(zhì)來說，可以使用硅(Si)、鍺(Ge)、錫(Sn)、硫(S)、氧(O)、鈦(Ti)、鋯(Zr)等IV族或VI族元素，最好使用硅、鍺、錫，甚至最好使用硅。另外，就p型雜質(zhì)來說，雖然不被特別限定，但可以舉出鈹(Be)、鋅(Zn)、錳(Mn)、鉻(Cr)、鎂(Mg)、鈣(Ca)等，而且最好使用鎂。
另外，在本發(fā)明中，所謂無摻雜，是指氮化物半導(dǎo)體生長(zhǎng)時(shí)，在不添加成為摻雜物的p型雜質(zhì)、n型雜質(zhì)等的狀態(tài)使其生長(zhǎng)，例如在有機(jī)金屬氣相生長(zhǎng)法中，在不向反應(yīng)容器內(nèi)供給成為所述摻雜物的雜質(zhì)的狀態(tài)下使其生長(zhǎng)。
圖2為說明本發(fā)明一實(shí)施形態(tài)的模式剖視圖。
圖3為說明本發(fā)明一實(shí)施形態(tài)的模式剖視圖。
圖4為說明本發(fā)明一實(shí)施形態(tài)的層疊結(jié)構(gòu)的模式剖視圖及帶構(gòu)造的模式圖。
圖5為說明本發(fā)明一實(shí)施形態(tài)的層疊結(jié)構(gòu)的模式剖視圖及帶結(jié)構(gòu)的模式圖。
圖6為說明本發(fā)明一實(shí)施形態(tài)的層疊結(jié)構(gòu)的模式剖視圖及帶結(jié)構(gòu)的模式圖。
圖7為說明本發(fā)明一實(shí)施形態(tài)的層疊結(jié)構(gòu)的模式剖視圖及帶結(jié)構(gòu)的模式圖。
圖8A及8B為說明本發(fā)明一實(shí)施形態(tài)的層疊結(jié)構(gòu)的模式剖視圖及帶結(jié)構(gòu)的模式圖。
圖9A及9B為本發(fā)明一實(shí)施形態(tài)的元件的模式剖視圖。
圖10為說明本發(fā)明一實(shí)施形態(tài)的層疊結(jié)構(gòu)的模式剖視圖及帶結(jié)構(gòu)的模式圖。
圖11為說明本發(fā)明一實(shí)施形態(tài)的模式剖視圖。
圖12為表示本發(fā)明的一實(shí)施形態(tài)的元件壽命和井層的膜厚的關(guān)系的圖。
圖13為表示本發(fā)明的一實(shí)施形態(tài)的元件壽命和阻擋層的膜厚的關(guān)系的圖。
圖14為表示本發(fā)明的一實(shí)施形態(tài)的元件壽命和摻雜量的關(guān)系的圖。
圖15為表示本發(fā)明的一實(shí)施形態(tài)的反耐壓和摻雜量的關(guān)系的圖。
具體實(shí)施例方式
就用于本發(fā)明的氮化物半導(dǎo)體元件的氮化物半導(dǎo)體來說，有GaN、AlN、InN或?yàn)檫@些混晶的氮化鎵是化合物半導(dǎo)體(InXAlYGa1-x-yN、0≤x、0≤y、x+y≤1)。另外，再加上作為III族元素使用硼(B)或作為V族元素以磷(P)、砷(As)調(diào)換氮的一部分的混晶也可以。
(活性層)就本發(fā)明的活性層來說，具有量子井結(jié)構(gòu)，多重量子井結(jié)構(gòu)、單一量子井結(jié)構(gòu)的任一結(jié)構(gòu)都可以。最好是形成多重量子井結(jié)構(gòu)，可以謀求輸出提高、振蕩閾值降低等。就活性層的量子井結(jié)構(gòu)來說，可以使用層疊后述井層、阻擋層者。另外，就層疊結(jié)構(gòu)來說，是層疊以阻擋層夾入井層的結(jié)構(gòu)，即，在單一量子井結(jié)構(gòu)，如夾著井層一般在p型氮化物半導(dǎo)體層側(cè)、n型氮化物半導(dǎo)體層側(cè)分別有至少一層阻擋層，在多重量子井結(jié)構(gòu)，在層疊多數(shù)井層和阻擋層的活性層內(nèi)有后述的各實(shí)施形態(tài)。
再者，作為活性層的結(jié)構(gòu)，較好是作為配置在最接近n型氮化物半導(dǎo)體層、p型氮化物半導(dǎo)體層的位置的層(以下記作最外層)，有阻擋層，最好是兩側(cè)的最外層為阻擋層。
另外，在多重量子井結(jié)構(gòu)，夾入井層的阻擋層并不特別限于是一層(井層/阻擋層/井層)，也可以將兩層或其以上的層的阻擋層如「井層/阻擋層(1)/阻擋層(2)/…/井層」一般設(shè)置多數(shù)成分、雜質(zhì)量等不同的阻擋層。例如，圖10所示，也可以是以下所述結(jié)構(gòu)在各井層401之間設(shè)置由包含Al的氮化物半導(dǎo)體構(gòu)成的上部阻擋層403、比上部阻擋層能帶隙(energy bandgap)小的下部阻擋層402。
(井層)就本發(fā)明的井層來說，最好使用包含In的氮化物半導(dǎo)體層，此時(shí)就具體的成分來說，可以適當(dāng)?shù)厥褂肐naGa1-aN(0＜a≤1)。據(jù)此，成為可以優(yōu)異發(fā)光、振蕩的井層。此時(shí)，根據(jù)銦混晶比可以決定發(fā)光波長(zhǎng)。另外，InGaN以外也可以使用所述氮化物半導(dǎo)體，例如InAlGaN、InN等，而本發(fā)明也可以適用于不包含銦的氮化物半導(dǎo)體，例如AlGaN、GaN等，但使用包含In的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光效率變高，很理想。
另外，就井層的膜厚及井層數(shù)來說，除了后述第5實(shí)施形態(tài)所示的情況之外，可以任意決定膜厚及井層數(shù)。就具體的膜厚來說，10以上300以下的范圍，最好是20以上200以下的范圍可以使Vf、閾值電流密度減低。另外，從結(jié)晶生長(zhǎng)的觀點(diǎn)，如果是20以上，則膜厚沒有大的不均勻，可以得到比較均勻膜質(zhì)的層，200以下抑制結(jié)晶缺陷產(chǎn)生成低的而可以結(jié)晶生長(zhǎng)。就活性層內(nèi)的井層數(shù)來說，不被特別限定，最好是1以上，此時(shí)井層數(shù)為4以上時(shí)，如果構(gòu)成活性層的各層膜厚變厚，則活性層全體膜厚變厚，招致Vf上升，所以以井層的膜厚為100以下的范圍，抑制活性層膜厚成低的。
在本發(fā)明的井層摻不摻入n型雜質(zhì)都可以。然而，井層使用包含In的氮化物半導(dǎo)體，n型雜質(zhì)濃度變大，則有結(jié)晶性惡化的傾向，所以最好抑制n型雜質(zhì)濃度成低的而形成結(jié)晶性優(yōu)異的井層。具體地說，為了使結(jié)晶性成為最大限度優(yōu)異，要使井層以無摻雜生長(zhǎng)，此時(shí)n型雜質(zhì)濃度為5×1016/cm3以下，則成為實(shí)質(zhì)上不包含n型雜質(zhì)的井層。另外，在井層摻入n型雜質(zhì)時(shí)，如果n型雜質(zhì)濃度在1×1018以下5×1016以上的范圍被摻入，則可以抑制結(jié)晶性惡化成低的并可以提高載流子濃度，可以使閾值電流密度、Vf降低。此時(shí)，就井層的n型雜質(zhì)濃度來說，和阻擋層的n型雜質(zhì)濃度大致相同或縮小，促進(jìn)在井層的發(fā)光再結(jié)合，有發(fā)光輸出提高的傾向，很理想。如此摻入n型雜質(zhì)的井層用于5mW輸出的LD、LED等低輸出的元件，可以得到閾值電流密度降低、Vf降低，很理想。另外，要使井層的n型雜質(zhì)濃度和阻擋層大致相同或比其低，在井層生長(zhǎng)時(shí)摻入比阻擋層生長(zhǎng)時(shí)少的n型雜質(zhì)或是在阻擋層摻雜而使井層以無摻雜生長(zhǎng)的調(diào)制摻雜也可以。此時(shí)，也可以使井層、阻擋層以無摻雜生長(zhǎng)而構(gòu)成活性層的一部分。
特別是以大電流使元件驅(qū)動(dòng)時(shí)(高輸出的LD、大功率LED等)，井層無摻雜、實(shí)質(zhì)上不包含n型雜質(zhì)，促進(jìn)在井層的載流子再結(jié)合，實(shí)現(xiàn)高機(jī)率的發(fā)光再結(jié)合，反的在井層摻入n型雜質(zhì)，由于在井層的載流子濃度高，所以反而發(fā)光再結(jié)合的機(jī)率減少，在一定輸出下產(chǎn)生招致驅(qū)動(dòng)電流、驅(qū)動(dòng)電流上升的不良循環(huán)，有元件可以靠性(元件壽命)大幅降低的傾向。因此，在這種高輸出的元件(5～100mW輸出區(qū)域的LD、大功率LED)，使井層的n型雜質(zhì)濃度成為至少1×1018/cm3以下，最好是無摻雜或成為實(shí)質(zhì)上不包含n型雜質(zhì)的濃度，可以得到可以高輸出且穩(wěn)定驅(qū)動(dòng)的氮化物半導(dǎo)體元件。另外，在井層摻入n型雜質(zhì)的激光元件有激光光的峰值波長(zhǎng)的光譜寬度變寬的傾向，所以不良的是1×1018/cm3，最好是1×1017/cm3以下。另外，在井層摻入雜質(zhì)也會(huì)發(fā)生結(jié)晶性的惡化，在結(jié)晶性惡化的井層內(nèi)如激光元件，增大密流密度使元件動(dòng)作，井層及元件的惡化就變大，有使元件壽命受到不良影響的傾向。
(阻擋層)在本發(fā)明中，就阻擋層成分來說，雖然不被特別限定，但可以使用比井層銦混晶比低的包含In的氮化物半導(dǎo)體或包含氮化鎵、鋁的氮化物半導(dǎo)體等。就具體成分來說，可以使用InβAlγGa1-γN(0≤β≤1，0≤γ≤1)、InβGa1-βN(0≤β＜1，a＞β)、GaN、AlγGa1-γN(0＜γ≤1)等。在此，接觸井層而成為底層的阻擋層(下部阻擋層)時(shí)，最好使用不包含Al的氮化物半導(dǎo)體，具體地說，如圖10所示，最好使用InβGa1-βN(0≤β＜1，a＞β)、GaN。這是因?yàn)槭褂砂琁n的氮化物半導(dǎo)體構(gòu)成的井層直接生長(zhǎng)于AlGaN等包含Al的氮化物半導(dǎo)體上，就有結(jié)晶性降低的傾向，有井層功能惡化的傾向。另外，使阻擋層的帶隙能量比井層大，考慮也起作用作為決定井層結(jié)晶性的底層，從所述成分中決定適當(dāng)?shù)木畬?、阻擋層成分組合即可以。
另外，除了后述最p型層例的阻擋層之外，阻擋層摻入n型雜質(zhì)、不摻雜都可以，但最好是摻入n型雜質(zhì)。此時(shí)，就阻擋層中的n型雜質(zhì)濃度來說，摻入至少5×1016/cm3以上，上限為1×1020/cm3。具體地說，例如LED的情況，在5×1016/cm3以上2×1018/cm3以下的范圍有n型雜質(zhì)，而更高輸出的LED及高輸出的LD在5×1017/cm3以上1×1020/cm3以下的范圍，最好是在1×1018/cm3以上5×1019/cm3以下的范圍摻雜，如此以高濃度摻雜時(shí)，最好使井層實(shí)質(zhì)上不包含n型雜質(zhì)或以無摻雜生長(zhǎng)。此時(shí)，在通常的LED、高輸出的LED(大功率LED)及高輸出的LD(5～100mW輸出的LD等)的所以n型雜質(zhì)量不同，是因?yàn)樵诟咻敵龅脑?，為了以更大電流?qū)動(dòng)，得到高的輸出，需要高的載流子濃度。在所述較佳的范圍摻雜，如所述，是優(yōu)異的結(jié)晶性并可以注入高濃度的載流子。反的，不是高輸出的低輸出的LD、LED等氮化物半導(dǎo)體元件時(shí)，在活性層中的一部分阻擋層摻入n型雜質(zhì)或使全部阻擋層實(shí)質(zhì)上不包含n型雜質(zhì)也可以。
就阻擋層的膜厚來說，不被特別限定，可以適用500以下，更具體的是和井層同樣，10以上300以下的范圍。
另外，在后述各實(shí)施形態(tài)雖然使用摻入p型雜質(zhì)的阻擋層，但此時(shí)就p型雜質(zhì)量來說，是5×1016/cm3以上1×1020/cm3以下的范圍，最好是5×1016/cm3以上1×1018/cm3以下的范圍。此因如果超過1×1020/cm3則即使增多p型雜質(zhì)，載流子濃度也幾乎不變化，所以包含雜質(zhì)所造成的結(jié)晶性惡化、因雜質(zhì)而光的散射作用所造成的損失變大，反而使活性層的發(fā)光效率降低。再者，如果低于1×1018/cm3則向下抑制所述雜質(zhì)增加所造成的發(fā)光效率降低，并可以穩(wěn)定高度保持到活性層內(nèi)的來自p型層的載流子濃度。另外，就p型雜質(zhì)的下限來說，最好即使是一點(diǎn)也有p型雜質(zhì)，這是因?yàn)殡s質(zhì)為低濃度時(shí)，與為高濃度時(shí)比較為高的機(jī)率，p型雜質(zhì)有起作用作為載流子的傾向。此時(shí)，最好在后述各實(shí)施形態(tài)的包含p型雜質(zhì)的阻擋層實(shí)質(zhì)上不包含n型雜質(zhì)。因?yàn)樵诎琾型雜質(zhì)的阻擋層即使只是不包含n型雜質(zhì)，也起作用作為促進(jìn)來自p型層的載流子注入的阻擋層，再加上有p型雜質(zhì)將可以更加強(qiáng)其作用。圖14、15表示最p側(cè)阻擋層的n型雜質(zhì)量和元件壽命或反耐壓特性的關(guān)系，如從圖可以明白，n型雜質(zhì)變多，元件壽命及反耐壓特性就急劇降低，使元件特性惡化。因此，在本發(fā)明的氮化物半導(dǎo)體元件，最接近p型層的阻擋層(后述第一阻擋層、阻擋層BL、第一p側(cè)阻擋層)較好是使n型雜質(zhì)以無摻雜生長(zhǎng)或?qū)嵸|(zhì)上不包含n型雜質(zhì)，最好是有p型雜質(zhì)，最好是不包含n型雜質(zhì)而有p型雜質(zhì)。此因不包含n型雜質(zhì)而來自p型層的載流子注入有效率，因另外還有p型雜質(zhì)而促進(jìn)載流子注入，合并兩者，即不包含n型雜質(zhì)而有p型雜質(zhì)，來自p型層的載流子即使大量也可以有效的注入。
(n型雜質(zhì)摻雜)在本發(fā)明中，在活性層有包含至少5×1016以上n型雜質(zhì)的井層、阻擋層，最好是活性層中的至少一層以上的井層及/或阻擋層為無摻雜或?qū)嵸|(zhì)上不包含n型雜質(zhì)。據(jù)此，就活性層全體來說，平均包含n型雜質(zhì)，在構(gòu)成活性層一部分的井層及/或阻擋層摻入n型雜質(zhì)，作為活性層，實(shí)現(xiàn)有效的載流子濃度分布。
在本發(fā)明中，所謂無摻雜是特意不摻雜，在氮化物半導(dǎo)體生長(zhǎng)時(shí)不摻入n型或p型雜質(zhì)而使其生長(zhǎng)。此時(shí)，雜質(zhì)濃度成為小于5×1016/cm3。另外，所謂本發(fā)明的實(shí)質(zhì)上不包含n型雜質(zhì)或p型雜質(zhì)，是小于5×1016/cm3的濃度區(qū)域。
以上說明了關(guān)于在下述說明的各實(shí)施形態(tài)未說明的活性層及阻擋層、井層的實(shí)施形態(tài)，在各實(shí)施形態(tài)補(bǔ)充其說明。
<第1實(shí)施形態(tài)>
在本發(fā)明的氮化物半導(dǎo)體元件，就第1實(shí)施形態(tài)來說，是以下所述結(jié)構(gòu)如圖2、3所示，在以p型氮化物半導(dǎo)體層13和n型氮化物半導(dǎo)體層11夾著的活性層12內(nèi)有最接近位于p型氮化物半導(dǎo)體層的第一阻擋層；和此層不同，有n型雜質(zhì)的第二阻擋層。此時(shí)，第一阻擋層是n型雜質(zhì)為無摻雜或以無摻雜使其生長(zhǎng)而實(shí)質(zhì)上不包含n型雜質(zhì)。此時(shí)，第一阻擋層雖然有兩個(gè)情況在活性層內(nèi)的層接近最p型氮化物半導(dǎo)體層的層(以下稱為最p側(cè)的層)如圖2所示，為井層1b的情況和如圖3所示，該層為第一阻擋層2d的情況，但哪一種都可以。最好如圖3所示，在活性層內(nèi)最p側(cè)的層作為第一阻擋層，可以接觸p型氮化物半導(dǎo)體層將第一阻擋層設(shè)于活性層內(nèi)，如圖3所示，可以到活性層內(nèi)形成p型氮化物半導(dǎo)體層13和活性層12內(nèi)的第一阻擋層2d及連續(xù)的p型層。據(jù)此，可以有效從p型層注入載流子到活性層，減少元件驅(qū)動(dòng)的損失，可以提高元件特性，特別是可以提高反向耐壓、元件壽命。圖3所示的情況和此不同，因井層1b介于p型氮化物半導(dǎo)體層13和第一阻擋層2c之間而有時(shí)不成為連續(xù)p型層的形成，但因第一阻擋層2c為活性層內(nèi)的最p側(cè)的阻擋層而不如所述的情況(圖3的情況)，可以是同樣起作用，有效的載流子注入成為可以能，比所述的情況(圖3的情況)其效果有差的傾向，但可以得到同種的效果。此時(shí)，井層如所述，最好是無摻雜，有n型雜質(zhì)時(shí)，最好是比阻擋層低濃度。
與此不同，有p型雜質(zhì)的阻擋層(以下稱為p型阻擋層)在活性層內(nèi)為不位于最p側(cè)的阻擋層時(shí)，例如在圖3以阻擋層2c為p型阻擋層，則反而成為使元件特性惡化的結(jié)果。此因p型載流子(空穴)擴(kuò)散長(zhǎng)度比n型大幅地短，所以到所述活性層內(nèi)的載流子注入效率的提高幾乎沒有，阻礙n型載流子注入而增大損失。此在最p側(cè)的阻擋層不包含p型雜質(zhì)，不位于最p側(cè)的阻擋層包含p型雜質(zhì)時(shí)最顯著。
另外，第二阻擋層也可以鄰接第一阻擋層設(shè)于n型氮化物半導(dǎo)體層側(cè)(以下稱為n側(cè))，但最好如圖2、3所示，透過至少一層以上的井層設(shè)置。這樣一來，形成配置夾著一層以上的井層、設(shè)于最p側(cè)、有p型雜質(zhì)的第一阻擋層和設(shè)于n側(cè)、有n型雜質(zhì)的第二阻擋層的結(jié)構(gòu)的活性層，比不透過井層而鄰接配置的情況可以使到此所夾的一層以上的井層內(nèi)的載流子注入更有效率。因此，最好最n側(cè)的阻擋層，在圖2、3阻擋層2a是至少第二阻擋層，即第一阻擋層、第二阻擋層是活性層最外側(cè)的阻擋層，分別配置在p側(cè)、n側(cè)。再者，第二阻擋層可以只是一層，也可以是除了第一阻擋層之外的全部阻擋層。因此，在第一實(shí)施形態(tài)，最好最p側(cè)的阻擋層為第一阻擋層，最n側(cè)的阻擋層是第二阻擋層，最好是除了以上結(jié)構(gòu)之外，再加上除了最p側(cè)的阻擋層之外的全部阻擋層為第二阻擋層。據(jù)此，在高輸出下的元件驅(qū)動(dòng)，可以有效注入大量的載流子，可以提高高輸出下的元件可以靠性。此時(shí)，除了最p側(cè)的阻擋層為第一阻擋層、最n側(cè)的阻擋層為第二阻擋層之外，也可以是第二或第二及其以后配置在p側(cè)的阻擋層也形成p型阻擋層的結(jié)構(gòu)，但例如在圖3形成第一阻擋層2d、p型阻擋層2c、第二阻擋層2a的結(jié)構(gòu)，此結(jié)構(gòu)因所述各載流子擴(kuò)散長(zhǎng)度不同而阻礙有效的載流子注入、再結(jié)合等，有損失增加的傾向。
在本發(fā)明的第一實(shí)施形態(tài)中，如果就第一阻擋層更加詳述，則包含p型雜質(zhì)同樣，第一阻擋層實(shí)質(zhì)上不包含n型雜質(zhì)也在產(chǎn)生所述作用上成為重要因素。此因不包含n型雜質(zhì)而可以期待和有所述p型雜質(zhì)的情況同樣的效果。此因第一阻擋層不包含n型雜質(zhì)而在活性層內(nèi)的p型層界面附近或第一阻擋層附近可以從p型層增多且有效注入載流子到活性層或最p側(cè)的井層，和所述同樣，元件特性提高。反的，使第一阻擋層實(shí)質(zhì)上不包含n型雜質(zhì)可以導(dǎo)致元件特性提高，最好是實(shí)質(zhì)上不包含n型雜質(zhì)且包含p型雜質(zhì)，所述效果顯著。另外，最好在第二阻擋層使p型雜質(zhì)以無摻雜生長(zhǎng)或?qū)嵸|(zhì)上不包含p型雜質(zhì)。
在本發(fā)明的第一實(shí)施形態(tài)中，比第二阻擋層的膜厚增大第一阻擋層的膜厚，可以提高元件壽命。此除了和后述第一p型氮化物半導(dǎo)體層的關(guān)系之外，再加上在高輸出的驅(qū)動(dòng)，設(shè)置寬廣空間作為存在許多p型載流子的第一阻擋層，即使高輸出也可以注入、再結(jié)合穩(wěn)定的載流子。反的，第二阻擋層比第一阻擋層的膜厚小，就會(huì)使從n型層側(cè)到活性層內(nèi)的各井層的距離相對(duì)接近，促進(jìn)從n型層側(cè)到各井層的載流子注入。此時(shí)，第二阻擋層為一層以上，最好是以除了第一阻擋層以外的全部阻擋層為第二阻擋層，從n型層可以相對(duì)縮小全部井層的距離，來自n型層的載流子注入有效率。
<第2實(shí)施形態(tài)>
就本發(fā)明的第2實(shí)施形態(tài)來說，其特征在于所述活性層具有L個(gè)(L≥2)所述阻擋層，以配置在最接近所述n型氮化物半導(dǎo)體層的位置上的阻擋層為阻擋層B1，從該阻擋層B1向所述p型氮化物半導(dǎo)體層計(jì)算以第i個(gè)(i＝1、2、3、…L)阻擋層為阻擋層Bi時(shí)，從i＝1到i＝n(1＜n＜L)的阻擋層Bi有n型雜質(zhì)，i＝L的阻擋層Bi有p型雜質(zhì)。在此，阻擋處BL相當(dāng)于第一實(shí)施形態(tài)的第一阻擋層，是最p側(cè)的阻擋層，此阻擋層BL的作用和第一實(shí)施形態(tài)同樣。因此，第二實(shí)施形態(tài)的阻擋層BL有至少p型雜質(zhì)，最好是實(shí)質(zhì)上不包含n型雜質(zhì)，優(yōu)先注入p型載流子到阻擋層BL，可以有效的載流子注入。另外，在從i＝1到i＝n的阻擋層Bi有n型雜質(zhì)，就會(huì)從n型層側(cè)按接近的順序摻入n型雜質(zhì)到n個(gè)阻擋層，載流子濃度提高，所以從n型層到活性層內(nèi)部順利注入載流子，結(jié)果促進(jìn)載流子的注入、再結(jié)合，元件特性提高。此時(shí)，井層無摻雜、摻入n型雜質(zhì)哪個(gè)都可以。特別是以大電流使元件(高輸出的LD、LED等)驅(qū)動(dòng)時(shí)，如所述，井層為無摻雜、實(shí)質(zhì)上不包含n型雜質(zhì)，促進(jìn)在井層的載流子再結(jié)合，成為富有元件特性、元件可以靠性的氮化物半導(dǎo)體元件。
在此，在第二實(shí)施形態(tài)的n需要滿足至少條件式0＜n＜L，最好是滿足nm＜n＜L、nm＝L/2(但是，nm為舍去小數(shù)點(diǎn)以下的正整數(shù))的條件。這是因?yàn)榛钚詫觾?nèi)的阻擋層總數(shù)大致一半以上包含n型雜質(zhì)，來自n型層的載流子可以有效注入到活性層的深處(p型層側(cè))，特別是活性層中的井層數(shù)3以上或活性層內(nèi)部的層疊數(shù)7以上的多重量子井結(jié)構(gòu)時(shí)會(huì)有利地起作用。具體地說，在圖2、3，以阻擋層2a、2b為阻擋層Bi摻入n型雜質(zhì)，以阻擋層2c(圖2)或阻擋層2d(圖3)為阻擋層BL摻入p型雜質(zhì)，以?shī)A入阻擋層Bi和BL的其他阻擋層為無摻雜，構(gòu)成活性層。
另外，在第二實(shí)施形態(tài)，阻擋層BL膜厚比阻擋層Bi(ilL)膜厚大，如所述，在需要穩(wěn)定注入大量的載流子到井層的高輸出元件，最接近p型層(來自p型層的載流子注入口附近)、存在許多p型載流子的阻擋層BL有寬廣空間，可以穩(wěn)定將大量的載流子從p型層注入到井層，元件可以靠性、元件壽命提高。
<第3實(shí)施形態(tài)>
在本實(shí)施形態(tài)，活性層107具有MQW結(jié)構(gòu)按阻擋層一井層一阻擋層的順序以適當(dāng)次數(shù)交互反復(fù)進(jìn)行層疊Inx1Ga1-x1N井層(0＜x1＜1)和Inx2Ga1-x2N阻擋層(0≤x2＜1，x1＞x2)，活性層兩端都成為阻擋層。井層以無摻雜形成。另一方面，除了鄰接p型電子封閉層108的第一阻擋層之外，在全部阻擋層摻入硅、錫等n型雜質(zhì)，第一阻擋層以無摻雜生長(zhǎng)。另外，鎂等p型雜質(zhì)從鄰接的p型氮化物半導(dǎo)體層擴(kuò)散到第一阻擋層。
通過在除了第一阻擋層之外的阻擋層摻入n型雜質(zhì)，活性層中的起始電子濃度變大而到井層的電子注入效率高，激光器的發(fā)光效率提高。另一方面，第一阻擋層因在于最p型層側(cè)而無助于到井層的電子注入。于是，在第一阻擋層不摻入n型雜質(zhì)，不如通過利用來自p型層的擴(kuò)散實(shí)質(zhì)上摻入p型雜質(zhì)，可以提高到井層的空穴注入效率。另外，通過在第一阻擋層不摻入n型雜質(zhì)，可以防止不同型的雜質(zhì)混在阻擋層中而載流子的移動(dòng)度降低。
現(xiàn)就活性層107的具體例加以說明?；钚詫?07具有MQW結(jié)構(gòu)僅適當(dāng)次數(shù)交互反復(fù)進(jìn)行層疊Inx1Ga1-x1N井層(0＜x1＜1)和Inx2Ga1-x2N阻擋層(0≤x2＜1，x1＞x2)，活性層兩端都成為阻擋層。井層以無摻雜形成，除了第一阻擋層之外的全部阻擋層是硅、錫等n型雜質(zhì)最好以1×1017～1×1019cm-3的濃度摻入所形成。
第一阻擋層以無摻雜形成，通過來自其次使其生長(zhǎng)的p型電子封閉層108的擴(kuò)散包含1×1016～1×1019cm-3鎂等p型雜質(zhì)。而且，也可以使第一阻擋層生長(zhǎng)時(shí)，使鎂等p型雜質(zhì)以1×1019cm-3以下的濃度一面摻入一面生長(zhǎng)。另外，第一阻擋層為了抑制其次使p型電子封閉層108生長(zhǎng)時(shí)的氣體蝕刻所造成的分解的影響，比其他阻擋層被厚地形成。第一阻擋層的適當(dāng)厚度按照p型電子封閉層108的生長(zhǎng)條件而適當(dāng)變化，例如使其生長(zhǎng)成其他阻擋層的最好是1.1～10倍，最好是1.1～5倍的厚度。據(jù)此，第一阻擋層起作為防止包含In的活性層分解的保護(hù)膜的作用。
<第4實(shí)施形態(tài)>
就本發(fā)明的第4實(shí)施形態(tài)來說，其特征在于作為所述活性層內(nèi)的最外側(cè)的層，有配置在接近p型氮化物半導(dǎo)體層的位置的第一p側(cè)阻擋層和配置在接近所述n型氮化物半導(dǎo)體層的位置的第二n側(cè)阻擋層，同時(shí)第一p側(cè)阻擋層有p型雜質(zhì)，第二n側(cè)阻擋層有n型雜質(zhì)。此結(jié)構(gòu)具體地說，如圖3所示，成為以下所述結(jié)構(gòu)活性層夾入最外側(cè)的第一p側(cè)阻擋層2a、第二n側(cè)阻擋層2d，設(shè)置井層1、阻擋層2b、2c。在活性層內(nèi)作為最p側(cè)的層，設(shè)置第一p側(cè)阻擋層，如所述，可以注入來自p型層的有效載流子，而在活性層內(nèi)作為最n側(cè)的層，設(shè)置第二n側(cè)阻擋層，使來自n型層的載流子注入成為優(yōu)異。其結(jié)果，可以注入、再結(jié)合來自p型層、n型層的有效載流子到活性層內(nèi)，即使高輸出元件也可以提高高的元件可以靠性及元件壽命。此時(shí)，最好是如圖3所示，接觸第一p側(cè)阻擋層2d、第二n側(cè)阻擋層2a設(shè)置p型層、n型層，據(jù)此直接在活性層連接p型層、n型層，實(shí)現(xiàn)更優(yōu)異的載流子注入。此時(shí)，就夾入第一p側(cè)阻擋層、第二n側(cè)阻擋層的阻擋層，例如圖3的阻擋層2b、2c來說，雖然不被特別限定，但如所述，最好是摻入n型雜質(zhì)，據(jù)此可以有效進(jìn)行來自n型層的載流子注入，元件可以靠性提高。
另外，通過所述第一p側(cè)阻擋層的膜厚和所述第二n側(cè)阻擋層的膜厚大致相同，如圖5、7所示，可以設(shè)置活性層最外側(cè)的層大致對(duì)稱的阻擋層，防止元件偏差，良率提高。此雖然詳情不明，但被認(rèn)為p型層、n型層的載流子注入口的第一p側(cè)阻擋層、第二n側(cè)阻擋層成為對(duì)稱，在活性層的層結(jié)構(gòu)對(duì)稱性增加，據(jù)此可以得到閾值電流降低、穩(wěn)定的元件壽命。
再者，在第4實(shí)施形態(tài)，活性層有二以上的井層，在該井層和井層之間有第三阻擋層，同時(shí)所述第三阻擋層的膜厚比所述第一p側(cè)阻擋層及所述第二n側(cè)阻擋層的膜厚小，更能提高元件特性。此因配置在活性層最外側(cè)的第二n側(cè)阻擋層、第一p側(cè)阻擋層分別成為來自n型層、p型層的載流子注入口，是比其他阻擋層大的膜厚而確?？梢员３执罅康妮d流子的寬廣空間，即使大電流也可以驅(qū)動(dòng)穩(wěn)定的元件。另一方面，第三阻擋層夾入井層而設(shè)置成注入載流子到各井層，如果可以連絡(luò)井層之間就夠了，所以無需如外側(cè)的阻擋層以厚膜設(shè)置。另外，在活性層內(nèi)成為外側(cè)厚膜的阻擋層、活性層中央部薄膜的阻擋層這種結(jié)構(gòu)，以外側(cè)的阻擋層注入來自p型層、n型層的載流子，從n型層、p型層看位于相反側(cè)，以比第三阻擋層厚膜的第一p側(cè)阻擋層、第二n側(cè)阻擋層起作用作為堅(jiān)固的障壁，促進(jìn)到各井層的載流子注入、發(fā)光再結(jié)合。另外，比外側(cè)的阻擋層薄地設(shè)置第三阻擋層，可以向下抑制活性層全體的膜厚，有助于降低Vf、閾值電流密度。
以上，如所說明，在第1～4實(shí)施形態(tài)，作為共同的結(jié)構(gòu)如下在第1～4實(shí)施形態(tài)，在活性層內(nèi)部配置在最靠近p型層一側(cè)的阻擋層(第一阻擋層、阻擋層BL、第一p側(cè)阻擋層)實(shí)質(zhì)上不包含n型雜質(zhì)，促進(jìn)到活性層內(nèi)的載流子注入，可以得到優(yōu)異的元件壽命、高輸出的氮化物半導(dǎo)體元件，并且包含p型雜質(zhì)，即使大量的載流子也有效注入、發(fā)光再結(jié)合，可以得到高輸出、長(zhǎng)壽命的氮化物半導(dǎo)體元件。此時(shí)，最靠近p型層一側(cè)的阻擋層有p型雜質(zhì)時(shí)，最好是以n型雜質(zhì)為非摻雜或使n型雜質(zhì)以無摻雜生長(zhǎng)而實(shí)質(zhì)上不包含n型雜質(zhì)的狀態(tài)。這是因?yàn)樽羁拷黳型層一側(cè)的阻擋層有p型雜質(zhì)時(shí)，如果有n型雜質(zhì)則有阻礙來自p型層的載流子注入的傾向，有效注入大量的載流子的放果變?nèi)?，結(jié)果使元件壽命、輸出特性降低。
<第5實(shí)施形態(tài)激光元件>
在本發(fā)明的氮化物半導(dǎo)體元件，就激光元件實(shí)施形態(tài)來說，至少有以下所述結(jié)構(gòu)以p型氮化物半導(dǎo)體層、n型氮化物半導(dǎo)體層內(nèi)的n型覆蓋層和p型覆蓋層夾入活性層。另外，如在實(shí)施例所示，在覆蓋層和活性層之間設(shè)置夾著活性層的導(dǎo)光層也可以。
圖1為表示關(guān)于本發(fā)明的氮化物半導(dǎo)體激光器一例的剖視圖。在GaN基板101上利用n型AlYGa1-yN(0≤y＜1)層103～106(各層y的值不同)和p型AlzGa1-zN(0≤z＜1)層108～111(各層z的值不同)夾著由InxGa1-xN(0≤x＜1)構(gòu)成的活性層107，形成所謂的雙異質(zhì)(double hetero)結(jié)構(gòu)。
在此，就n型覆蓋層、p型覆蓋層來說，使用包含Al的氮化物半導(dǎo)體，具體地說，適當(dāng)使用AlbGa1-bN(0＜b＜1)。
在本發(fā)明中，就導(dǎo)光層的成分來說，并不被特別限定，由氮化物半導(dǎo)體構(gòu)成，對(duì)形成波導(dǎo)路有充分能帶隙即可以，單一膜、多層膜的任一種膜都可以。例如波長(zhǎng)370～470nm使用GaN，比其長(zhǎng)波長(zhǎng)使用InGaN/GaN的多層膜結(jié)構(gòu)，可以增大波導(dǎo)路的折射率，如此可以使用所述各種氮化物半導(dǎo)體、InGaN、GaN、AlGaN等。另外，波導(dǎo)層、覆蓋層也可以形成超晶格多層膜。
以下，將就圖1所示的氮化物半導(dǎo)體激光器，對(duì)于結(jié)構(gòu)詳細(xì)加以說明。在基板101上透過緩沖層102形成為n型氮化物半導(dǎo)體層的n型接觸層103、防裂層104、n型覆蓋層105及n型導(dǎo)光層106。除了n型覆蓋層105之外的其他層也可以根據(jù)元件省略。n型氮化物半導(dǎo)體層在和至少活性層接觸的部分需要有比活性層寬的帶隙，因此最好是包含Al的結(jié)構(gòu)。另外，各層可以使n型雜質(zhì)一面摻入一面生長(zhǎng)而作為n型，也可以以無摻雜生長(zhǎng)而作為n型。
在n型氮化物半導(dǎo)體層103～106上形成活性層107?；钚詫?07的結(jié)構(gòu)如所述。
在活性層107上作為p型氮化物半導(dǎo)體層，形成p型電子封閉層108、p型導(dǎo)光層109、p型覆蓋層110、p型接觸層111。除了p型覆蓋層110之外的其他層也可以根據(jù)元件省略。p型氮化物半導(dǎo)體層在和至少活性層接觸的部分需要有比活性層寬的帶隙，因此最好是包含Al的結(jié)構(gòu)。另外，各層可以使p型雜質(zhì)一面摻入一面生長(zhǎng)而作為p型，也可以從鄰接的其他層使p型雜質(zhì)擴(kuò)散而作為p型。
p型電子封閉層108由具有比p型覆蓋層110高的鋁混晶比的p型氮化物半導(dǎo)體構(gòu)成，最好有AlxGa1-xN(0.1＜x＜0.5)的結(jié)構(gòu)。以高濃度，最好是以5×1017～1×1019cm3的濃度摻入鎂等p型雜質(zhì)。據(jù)此，p型電子封閉層108可以將電子有效封閉于活性層中，使激光器的閾值降低。另外，p型電子封閉層108以30～200程度的薄膜使其生長(zhǎng)即可以，如果是薄膜則可以比p型導(dǎo)光層109或p型光覆蓋層110以低溫使其生長(zhǎng)。因此，通過形成p型電子封閉層108，比將p型導(dǎo)光層109等直接形成于活性層上的情況，可以抑制包含In的活性層107分解。
另外，P型電子封閉層108起下述作用將P型雜質(zhì)利用擴(kuò)散供給給以無摻雜使其生長(zhǎng)的第一阻擋層，兩者合作起保護(hù)活性層107防止分解，同時(shí)提高到活性層107的空穴注入效率的作用。即，作為MQW活性層的最后層，將無摻雜Inx2Ga1-x2N層(0≤X2＜1)比其他阻擋層厚地形成，通過在其上使由高濃度摻入鎂等p型雜質(zhì)的p型AlxGa1-xN(0.1＜x＜0.5)構(gòu)成的薄膜以低溫生長(zhǎng)，保護(hù)包含In的活性層107防止分解，同時(shí)鎂等p型雜質(zhì)從p型AlxGa1-xN層擴(kuò)散到無摻雜Inx2Ga1-x2N層而可以提高到活性層的空穴注入效率。
p型氮化物半導(dǎo)體層中，到p型導(dǎo)光層109中途形成脊峰條帶(ridgestripe)，再形成保護(hù)膜161、162、p型電極120、n型電極121、p小塊(pat)電極122及n小塊電極123而構(gòu)成半導(dǎo)體激光器。
(電子封閉層第一p型氮化物半導(dǎo)體層)在本發(fā)明中，作為p型氮化物半導(dǎo)體層，特別是在激光元件，最好設(shè)置第一p型氮化物半導(dǎo)體層。就此第一p型氮化物半導(dǎo)體層來說，使用包含Al的氮化物半導(dǎo)體，具體地說，使用AlaGa1-aN(0＜a＜1)。此時(shí)，就鋁混晶比γ來說，用于激光元件時(shí)，為了起作用作為電子封閉層，需要有比活性層十分大的帶隙能量(采取偏離)，是至少0.1≤γ＜1的范圍，最好是0.2≤γ＜0.5的范圍。因?yàn)槿绻脼?.1以下，則在激光元件不起作用作為充分的電子封閉層，如果為0.2以上，則充分進(jìn)行電子封閉(載流子封閉)，抑制載流子溢出，并且如果為0.5以下，則可以向下抑制裂紋產(chǎn)生而使其生長(zhǎng)，最好是以γ為0.35以下，可以優(yōu)異結(jié)晶性生長(zhǎng)。此時(shí)，鋁混晶比比p型覆蓋層大，這是因?yàn)橐忾]載流子，需要比成為光封閉的覆蓋層高的混晶比的氮化物半導(dǎo)體。此第一p型氮化物半導(dǎo)體層可以用于本發(fā)明的氮化物半導(dǎo)體元件，特別是如激光元件，以大電流使其驅(qū)動(dòng)，將大量的載流子注入活性層內(nèi)時(shí)，比沒有第一p型氮化物半導(dǎo)體層時(shí)，可以封閉有效的載流子，不僅激光元件，而且也可以用于高輸出的LED。
就本發(fā)明的第一p型氮化物半導(dǎo)體層膜厚來說，至少1000以下，最好是400以下。這是因?yàn)榘珹l的氮化物半導(dǎo)體比其他氮化物半導(dǎo)體(不包含鋁)體電阻(bulk resistance)大，如果超過1000設(shè)于元件內(nèi)，就成為極高電阻層，會(huì)招致正向電壓Vf大幅增加，如果為400以下，則可以向下抑制Vf上升，最好是200以下，可以更向下抑制。在此，就第一p型氮化物半導(dǎo)體層膜厚的下限來說，至少10以上，最好是50以上，優(yōu)異地起作用作為電子封閉。
另外，在激光元件，此第一p型氮化物半導(dǎo)體為使其起作用作為電子封閉層而設(shè)于活性層和覆蓋層之間，再有波導(dǎo)層時(shí)，設(shè)于波導(dǎo)層和活性層之間。此時(shí)，活性層和第一p型氮化物半導(dǎo)體的距離至少1000以下，起作用作為載流子封閉，最好是500以下，優(yōu)異的載流子封閉成為可以能。即，第一p型氮化物半導(dǎo)體層越接近活性層，載流子封閉越有效起作用，而且在激光元件，在活性層和第一p型氮化物半導(dǎo)體層之間，大部分的情況，特別是不需要其他層，所以通常最好接觸活性層可以設(shè)置第一p型氮化物半導(dǎo)體層。此時(shí)，在量子井結(jié)構(gòu)的活性層內(nèi)連接設(shè)置位于最p型氮化物半導(dǎo)體層側(cè)的層和第一p型氮化物半導(dǎo)體層，結(jié)晶性惡化時(shí)，為避免此情況也可以將在結(jié)晶生長(zhǎng)的緩沖層設(shè)于兩者之間。例如在將活性層最p側(cè)的層和InGaN、AlGaN的第一p型氮化物半導(dǎo)體層之間設(shè)置由GaN構(gòu)成的緩沖層或有由比第一p型氮化物半導(dǎo)體層低的鋁混晶比的包含Al的氮化物半導(dǎo)體構(gòu)成的緩沖層等。
在此，第一p型氮化物半導(dǎo)體層和活性層的位置關(guān)系，特別是和井層的距離成為決定激光元件的閾值電流密度、元件壽命的重要因素，具體地說，第一p型氮化物半導(dǎo)體層越接近活性層，越使閾值電流密度降低，但越接近會(huì)越使元件壽命降低。此被認(rèn)為是如所述，第一p型氮化物半導(dǎo)體層是比其他層有極高的電阻的層，所以在元件驅(qū)動(dòng)時(shí)發(fā)熱量大，即在元件內(nèi)呈現(xiàn)高溫，此被認(rèn)為使不耐熱的活性層、井層受到不良影響，使元件壽命大幅降低。在另一方面，如所述，擔(dān)負(fù)載流子封閉的第一p型氮化物半導(dǎo)體層越接近活性層，特別是井層，載流子封閉越有效，所以離開活性層其效果就變?nèi)酢?br> 因此，為了抑制元件壽命降低，如圖8A所示，離井層1b以第一p型氮化物半導(dǎo)體層28的距離dB為至少100以上，較好是120以上，最好是140以上。因?yàn)槿绻畬雍偷谝籶型氮化物半導(dǎo)體層的距離dB比100短，則顯出元件壽命急劇降低的傾向，如果為120以上，則元件壽命可以大幅度地提高，如果為150以上，則元件壽命有更加提高的傾向，但閾值電流密度卻開始顯出逐漸變高的傾向。再者，如果其距離比200大，則顯出閾值電流密度明顯上升傾向，如果比400大，則有發(fā)生閾值電池密度急劇上升的傾向，所以就所述距離的上限來說，400以下，最好是200以下。此被認(rèn)為第一p型氮化物半導(dǎo)體層離開井層，載流子封閉效率降低，此成為主要原因而閾值電流密度上升或招致發(fā)光效率降低。
在此，成為距離基準(zhǔn)的井層在圖8，是在活性層內(nèi)鄰接最p型層13側(cè)的阻擋層2c、配置在n型層側(cè)的井層1b。在量子井結(jié)構(gòu)的活性層，接觸活性層設(shè)置第一p型氮化物半導(dǎo)體層的情況，有如圖8A所示，接觸最靠近p型層一側(cè)的阻擋層2c設(shè)置第一p型氮化物半導(dǎo)體層28時(shí)和如圖8B所示，在最p型層13側(cè)的阻擋層2c及第一p型氮化物半導(dǎo)體層28之間有井層4時(shí)。在最p型層13側(cè)的阻擋層2c及第一p型氮化物半導(dǎo)體層28之間有井層4時(shí)，此井層4反而過度接近p型層13，由p型層所注入的載流子大部分穿過井層4，不發(fā)生在此井層4的發(fā)光再結(jié)合，不起作用作為井層。此時(shí)，最靠近p型層一側(cè)的阻擋層2c有p雜質(zhì)時(shí)，到比此阻擋層2c位于n型層側(cè)的井層1a、1b的載流子注入成為優(yōu)異，另一方面，載流子通知如所述的比此阻擋層2c位于p型層側(cè)的井層4，無助于發(fā)光再結(jié)合的傾向越發(fā)強(qiáng)烈起來，急劇喪失作為井層的功能。因此，在圖8B所示的井層4和第一p型氮化物半導(dǎo)體層之間沒有如所述的因距離而特性變化，和所述井層的距離dB不管比最靠近p型層一側(cè)的阻擋層位于p型層側(cè)的所述井層1c，成為和比最靠近p型層一側(cè)的阻擋層位于n型層側(cè)的井層的距離，反的即使在這種活性層內(nèi)有成為最靠近p型層一側(cè)的層的井層，也顯出如所述的因距離dB而特性變化。另外，這種比最靠近p型層一側(cè)的阻擋層配置在p型層側(cè)的井層不僅不充分起作用作為井層，而且比沒有此井層的情況，有元件壽命等元件特性惡化的傾向，所以最好沒有這種井層，以在活性層內(nèi)配置在最靠近p型層一側(cè)的層為阻擋層，即比圖8B采用圖8A的結(jié)構(gòu)。
另外，連接設(shè)置最靠近p型層一側(cè)的阻擋層2c和第一p型氮化物半導(dǎo)體層28時(shí)，在所述井層和第一p型氮化物半導(dǎo)體層之間設(shè)置阻擋層2c(最靠近p型層一側(cè)的阻擋層)而以此阻擋層的膜厚可以決定所述距離dB。因此，最靠近p型層一側(cè)的阻擋層(所述第一阻擋層、阻擋層BL、第一p側(cè)阻擋層)膜厚成為決定氮化物半導(dǎo)體元件特性的重要因素。另外，在激光元件，閾值電流密度上升由于所述載流子封閉為主要原因，所以在此也可以適用所述活性層和第一p型氮化物半導(dǎo)體層的關(guān)系。
本發(fā)明的第一p型氮化物半導(dǎo)體中通常摻入p型雜質(zhì)，激光元件、大功率LED等以大電流使其驅(qū)動(dòng)時(shí)，為提高載流子移動(dòng)度而以高濃度摻雜。就具體摻雜量來說，摻入至少5×1016/cm3以上，最好摻入1×1018/cm3以上，在于所述大電流驅(qū)動(dòng)的元件，摻入1×1018/cm3以上，最好1×1019/cm3以上。p型雜質(zhì)量的上限雖然不被特別限定，但為1××1021/cm3以下。但是，p型雜質(zhì)量增多，體電阻就有變大的傾向，結(jié)果Vf上升，所以避免此時(shí)，最好是可以確保必需載流子移動(dòng)度的最低限度的p型雜質(zhì)濃度。另外，使用鎂等擴(kuò)散傾向強(qiáng)的p型雜質(zhì)時(shí)，也可以使第一p型氮化物半導(dǎo)體層以無摻雜生長(zhǎng)，利用來自其鄰接層，例如導(dǎo)光層等的雜質(zhì)擴(kuò)散摻雜。再者，使第一p型氮化物半導(dǎo)體層以無摻生長(zhǎng)，鄰接層或p型雜質(zhì)擴(kuò)散區(qū)域外p型雜質(zhì)摻雜層存在，在第一p型氮化物半導(dǎo)體層沒有雜質(zhì)擴(kuò)散的類的情況，即使非摻雜，如果形成如所述載流子可以適度隧穿的膜厚，則也可以以非摻雜設(shè)置。
除了以上之外，再加上在本發(fā)明的激光元件，接觸第一p型氮化物半導(dǎo)體層設(shè)置p型導(dǎo)光層時(shí)，利用來自第一p型氮化物半導(dǎo)體層的擴(kuò)散摻入p型雜質(zhì)，則成為優(yōu)異的導(dǎo)光層。此是根據(jù)波導(dǎo)層內(nèi)的p型雜質(zhì)在光波導(dǎo)成為光散射物質(zhì)，所以在可以確保導(dǎo)電性的范圍內(nèi)，盡量以低濃度有雜質(zhì)結(jié)果導(dǎo)致元件特性提高，很理想。然而，p型導(dǎo)光層生長(zhǎng)時(shí)摻入p型雜質(zhì)的方法，在可以向下抑制所述光損失的低濃度區(qū)域控制雜質(zhì)摻入有困難傾向成為問題。因?yàn)榈锇雽?dǎo)體元件一般具有按n型層/活性層/p型層順序?qū)盈B的結(jié)構(gòu)，但按此結(jié)構(gòu)使其生長(zhǎng)，因活性層中的InGaN等而在接著其后的層的生長(zhǎng)需要防止銦的分解等，一般使用使p型層的生長(zhǎng)溫度以700～900℃程度的低溫生長(zhǎng)的方法，低溫所以缺乏雜質(zhì)摻雜量的控制量。另外，作為p型雜質(zhì)，一般使用鎂，但有時(shí)摻雜量的控制比較困難，生長(zhǎng)時(shí)在所述低濃度區(qū)域摻入雜質(zhì)，就成為產(chǎn)生元件特性偏差的原因。
因此，第一p型氮化物半導(dǎo)體層考慮p型雜質(zhì)擴(kuò)散到導(dǎo)光層，在第一p型氮化物半導(dǎo)體層生長(zhǎng)時(shí)以高濃度摻入雜質(zhì)，擔(dān)負(fù)作為雜質(zhì)供給層的作用較佳。再者，在所述各實(shí)施形態(tài)，在接觸第一p型氮化物半導(dǎo)體層的阻擋層(所述第一阻擋層、阻擋層BL、第一P側(cè)阻擋層)摻入p型雜質(zhì)時(shí)也同樣可以使其起作用作為供給雜質(zhì)的層。
本發(fā)明的激光元件如實(shí)施例所示，設(shè)置脊峰(ridge)后，在脊峰側(cè)面形成成為嵌入層的絕緣膜。此時(shí)，就嵌入層來說，在此作為第二保護(hù)膜材料，除了二氧化硅以外的材料，最好以包含由包含鈦、釩、鋯、鈮、鉿、鉭的群所選擇的至少一種元素的氧化物、氮化硅、氮化硼、碳化硅、氮化鋁中的至少一種形成，其中尤以使用鋯、鉿的氧化物、氮化硼、碳化硅特別理想。再者，作為嵌入層，可以用半絕緣性、i型氮化物半導(dǎo)體、和脊背部相反的導(dǎo)電型、在實(shí)施例中n型氮化物半導(dǎo)體、作為電流狹窄層AlGaN等包含Al的氮化物半導(dǎo)體或利用InGaN等包含In的氮化物半導(dǎo)體以嵌入層為比波導(dǎo)路光吸收大的結(jié)構(gòu)，形成此光損失波導(dǎo)路結(jié)構(gòu)等。另外，也可以采取以下所述結(jié)構(gòu)利用蝕刻等，不設(shè)脊峰，注入硼、鋁等離子，以非注入?yún)^(qū)域?yàn)閹?，形成電流流?dòng)的區(qū)域。就此時(shí)所用的氮化物半導(dǎo)體來說，可以適當(dāng)使用以InxAl1-yGa1-x-yN(0≤x≤1、0≤y≤1、x+y1)表示的氮化物半導(dǎo)體。
另外，本發(fā)明的第一p型氮化物半導(dǎo)體層如所述，起作用作為載流子封閉，如實(shí)施例所示，在發(fā)光元件，不需要光封閉的覆蓋層而只設(shè)置載流子封閉的覆蓋層時(shí)，也可以適用第一p型氮化物半導(dǎo)體層作為覆蓋層。
再者，此第一p型氮化物半導(dǎo)體層為將電子封閉于活性層內(nèi)而在和活性層之間采取能帶偏離(band off set)，即比活性層增大帶隙能量，在兩者之間設(shè)置電位障壁，但在SCH結(jié)構(gòu)的激光元件，最好是比波導(dǎo)層大的帶隙能量。另外，設(shè)置由帶隙能量不同的二層以上的層構(gòu)成的覆蓋層時(shí)，在覆蓋層內(nèi)將第一p型氮化物半導(dǎo)體層配置在活性層側(cè)，最好比其他層增大帶隙能量設(shè)置。具體地說，可以形成以下所述結(jié)構(gòu)以帶隙能量大的第一p型氮化物半導(dǎo)體層為第一覆蓋層，比第一覆蓋層離活性層遠(yuǎn)地配置比其帶隙能量小的第二覆蓋層，例如在實(shí)施例1成為去掉波導(dǎo)層的結(jié)構(gòu)。
如以上說明，以第一p型氮化物半導(dǎo)體層為基礎(chǔ)思考所述第一阻擋層(最p側(cè)的阻擋層)，則在如圖8所示的帶結(jié)構(gòu)，利用擔(dān)負(fù)載流子封閉的第一p型氮化物半導(dǎo)體層決定到活性層的載流子封閉，在本發(fā)明可以從接觸第一p型氮化物半導(dǎo)體層的位置起作為活性層。即，最p側(cè)的阻擋層有和其他阻擋層不同的功能時(shí)，如所述，由于和載流子封閉的第一p型氮化物半導(dǎo)體層有密切的關(guān)系，所以從接觸第一p型氮化物半導(dǎo)體層的界面起可以看作活性層。如此，從接觸第一p型氮化物半導(dǎo)體層的位置起看作是活性層，則例如圖8B示的井層4，某些層介于第一阻擋層和第一p型氮化物半導(dǎo)體層之間時(shí)，也可以由本發(fā)明的第一阻擋層、最p側(cè)的阻擋層取得所述效果。具體地說，除了圖8B所示的形態(tài)之外，也可以在第一阻擋層和第一p型氮化物半導(dǎo)體層之間透過有這些中間的帶隙能量的層。再者，如所述，第一阻擋層、最p側(cè)的阻擋層因和其他阻擋層，例如夾入井層的阻擋層其功能大不相同而也可以形成不同的結(jié)構(gòu)、帶隙能量。
另外，就脊峰寬度來說，1μm以上3μm以下，最好是1.5μm以上2μm以下，作為光盤系統(tǒng)的光源，可以得到優(yōu)異光點(diǎn)形狀、射束形狀的激光光。另外，本發(fā)明的激光元件不限于脊峰結(jié)構(gòu)的折射率波導(dǎo)型，也可以是增益波導(dǎo)型，在脊峰方面，可以是利用再生長(zhǎng)嵌入脊峰側(cè)面的BH結(jié)構(gòu)或者利用再生長(zhǎng)嵌入脊峰的結(jié)構(gòu)，也可以是設(shè)置電流狹窄層的結(jié)構(gòu)，所述活性層對(duì)所有激光元件結(jié)構(gòu)都有效。
<第6實(shí)施形態(tài)>
在以上說明的氮化物半導(dǎo)體元件方面，在第4實(shí)施形態(tài)，是具有以有包含Al的氮化物半導(dǎo)體的上部覆蓋層和有包含Al的氮化物半導(dǎo)體的下部覆蓋層夾著量子井結(jié)構(gòu)的活性層的激光元件結(jié)構(gòu)的氮化物半導(dǎo)體元件，其特征在于所述上部覆蓋層、下部覆蓋層的Al的平均混晶比x為0＜x≤0.05。此以覆蓋層的鋁混晶比為0.05以下，緩和以上部覆蓋層、下部覆蓋層夾著的光波導(dǎo)路的封閉，以活性層的阻擋層、井層的膜厚比為所述范圍，可以一面抑制自激振蕩，一面使輸出特性、元件壽命提高。此以降低鋁混晶比使覆蓋層的折射率差降低，據(jù)此可以擴(kuò)大光波導(dǎo)路內(nèi)的光分布，成為即使高輸出也可以防止自激振蕩的激光元件，在5～100mW的輸出可以連續(xù)振蕩，得到適于光盤系統(tǒng)的讀取、寫入的元件特性的激光元件。此時(shí)，最好如圖3、4、6、7所示，在所述上部、下部覆蓋層和活性層之間有導(dǎo)光層，縮小覆蓋層的折射率差，即使擴(kuò)大光分布在波導(dǎo)層內(nèi)光也多分布，可以向下抑制光泄漏損失。
另外，在活性層中，井層為40以上的厚膜，膜厚比Rt在于1/3以上1以下的范圍時(shí)，在所述第1～4實(shí)施形態(tài)、第5實(shí)施形態(tài)也可以提高元件特性。對(duì)于此也是如何起作用而元件特性提高不清楚，但以往使用設(shè)置比井層十分厚的阻擋層提高在井層的發(fā)光再結(jié)合的機(jī)率的結(jié)構(gòu)。然而，在所述活性層形成超過40加厚井層，并且與井層比較使阻擋層變薄的結(jié)構(gòu)，通過井層厚，發(fā)光再結(jié)合的區(qū)域增加，設(shè)于井層間的阻擋層變薄，均勻注入載流子到各井層，發(fā)光再結(jié)合的機(jī)率提高。再者，在高輸出的元件，因以大電流驅(qū)動(dòng)而注入大量的載流子到井層，但通過井層厚，可以擴(kuò)大發(fā)光再結(jié)合的區(qū)域，通過阻擋層薄，有越過阻擋層均勻注入到各井層的傾向。
此時(shí)，井層的膜厚超過40，井層和阻擋層的膜厚比Rt(Rt＝[井層的膜厚]/[阻擋層的膜厚])為1/3以上1以下的范圍，則作為光盤系統(tǒng)的光源，可以得到優(yōu)異特性的激光元件。這是因?yàn)橐跃畬拥哪ず駷?0以上，如圖12所示，成為元件壽命長(zhǎng)的元件，在于所述范圍，有可以向下抑制RIN(相對(duì)雜訊強(qiáng)度)的傾向。最好是以井層的膜厚為50以上，可以再提高元件壽命。另外，Rt為1以上時(shí)，雖然RIN變大，但元件壽命長(zhǎng)，可以得到輸出大的激光元件，所以光盤系統(tǒng)以外的應(yīng)用可以能。在以上，阻擋層的膜厚超過40，如圖13所示，可以得到元件壽命長(zhǎng)的激光元件，很理想。
<第7實(shí)施形態(tài)井層數(shù)>
在以上說明的第1～6實(shí)施形態(tài)，以活性層中的井層數(shù)為1以上3以下，即使大電流的元件驅(qū)動(dòng)也可以得到優(yōu)異元件特性的氮化物半導(dǎo)體元件。此在以往作為活性層中的井層數(shù)，使用4～6程度者，但井層數(shù)增多，可以提高載流子再結(jié)合機(jī)率的反面，包含阻擋層數(shù)在內(nèi)，活性層全體膜厚必然變大，有Vf變大的傾向。再者，即使增多井層數(shù)，載流子再結(jié)合機(jī)率也不太變高實(shí)驗(yàn)的結(jié)果明確，特別是如LD，以大電流、高電流密度使其驅(qū)動(dòng)的元件的情況，該傾向特別顯著。例如LD的情況，在多重量子井結(jié)構(gòu)使井層數(shù)變化，通過井層數(shù)減少，有閾值電流下降的傾向，將井層數(shù)從6急劇減少到成為4之間，再在4到3之間平穩(wěn)減少，然后井層數(shù)在2或3的處取極小值，在1時(shí)，即單一量子井結(jié)構(gòu)，比2、3時(shí)稍高或有取2和3間的值的傾向。另外，關(guān)于高輸出的LED也顯出同樣的傾向。
在此，就各圖說明如下。圖2、3為本發(fā)明一實(shí)施形態(tài)的模式剖視圖，特別是在激光元件結(jié)構(gòu)，表示以n型層11和p型層13夾入活性層12的結(jié)構(gòu)。圖2有以下結(jié)構(gòu)以上部覆蓋層30和下部覆蓋層25夾著活性層12，在活性層12和上部覆蓋層30之間有為電子封閉層的第一p型氮化物半導(dǎo)體層28，活性層12的量子井結(jié)構(gòu)是以阻擋層2a/井層1a為一對(duì)而反復(fù)進(jìn)行層疊，最后設(shè)置阻擋層2c。圖3與圖2相比不同的點(diǎn)，是在上部、下部覆蓋層30、25和活性層12之間有上部、下部導(dǎo)光層29、26。圖4～8、10表示活性層12或活性層周邊的層疊結(jié)構(gòu)20和在其層疊結(jié)構(gòu)20下與其對(duì)應(yīng)的能帶隙21。圖4、6是活性層的量子井結(jié)構(gòu)在膜厚有非對(duì)稱結(jié)構(gòu)，和其相反，圖5、7有對(duì)稱結(jié)構(gòu)，圖4、5是活性層內(nèi)的井層數(shù)為3，圖6、7為2，圖5為不包含導(dǎo)光層，圖4、7、8為有導(dǎo)光層的結(jié)構(gòu)層。圖8為層疊活性層12和p型層13的結(jié)構(gòu)，表示p型層13內(nèi)的第一p型氮化物半導(dǎo)體層28、配置在活性層、最靠近p型層一側(cè)的阻擋層2c及配置在比該阻擋層2c接近n型層的側(cè)的井層1b的關(guān)系。
<第8實(shí)施形態(tài)>
在本發(fā)明中，第8實(shí)施形態(tài)可以得到適于DVD、CD等光盤系統(tǒng)的光源的高速響應(yīng)特性、RIN的激光元件。具體地說，在量子井結(jié)構(gòu)的活性層有第一阻擋層(最p側(cè)的阻擋層)和第二阻擋層時(shí)，以第二阻擋層和井層的膜厚比Rt為0.5≤Rt≤3的范圍。此時(shí)，第一阻擋層(最p側(cè)的阻擋層)和第二阻擋層與所述實(shí)施形態(tài)同樣。特別是在此膜厚比方面，第二阻擋層在MQW夾入井層的阻擋層，即井層間的距離重要。如所述，由于在最p側(cè)的阻擋層和其他阻擋層有不同的功能，所以影響所述響應(yīng)特性、RIN的阻擋層是所述最p側(cè)的阻擋層(第一阻擋層)以外的阻擋層重要，特別是在MQW，夾入井層的阻擋層和井層的膜厚比會(huì)使所述特性大幅受到影響。如果膜厚比Rt在于所述范圍，則成為光盤系統(tǒng)的光源佳的激光元件，如果小于0.5，則阻擋層的膜厚比井層過大，特別有響應(yīng)特性惡化的傾向，而超過3，則特別使RIN受到不良影響，在高頻重疊下有成為雜訊大的光源的傾向。最好是0.8≤Rt≤2，成為所述各特性優(yōu)異的激光元件。另外，此時(shí)井層的膜厚dw分別最好是40≤dw≤100。因?yàn)槿鐝膱D12得知，在所述各實(shí)施形態(tài)，井層越是厚膜，越可以實(shí)現(xiàn)優(yōu)異的元件壽命，另一方面，如果膜厚超過100，則響應(yīng)特性、RIN的惡化變大，有不適于光盤系統(tǒng)的光源的傾向。另外，最好是60≤dw≤80。這是因?yàn)樵跒樵勖硗庠u(píng)價(jià)的惡化速度評(píng)價(jià)方面，井層的膜厚變大，則有惡化速度降低的傾向，但在60以上80以下的區(qū)域增大井層的膜厚，顯出急劇的降低，在超過80的區(qū)域則有平緩降低的傾向。另外，就阻擋層(第二阻擋層)膜厚db來說，由圖13的膜厚和元件壽命的關(guān)系，40以上可以形成優(yōu)異元件壽命的激光元件。
該實(shí)施形態(tài)最好和所述1～7實(shí)施形態(tài)組合適用。另外，所述第二阻擋層在圖6、7所示的形態(tài)，是至少活性層中的阻擋層，適用于所述最p側(cè)的阻擋層(第一阻擋層)2c以外的阻擋層的任一阻擋層，最好如所述，適用于夾入井層的阻擋層2b，最好是適用于除了所述最p側(cè)的阻擋層之外的全部阻擋層將導(dǎo)致所述特性提高，很理想。以下，就本案發(fā)明的實(shí)施例加以說明。
以下，作為實(shí)施例，就使用如圖8所示的激光元件結(jié)構(gòu)的氮化物半導(dǎo)體的激光元件加以說明。
在此，在本實(shí)施例使用GaN基板，但作為基板也可以使用和氮化物半導(dǎo)體不同的異種基板。就異種基板來說，例如以C面、R面及A面的任一面為主面的藍(lán)寶石、尖晶石(MgAl2O4的類的)絕緣性基板、SiC(包含6H、4H、3C)、ZnS、ZnO、GaAs、Si及與氮化物半導(dǎo)體晶格匹配的氧化物基板等可以使氮化物半導(dǎo)體生長(zhǎng)，是所習(xí)知，可以使用和氮化物半導(dǎo)體不同的基板材料。就較佳的異種基板來說，可以舉藍(lán)寶石、尖晶石。另外，異種基板也可以傾斜(off-angle)，這種情況使用傾斜成階梯狀者，由氮化鎵構(gòu)成的底層生長(zhǎng)使其結(jié)晶性佳地生長(zhǎng)，很理想。再者，使用異種基板時(shí)，可以在異種基板上使成為元件結(jié)構(gòu)形成前的底層的氮化物半導(dǎo)體生長(zhǎng)后，利用研磨等方法除去異種基板，作為氮化物半導(dǎo)體的單體基板形成元件結(jié)構(gòu)，或者也可以是元件結(jié)構(gòu)形成后除去異種基板的方法。
使用異種基板時(shí)，透過由緩沖層(低溫生長(zhǎng)層)、氮化物半導(dǎo)體(最好是GaN)構(gòu)成的底層形成元件結(jié)構(gòu)，氮化物半導(dǎo)體的生長(zhǎng)優(yōu)異。另外，作為設(shè)于異種基板上的底層(生長(zhǎng)基板)，其他使用ELOG(Epitaxially LaterallyOvergrowth)生長(zhǎng)的氮化物半導(dǎo)體，可以得到結(jié)晶性優(yōu)異的生長(zhǎng)基板。就ELOG生長(zhǎng)層的具體例來說，在異種基板上使氮化物半導(dǎo)體層生長(zhǎng)，將在其表面設(shè)置氮化物半導(dǎo)體生長(zhǎng)困難的保護(hù)膜等形成的罩幕區(qū)域和使氮化物半導(dǎo)體生長(zhǎng)的非罩幕區(qū)域設(shè)置成帶狀，通過從其非罩幕區(qū)域使氮化物半導(dǎo)體生長(zhǎng)，除了向膜厚方向生長(zhǎng)之外，還向橫向生長(zhǎng)，在罩幕區(qū)域也氮化物半導(dǎo)體生長(zhǎng)而有成膜的層等。其他形態(tài)，在使其生長(zhǎng)于異種基板上的氮化物半導(dǎo)體層設(shè)置開口部，進(jìn)行從其開口部側(cè)面向橫向的生長(zhǎng)而成膜的層也可以。
(基板101)作為基板，使生長(zhǎng)于異種基板的氮化物半導(dǎo)體，在本實(shí)施例為GaN，以厚膜(100μm)生長(zhǎng)后，除去異種基板，使用由80μm的GaN構(gòu)成的氮化物半導(dǎo)體基板?；宓脑敿?xì)形成方法如下。將由2英寸f、以C面為主面的藍(lán)寶石構(gòu)成的異種基板放置于MOVPE反應(yīng)容器內(nèi)，以溫度為500℃，使用三甲基鎵(TMG)、氨(NH3)，使由GaN構(gòu)成的緩沖層以200的膜厚生長(zhǎng)，其后提高溫度，使無摻雜的GaN以1.5μm的膜厚生長(zhǎng)而成為底層。其次，在底層表面形成多數(shù)帶狀罩幕，從罩幕開口部(窗部)使氮化物半導(dǎo)體，在本實(shí)施例為GaN選擇生長(zhǎng)，使由伴隨橫向生長(zhǎng)的生長(zhǎng)(ELOG)所成膜的氮化物半導(dǎo)體層再以厚膜生長(zhǎng)，除去異種基板、緩沖層、底層，得到氮化物半導(dǎo)體基板。此時(shí)，選擇生長(zhǎng)時(shí)的罩幕由二氧化硅構(gòu)成，罩幕寬度15μm，開口部(窗部)寬度5μm。
(緩沖層102)在氮化物半導(dǎo)體基板上，以溫度為1050℃，使用TMG(三甲基鎵)、TMA(三甲基鋁)、氨，使由Al0.05Ga0.95N構(gòu)成的緩沖層102以4μm的膜厚生長(zhǎng)。此層在AlGaN的n型接觸層和由GaN構(gòu)成的氮化物半導(dǎo)體基板之間起作用作為緩沖層。其次，在由氮化物半導(dǎo)體構(gòu)成的底層上層疊成為元件結(jié)構(gòu)的各層。
具體地說，橫向生長(zhǎng)層或使用其形成的基板為GaN時(shí)，使用由比其熱膨脹是數(shù)小的氮化物半導(dǎo)體的AlaGa1-aN(0＜a≤1)構(gòu)成的緩沖層102，可以使坑(pit)減少。最好設(shè)于為氮化物半導(dǎo)體的橫向生長(zhǎng)層的GaN上。再者，緩沖層102的鋁混晶比為0＜a＜0.3，則可以使結(jié)晶性優(yōu)異形成緩沖層?？梢孕纬纱司彌_層作為n側(cè)接觸層，也可以是下述形態(tài)形成緩沖層102后，形成以所述緩沖層組成式表示的n側(cè)接觸層，使緩沖層102和其上的n側(cè)接觸層104都具有緩沖效果。即，此緩沖層102設(shè)于使用橫向生長(zhǎng)的氮化物半導(dǎo)體基板、形成于其上的橫向生長(zhǎng)層和元件結(jié)構(gòu)之間、元件結(jié)構(gòu)中的活性層和橫向生長(zhǎng)層(基板)或和形成于其上的橫向生長(zhǎng)層(基板)之間，最好是在元件結(jié)構(gòu)中的基板側(cè)、下部覆蓋層和橫向生長(zhǎng)層(基板)之間設(shè)置至少一層以上，可以減少坑(pit)，使元件特性提高。此緩沖層在本發(fā)明可以在活性層中，特別是所述厚膜的包含In的氮化物半導(dǎo)體形成使結(jié)晶性優(yōu)異，所以最好設(shè)置緩沖層。
(n型接觸層103)其次在所得到的緩沖層102上使用TMG、TMA、氨、硅烷氣體作為雜質(zhì)氣體，使以1050℃摻入硅的由Al0.05Ga0.95N構(gòu)成的n型接觸層103以4μm的膜厚生長(zhǎng)。
(防裂層104)其次使用TMG、TMI(三甲基銦)、氨，以溫度為800℃，使由In0.06Ga0.94N構(gòu)成的防裂層104以0.15μm的膜厚生長(zhǎng)。而且，此防裂層可以省略。
(n型覆蓋層105)其次以溫度為1050℃，在原料氣體使用TMA、TMG及氨，使由無摻雜的Al0.05Ga0.95N構(gòu)成的A層以25的膜厚生長(zhǎng)，接著停止TMA，使用硅烷氣體作為雜質(zhì)氣體，使由摻入5×1018/cm3硅的GaN構(gòu)成的B層以25的膜厚生長(zhǎng)。然后，將此操作分別反復(fù)進(jìn)行200次而A層和B層層疊，使由總膜厚1μm的多層膜(超晶格結(jié)構(gòu))構(gòu)成的n型覆蓋層106生長(zhǎng)。此時(shí)，就無摻雜AlGaN的鋁混晶比來說，如果是0.05以上0.3以下的范圍，則可以設(shè)置充分起作用作為覆蓋層的折射率差。
(n型導(dǎo)光層106)其次以同樣的溫度在原料氣體使用TMG及氨，使由無摻雜的GaN構(gòu)成的n型導(dǎo)光層106以0.15μm的膜厚生長(zhǎng)。另外，也可以摻入n型雜質(zhì)。
(活性層107)其次以溫度為800℃，在原料氣體使用TMI(三甲基銦)、TMG及氨，使用硅烷氣體作為雜質(zhì)氣體，將由摻入5×1018/cm3硅的In0.05Ga0.95N構(gòu)成的阻擋層(B)以140的膜厚，停止硅烷氣體，將由無摻雜的In0.1Ga0.9N構(gòu)成的井層(W)以25的膜厚，按(B)/(W)/(B)/(W)的順序?qū)盈B此阻擋層(B)、井層(W)。最后，作為最上部的阻擋層，在原料氣體使用TMI(三甲基銦)、TMG及氨，使無摻雜的In0.05Ga0.95N以140的膜厚生長(zhǎng)。活性層107成為總膜厚約470的多重量子井結(jié)構(gòu)(MQW)。
(p型電子封閉層108第一p型氮化物半導(dǎo)體層)其次以同樣的溫度在原料氣體使用TMA、TMG及氨，使用Cp2Mg(環(huán)戊二烯合鎂)，使由摻入1×1019/cm3鎂的Al0.3Ga0.7N構(gòu)成的p型電子封閉層108以100的膜厚生長(zhǎng)。此層也可以不特別設(shè)置，但設(shè)置可以起作用作為電子封閉，有助于閾值降低。另外，在此p型雜質(zhì)的鎂從p型電子封閉層108擴(kuò)散到鄰接其的最上部阻擋層，成為摻入5～10×1016/cm3程度鎂到最上部阻擋層的狀態(tài)。
(p型導(dǎo)光層109)其次以溫度為1050℃，在原料氣體使用TMG及氨，使由無摻雜的GaN構(gòu)成的p型導(dǎo)光層109以0.15μm的膜厚生長(zhǎng)。
該p型導(dǎo)光層109雖然作為無摻雜使其生長(zhǎng)，但通過來自p型電子封閉層108、p型覆蓋層109等鄰接層的鎂擴(kuò)散，鎂濃度成為5×1016/cm3，表示p型。另外，此層在生長(zhǎng)時(shí)特意摻入鎂也可以。
(p型覆蓋層110)接著以1050℃使由無摻雜Al0.05Ga0.95N構(gòu)成的層以25的膜厚生長(zhǎng)，接著停止TMA，使用Cp2Mg使由摻入鎂的GaN構(gòu)成的層以25的膜厚生長(zhǎng)，將其反復(fù)進(jìn)行90次而使由總膜厚0.45μm的超晶格層構(gòu)成的p型覆蓋層110生長(zhǎng)。p型覆蓋層至少一方包括包含Al的氮化物半導(dǎo)體層，以層疊帶隙能量互相不同的氮化物半導(dǎo)體層的超晶格制作時(shí)，雜質(zhì)多摻入任何一方的層，進(jìn)行所謂的調(diào)制摻雜，則有結(jié)晶性優(yōu)異的傾向，但兩方相同般地?fù)诫s也可以。覆蓋層110希望是包含Al的氮化物半導(dǎo)體層，較好是包含AlxGa1-xN(0＜x＜1)的超晶格結(jié)構(gòu)，最好是層疊GaN和AlGaN的超晶格結(jié)構(gòu)。通過以p側(cè)覆蓋層110為超晶格結(jié)構(gòu)，可以提高覆蓋層全體的鋁混晶比，所以覆蓋層本身的折射率變小，并且?guī)赌芰孔兇?，所以在使閾值降低上非常有效。再者，通過形成超晶格，在覆蓋層本身產(chǎn)生的坑(pit)比不形成超晶格者少，所以短路的發(fā)生也低。
(p型接觸層111)最后以1050℃在p型覆蓋層110上使由摻入1×1020/cm3鎂的p型GaN構(gòu)成的p型接觸層111以150的膜厚生長(zhǎng)。P型接觸層111可以用p型InxAlYGa1-x-yN(0≤x、0≤y、x+y≤1)構(gòu)成，較好是如果是摻入鎂的GaN，則和p電極120可以得到最好的電阻性接觸。由于接觸層111是形成電極的層，所以希望是1×1017/cm3以上的高載流子濃度。如果比1×1017/cm3低，則有和電極得到優(yōu)異電阻性困難的傾向。再者，如果以接觸層的組成為GaN，則和電極材料容易得到優(yōu)異電阻性。反應(yīng)結(jié)束后，在反應(yīng)容器內(nèi)將晶片在氮?dú)夥罩幸?00℃進(jìn)行退火(annealing)，使p型層進(jìn)一步低電阻化。
如以上使氮化物半導(dǎo)體生長(zhǎng)，層疊各層后，由反應(yīng)容器取出晶片，在最上層的p型接觸層表面形成由二氧化硅構(gòu)成保護(hù)膜，使用RIE(反應(yīng)性離子蝕刻)，利用四氯化硅氣體蝕刻，如圖1所示，使為了形成n電極的n型接觸層103表面露出。如此要深深地蝕刻氮化物半導(dǎo)體，二氧化硅最適合作為保護(hù)膜。
其次，形成脊峰條帶作為所述帶狀波導(dǎo)路區(qū)域。首先，在最上層的p型接觸層(上部接觸層)大致全面利用PVD裝置以0.5μm的膜厚形成由硅氧化物(主要是二氧化硅)構(gòu)成的第一保護(hù)膜161后，在第一保護(hù)膜161上施加預(yù)定形狀的罩幕，利用RIE(反應(yīng)性離子蝕刻)裝置，使用四氟化碳?xì)怏w，通過微影技術(shù)形成條帶寬度1.6μm的第一保護(hù)膜161。此時(shí)，脊峰條帶高度(蝕刻深度)是蝕刻p型接觸層111及p型覆蓋層109、p型導(dǎo)光層110一部分，蝕刻到p型導(dǎo)光層109膜厚成為0.1μm的深度而形成。
其次，脊峰條帶形成后，從第一保護(hù)膜161上將由鋯氧化物(主要是二氧化鋯)構(gòu)成的第二保護(hù)膜162在第一保護(hù)膜161上和由蝕刻所露出的p型導(dǎo)光層109上以0.5μm的膜厚連續(xù)形成。
第二保護(hù)膜162形成后，將晶片以600℃熱處理。如此形成二氧化硅以外的材料作為第二保護(hù)膜時(shí)，在第二保護(hù)膜成膜后，通過以300℃以上，最好是400℃以上，氮化物半導(dǎo)體的分解溫度以下(1200℃)熱處理，第二保護(hù)膜對(duì)于第一保護(hù)膜的溶解材料(氫氟酸)難以溶解，所以更希望增加此工序。
其次，將晶片浸入氫氟酸，利用卸下法(lift-off)除去第一保護(hù)膜161。據(jù)此，除去設(shè)于p型接觸層111上的第一保護(hù)膜161，露出p型接觸層。如以上，如圖1所示，在脊峰條帶側(cè)面及接著其的平面(p型導(dǎo)光層109露出面)形成第二保護(hù)膜162。
如此，除去設(shè)于p型接觸層112上的第一保護(hù)膜161后，如圖1所示，在其露出的p型接觸層111表面形成由鎳/金構(gòu)成的p電極120。但是，p電極120作為100μm的條帶寬度，如圖1所示，遍及第二保護(hù)膜162上形成。第二保護(hù)膜162形成后，在已使其露出的n型接觸層103表面將由鈦/鋁構(gòu)成的帶狀n電極121在和條帶平行的方向形成。
其次，在為形成n電極而蝕刻露出的面，為在p、n電極設(shè)置取出電極而給希望區(qū)域掩蓋，設(shè)置由二氧化硅和二氧化鈦構(gòu)成的絕緣多層膜164后，在p、n電極上分別設(shè)置由鎳-鈦-金(1000-1000-8000)構(gòu)成的取出(小塊)電極122、123。此時(shí)，活性層107寬度為200μm的寬度(與諧振器方向垂直方向的寬度)，在諧振器面(反射面?zhèn)?也設(shè)置由二氧化硅和二氧化鈦構(gòu)成的絕緣多層膜。
如以上形成n電極和p電極后，在與帶狀電極垂直方向，在氮化物半導(dǎo)體的M面(GaN的M面、(11-00)等)分割成棒狀，再分割棒狀晶片而得到激光元件。此時(shí)，諧振器長(zhǎng)為650μm。
如此得到的激光元件成為圖7所示的層疊結(jié)構(gòu)20及帶隙能量圖，相當(dāng)于所述第1、2、4、5實(shí)施形態(tài)。成為棒狀時(shí)，可以在夾入蝕刻端面的波導(dǎo)路區(qū)域內(nèi)劈開，以得到的劈開面為諧振器面，也可以在波導(dǎo)路區(qū)域外劈開而以蝕刻端面為諧振器面，也可以形成以一方為蝕刻端面、以他方為劈開面的一對(duì)諧振器面。另外，雖然在所述蝕刻端面的諧振面設(shè)置由絕緣多層膜構(gòu)成的反射膜，但也可以在劈開面的諧振器面也劈開后設(shè)置反射膜。此時(shí)，就反射膜來說，使用由SiO2、TiO2、ZrO2、ZnO、Al2O3、MgO、聚醯亞胺構(gòu)成的群的至少一種，可以是以λ/4n(λ為波長(zhǎng)，n為材料折射率)的膜厚層疊的多層膜，也可以只用一層，也可以也使其起作用作為和反射膜同時(shí)防止諧振器端面露出的表面保護(hù)膜。要使其起作用作為表面保護(hù)膜，也可以以λ/2n的膜厚形成。另外，也可以是下述激光元件在元件加工工序不形成蝕刻端面，即只使n電極形成面(n側(cè)接觸層)露出，以一對(duì)劈開面為諧振器面。
再分割棒狀晶片時(shí)也可以使用氮化物半導(dǎo)體(單體基板)的劈開面，可以在六方晶系在近似的M面、A面({1010})劈開與劈開成棒狀時(shí)的劈開面垂直的氮化物半導(dǎo)體(GaN)，取出晶片，或者也可以在劈開成棒狀時(shí)使用氮化物半導(dǎo)體的A面。
在室溫下，在閾值2.8kA/cm2、5～30mW的輸出可以得到振蕩波長(zhǎng)405nm的連續(xù)振蕩的激光元件。所得到的激光元件的元件壽命與比較例1相比，在60℃、5mW的連續(xù)振蕩可以得到相當(dāng)于2～3倍的2000～3000小時(shí)的元件壽命。另外，在反向耐壓特性方面，與比較例1相比，就反向耐壓進(jìn)行檢查的結(jié)果，許多激光元件不被破壞，再提高電壓，在100V即使在檢查也得到不被破壞，與比較例1相比，顯出大約2倍的反向耐壓特性提高。
在實(shí)施例1中，活性層中的阻擋層內(nèi)，摻入1×1018/cm3鎂形成位于活性層和p型電子封閉層的界面的阻擋層(最后層疊的阻擋層、位于最p側(cè)的阻擋層)之外，同樣進(jìn)行而得到激光元件。所得到的激光元件與實(shí)施例1相比，利用所述最后阻擋層摻入許多鎂。另外，其特性在元件壽命、反耐壓特性方面，得到大致同等的特性。
除了按下述條件形成活性層之外，和實(shí)施例1同樣制作氮化物半導(dǎo)體元件。
(活性層107)其次，以溫度為800℃，在原料氣體使用TMI(三甲基銦)、TMG及氨，使用硅烷氣體作為雜質(zhì)氣體，將由摻入5×1018/cm3硅的In0.05Ga0.95N構(gòu)成的阻擋層(B)以140的膜厚，停止硅烷氣體，將由無摻雜的In0.1Ga0.9N構(gòu)成的井層(W)以40的膜厚，按(B)/(W)/(B)/(W)的順序?qū)盈B此阻擋層(B)、井層(W)。最后，作為最后阻擋層，在原料氣體使用TMI(三甲基銦)、TMG及氨，使無摻雜的In0.05Ga0.95N生長(zhǎng)。活性層107成為總膜厚約500的多重量子井結(jié)構(gòu)(MQW)。
在室溫下，在閾值2.8kA/cm2、5～30mW的輸出可以得到振蕩波長(zhǎng)405nm的連續(xù)振蕩的激光元件。所得到的激光元件的元件壽命在60℃、5mW的連續(xù)振蕩成為5000～6000小時(shí)。此在室溫相當(dāng)于接近十萬(wàn)小時(shí)的元件壽命。另外，就反向耐壓來說，得到約45V。
在實(shí)施例3，活性層中的阻擋層內(nèi)，摻入1×1018/cm3鎂形成位于活性層和p型電子封閉層的界面的阻擋層(最后阻擋層)之外，同樣進(jìn)行而得到激光元件。所得到的激光元件與實(shí)施例3相比，利用所述最后阻擋層摻入許多鎂。另外，其特性在元件壽命、反向耐壓特性方面，得到大致同等的特性。
在實(shí)施例1中，以井層的膜厚為55。其結(jié)果所得到的激光元件與實(shí)施例1相比，元件壽命大幅度地提高，按50℃、30mW的條件使其連續(xù)振蕩的結(jié)果，可以得到1000～2000小時(shí)的長(zhǎng)壽命的激光元件。
再者，同樣地將實(shí)施例1的井層的膜厚增加為60、80、90，元件壽命有與膜厚大致成比例增加的傾向，另一方面，可以確認(rèn)井層的膜厚增加而活性層全體膜厚增加而Vf、閾值電流增加。然而，任一情況與比較例1相比，都有非常優(yōu)異的元件壽命。另外，關(guān)于Vf、閾值電流，活性層全體膜厚有關(guān)系，取決于其層疊結(jié)構(gòu)，不能一概而論，但如實(shí)施例1，井層數(shù)少成2層時(shí)，在多重量子井結(jié)構(gòu)不太大幅取決于最小井層數(shù)、井層的膜厚變化，Vf、閾值電池上升被向下抑制，在比實(shí)施例1稍大的程度平穩(wěn)下來，在LD的連續(xù)振蕩不至于重大元件特性惡化。因此，井層的膜厚在40以上可以謀求元件特性提高，較好是50以上，可以更顯著大幅長(zhǎng)壽命化。另外，此時(shí)如果以井層的膜厚為50以上，則可以在輸出80mW振蕩，可以得到100mW的輸出。
在實(shí)施例1中，以最后阻擋層(位于最上部的阻擋層)為150的膜厚的結(jié)果，元件壽命有比實(shí)施例1長(zhǎng)的傾向。此被認(rèn)為如圖9A及9B所示，最上部阻擋層2c變厚，井層1b和p型電子封閉層28的距離dB必然變大，如所述，因第一p型氮化物半導(dǎo)體層(p型電子封閉層)為高電阻而在元件驅(qū)動(dòng)時(shí)比其他層成為高的溫度，可以能分開此層和井層，保護(hù)井層不受溫度上升的不良影響，以優(yōu)異的振蕩特性進(jìn)行激光振蕩所致。
在實(shí)施例1中，活性層以阻擋層的膜厚70按阻擋層/井層/阻擋層/井層的順序?qū)盈B，最后層疊膜厚140的阻擋層。此時(shí)，使井層的膜厚成22.5、45、90、130變化，將按50℃、30mW的條件使其連續(xù)振蕩時(shí)的元件壽命表示于圖12。如從圖可以明白，隨著井層的膜厚增加，元件壽命增大，可以得到優(yōu)異元件壽命的激光元件。此時(shí)，在井層的膜厚45、90、130，和實(shí)施例5同樣，30mW以上的高輸出振蕩可以能，90、130時(shí)，可以得到在80～100mW的輸出可以能的激光元件。
在實(shí)施例1中，活性層以井層的膜厚45按阻擋層/井層/阻擋層/井層的順序?qū)盈B，最后層疊膜厚140的阻擋層。此時(shí)，使最后層疊的阻擋層以外的阻擋層的膜厚成22.5、45、90、135變化，將按50℃、30mW的條件使其連續(xù)振蕩時(shí)的元件壽命表示于圖13。如從圖可以明白，如果阻擋層的膜厚增加，則即使從50附近使膜厚增加，元件壽命也成為大致一定，顯出不變化的傾向。因此，得知作為阻擋層，形成至少40以上，在本發(fā)明的氮化物半導(dǎo)體元件可以實(shí)現(xiàn)優(yōu)異的元件壽命。
在實(shí)施例1中，以覆蓋層多層膜的AlGaN層的鋁混晶比為0.1之外，同樣進(jìn)行而得到激光元件。所得到的激光元件是覆蓋層的Al的平均混晶比為0.05，以30mW在單一模式、連續(xù)振蕩可以觀測(cè)到自激振蕩。再者，如果以覆蓋層多層膜中的AlGaN的鋁混晶比為0.15，則此時(shí)覆蓋層的Al的平均混晶比成為約0.78，比Al的平均混晶比為0.05時(shí)證實(shí)明顯以高的機(jī)率自激振蕩。因此，覆蓋層的Al的平均混晶比為0.05以下，最好是0.025或是0.03以下，可以得到確實(shí)無自激振蕩的激光元件。
在實(shí)施例1中，使最上部阻擋層(配置在最靠近p型層一側(cè)的阻擋層)以150的膜厚使其生長(zhǎng)之外，和實(shí)施例1同樣進(jìn)行而得到激光元件。所得到的激光元件與實(shí)施例1相比，雖然稍微但顯出元件壽命上升的傾向。反的，以最上部阻擋層為100的膜厚的激光元件與實(shí)施例1相比，元件壽命大幅降低。
在實(shí)施例1中，除了不設(shè)置p型電子封閉層108而在活性層107上直接設(shè)置p型導(dǎo)光層109之外，和實(shí)施例1同樣進(jìn)行而得到激光元件。所得到的激光元件雖然Vf降低約1V左右，但閾值電流卻急劇上升，在激光元件中也顯出振蕩困難。此被認(rèn)為不包含高電阻的第一p型氮化物半導(dǎo)體層(p型電子封閉層108)，雖然Vf降低，但電子封閉于活性層內(nèi)成為困難，導(dǎo)致閾值急劇上升。
在實(shí)施例1中，以井層數(shù)為3層，以阻擋層數(shù)為4層，如圖4所示，形成層疊的活性層之外，和實(shí)施例1同樣進(jìn)行而得到激光元件。所得到的激光元件與實(shí)施例1相比，因活性層全體膜厚變大而Vf上升，并且井層數(shù)多，顯出閾值電流也稍微上升的傾向。再者，阻擋層/井層交互層疊，最后層疊阻擋層，形成阻擋層5層、井層4層的活性層，比井層為2層、3層時(shí)明顯閾值電流上升，并且Vf也變高。
在此，在圖4，以最初阻擋層(第二n側(cè)阻擋層)2a和最后阻擋層(第一p側(cè)阻擋層)2d為膜厚140，以阻擋層2b、2c膜厚為100時(shí)(圖5所示的活性層結(jié)構(gòu))比所述圖5的情況，元件特性的偏差，特別是元件壽命的晶片間的偏差減少，顯出可以得到優(yōu)異元件特性的激光元件的傾向。
在實(shí)施例1中，以活性層中的阻擋層全部為摻入硅之外，同樣進(jìn)行而得到激光元件。所得到的激光元件在60℃、5mW輸出的連續(xù)振蕩，成為1000小時(shí)的元件壽命。另外，就所得到的激光元件的反向耐壓特性評(píng)價(jià)的結(jié)果，激光元件的大部分在反向耐壓50V的條件被破壞。在此，使在活性層中最后層疊的阻擋層的硅摻雜量成1×1017、1×1018、1×1019/cm3變化，調(diào)查元件壽命和反耐壓特性的變化，表示于圖14、15。在圖中所謂無摻雜，與實(shí)施例1對(duì)應(yīng)。如從圖可以明白，得知摻入硅到在活性層內(nèi)配置在最靠近p型層一側(cè)的阻擋層，隨著摻雜量變多，元件壽命、反耐壓特性降低，元件特性惡化。
對(duì)于所得到的激光元件利用SIMS(二次離子質(zhì)量分析法)等分析的結(jié)果，活性層中的阻擋層內(nèi)，在位于和p型電子封閉層的界面的最上部阻擋層(位于最靠近p型層一側(cè)的阻擋層)檢測(cè)出硅和鎂。因此，所得到的激光元件有在所述最上部阻擋層摻入硅和鎂的狀態(tài)，此情況與在實(shí)施例1所得到的激光元件相比，被認(rèn)為是其特性大幅降低的原因。然而，如圖14、15所示，使硅摻雜量變化時(shí)，因鎂摻雜量不變化而元件特性降低被認(rèn)為主要是起因于n型雜質(zhì)。
在實(shí)施例1中，取代活性層107，使用圖10及以下說明的活性層407得到激光元件。
(活性層407)以溫度為880℃，在原料氣體使用TMI、TMG及氨，使用硅烷氣體作為雜質(zhì)氣體，使用摻入5×1018/cm3硅的In0.01Ga0.09N構(gòu)成的第一阻擋層401a以100的膜厚生長(zhǎng)。接著將溫度降到820℃，停止硅烷氣體，使由無摻雜的In0.3Ga0.7N構(gòu)成的井層402a以50的膜厚生長(zhǎng)。再以同溫度使用TMA，使由Al0.3Ga0.7N構(gòu)成的第二阻擋層403a以10的膜厚生長(zhǎng)。如圖10所示，再反復(fù)進(jìn)行一次這些第一阻擋層401a、井層402a、第二阻擋層403a的三層結(jié)構(gòu)而層疊各層401b、402b、403b，最后以膜厚140形成無摻雜的In0.01Ga0.99N作為最上部的阻擋層404，形成由總膜厚460的多重量子井(MQW)構(gòu)成的活性層407。此時(shí)，p型雜質(zhì)的鎂從鄰接的p型電子封閉層108擴(kuò)散到位于最靠近p型層一側(cè)的最上部阻擋層404，成為有鎂的阻擋層。所得到的激光元件可以得到波長(zhǎng)470nm的光，成為高輸出、長(zhǎng)壽命的激光元件。此時(shí)，就設(shè)于井層上部的第二阻擋層來說，是包含Al的氮化物半導(dǎo)體，最好是以AlzGa1-zN(0＜z≤1)表示的氮化物半導(dǎo)體，在井層形成適度的凹凸，產(chǎn)生銦偏析或濃度分布，據(jù)此可以得到量子點(diǎn)或量子細(xì)線的效果，比不設(shè)第二阻擋層的情況成為高輸出的氮化物半導(dǎo)體元件。此時(shí)，鋁混晶比z為0.3以上，有優(yōu)異產(chǎn)生井層凹凸的傾向，很理想。此時(shí)，第二阻擋層即使不特別接觸井層設(shè)置，也可以得到同樣的效果。另外，接觸井層位于下部的阻擋層如第一阻擋層，是不包含Al的阻擋層，可以結(jié)晶性優(yōu)異地形成井層，很理想。
如下制作圖9A及9B所示的發(fā)光元件。
將由藍(lán)寶石(C面)構(gòu)成的基板301放置于MOVPE的反應(yīng)容器內(nèi)，一面使氫流動(dòng)，一面使基板溫度上升到1050℃，進(jìn)行基板的清洗。
(緩沖層302)接著，將溫度降到510℃，在載氣使用氫，在原料氣體使用氨、TMG(三甲基鎵)及TMA(三甲基鋁)，在基板301上使由GaN構(gòu)成的緩沖層302以約150的膜厚生長(zhǎng)。
(底層303)緩沖層302生長(zhǎng)后，只停止TMG，使溫度上升到1050℃。達(dá)到1050℃，在同原料氣體使用TMG、氨氣，使由無摻雜GaN構(gòu)成的底層303以1.5μm的膜厚生長(zhǎng)。此底層303起作用作為使氮化物半導(dǎo)體生長(zhǎng)的基板。
(n型接觸層304)接著，以1050℃在同原料氣體使用TMG、氨氣，在雜質(zhì)氣體使用硅烷氣體，使由摻入4.5×1018/cm3硅的GaN構(gòu)成的n型接觸層304以2.25μm的膜厚生長(zhǎng)。
(n側(cè)第一多層膜層305)其次，只停止硅烷氣體，以1050℃使用TMG、氨氣，使由無摻雜GaN構(gòu)成的下層305a生長(zhǎng)，接著以同溫度追加硅烷氣體，使由摻入4.5×1018/cm3硅的GaN構(gòu)成的中間層305b以300的膜厚生長(zhǎng)，再接著只停止硅烷氣體，以同溫度使由無摻雜GaN構(gòu)成的上層305c以50的膜厚生長(zhǎng)，使由305a/305b/305c的三層構(gòu)成的總膜厚3350的第一多層膜層305生長(zhǎng)。
(n側(cè)第二多層膜層306)其次，以同樣溫度使由無摻雜GaN構(gòu)成的第二氮化物半導(dǎo)體層生長(zhǎng)40，其次以溫度為800℃，使用TMG、TMI、氨，使由無摻雜In0.13Ga0.87N構(gòu)成的第一氮化物半導(dǎo)體層生長(zhǎng)20。反復(fù)進(jìn)行這些操作，按第二氮化物半導(dǎo)體層+第一氮化物半導(dǎo)體層的順序使其交互各層疊十層，最后使由GaN構(gòu)成的第二氮化物半導(dǎo)體層生長(zhǎng)40后使由所形成的超晶格結(jié)構(gòu)的多層膜構(gòu)成的n側(cè)第二多層膜層306以640的膜厚生長(zhǎng)。
(活性層307)其次，使由GaN構(gòu)成的阻擋層以250的膜厚生長(zhǎng)，接著以溫度為800℃，使用TMG、TMI、氨，使由無摻雜In0.3Ga0.7N構(gòu)成的井層以30的膜厚生長(zhǎng)。然后，按阻擋層B1/井層/阻擋層B2/井層/阻擋層B3/井層/阻擋層B4/井層/阻擋層B5/井層/阻擋層B6/井層/阻擋層B7的順序以阻擋層為7層，以井層為6層，交互層疊，使由總膜厚1930的多重量子井結(jié)構(gòu)構(gòu)成的活性層307生長(zhǎng)。此時(shí)，摻入1×1017/cm3硅到阻擋層B1、B2，剩余的阻擋層Bi(i＝3、4、…7)以無摻雜形成。
(p型多層膜覆蓋層308)其次，以溫度1050℃使用TMG、TMA、氨、Cp2Mg(環(huán)戊二烯合鎂)，使由摻入1×1020/cm3鎂的p型Al0.2Ga0.8N構(gòu)成的第三氮化物半導(dǎo)體層以40的膜厚生長(zhǎng)，接著以溫度為800℃使用TMG、TMI、氨、Cp2Mg，使由摻入1×1020/cm3鎂的In0.03Ga0.97N構(gòu)成的第四氮化物半導(dǎo)體層以25的膜厚生長(zhǎng)。反復(fù)進(jìn)行這些操作，按第三氮化物半導(dǎo)體層+第四氮化物半導(dǎo)體層的順序交互各層疊5層，最后使第三氮化物半導(dǎo)體層以40的膜厚生長(zhǎng)的使由超晶格結(jié)構(gòu)的多層膜構(gòu)成的p型多層膜覆蓋層308以365的膜厚生長(zhǎng)。
(p型GaN接觸層310)接著，以1050℃使用TMG、氨、Cp2Mg，使由摻入1×1020/cm3鎂的p型GaN構(gòu)成的p型接觸層310以700的膜厚生長(zhǎng)。
反應(yīng)結(jié)束后，將溫度降到室溫，再在氮?dú)夥罩?，將晶片在反?yīng)容器內(nèi)以700℃進(jìn)行退火，使p型層進(jìn)一步低電阻化。
退火后，從反應(yīng)容器取出晶片，在最上層的p型接觸層310表面形成預(yù)定形狀的罩幕，用RIE(反應(yīng)性離子蝕刻)裝置從p型接觸層側(cè)進(jìn)行蝕刻，如圖9A及9B所示，使n型接觸層4表面露出。
蝕刻后，在最上層的p型接觸層310大致全面將包含膜厚200的鎳和金的透光性p電極311及其p電極311上由焊接用的金構(gòu)成的p墊片電極以0.5μm的膜厚形成。另一方面，在利用蝕刻使其露出的n型接觸層304表面形成包含鎢和鋁的n電極312，得到發(fā)光元件。所得到的發(fā)光元件在最接近n型層的阻擋層B1和其其次的阻擋層B2摻入n型雜質(zhì)，可以有效注入來自n型層的載流子到活性層的深處(p型層側(cè))，比以全部阻擋層為無摻雜的比較例2，光電變換效率提高，Vf及漏電流減少，發(fā)光輸出提高。
在實(shí)施例14的活性層中，在位于最p側(cè)的阻擋層B7摻入1×1018/cm3鎂作為p型雜質(zhì)之外，和實(shí)施例14同樣進(jìn)行而得到發(fā)光元件。所得到的發(fā)光元件與實(shí)施例14相比，在最上部的阻擋層B7有p型雜質(zhì)，來自p型層的載流子注入也有效率，光電變換效率提高，發(fā)光輸出也提高。
在實(shí)施例14中，活性層中的全部阻擋層、井層都以無摻雜使其生長(zhǎng)之外，和實(shí)施例14同樣進(jìn)行而得到發(fā)光元件。所得到的發(fā)光元件與實(shí)施例14相比，發(fā)光輸出低，并有元件壽命差的傾向。
現(xiàn)就圖11所示的面發(fā)光型激光元件說明如下。
(基板501)使用和用于實(shí)施例1的氮化物半導(dǎo)體基板101同樣的基板501。
在氮化物半導(dǎo)體基板501上，作為反射膜530，交互分別各層疊3層由AlN構(gòu)成的第一層531和由GaN構(gòu)成的第二層532。此時(shí)，各層以滿足λ/(4n)(但是λ為光波長(zhǎng)、n為材料折射率)式的膜厚設(shè)置，在此n＝2(AlN)、2.5(GaN)，以第一層約500、第二層約400的膜厚形成各膜厚。此時(shí)，氮化物半導(dǎo)體的反射膜可以使用將第一、二層以InxAlYGa1-x-yN(0≤x≤1、0≤y≤1、x+y＝1)表示的氮化物半導(dǎo)體，氮化物半導(dǎo)體的反射膜最好使用交互層疊將第一、二層以AlxGa1-xN(0≤x≤1)表示的組成不同的氮化物半導(dǎo)體多層膜，此時(shí)形成一層以上各層，形成一對(duì)以上第一層/第二層的對(duì)。具體地說，可以AlGaN/AlGaN、GaN/AlGaN、AlGaN/AlN、GaN/AlN等形成第一層/第二層。如果是AlxGa1-xN/AlYGa1-yN(0＜x、x＜y＜1)，則為AlGaN多層膜，所以可以縮小熱膨脹是數(shù)差，可以結(jié)晶性優(yōu)異地形成，如果是GaN/AlYGa1-yN(0＜Y＜1)，則可以形成利用GaN層改善結(jié)晶性的多層膜。另外，如果增大鋁組成比的差(y-x)，則第一層和第二層的折射率差變大，反射率變高，具體地說，y-x≥0.3，最好是y-x≥0.5，可以形成反射率高的多層膜反射膜。另外，和實(shí)施例1同樣，作為多層膜層，通過形成AlYGa1-yN(0＜y≤1)，作為緩沖層102起作用，可以得到坑(pit)減少效果。
接著，按照和實(shí)施例2(井層55)同樣的條件層疊n型接觸層533、活性層534、p型電子封閉層(未圖示)、p型接觸層535，設(shè)置有圓形開口部的由二氧化硅構(gòu)成的屏蔽層(block)536，從該圓形開口部使鎂摻雜GaN生長(zhǎng)，形成第二p型接觸層537。此時(shí)，p型接觸層535、第二p型接觸層537也可以只形成任何一方。在該第二p型接觸層537上形成由二氧化硅/二氧化鈦構(gòu)成的絕緣多層膜，作為反射膜538，在所述屏蔽層536的開口部上設(shè)置成圓形狀。然后，蝕刻到n型接觸層533露出的深度，在露出的n型接觸層533上形成環(huán)形n電極521，在第二p型接觸層537上形成包圍反射膜538周圍的p電極520。這樣一來，所得的面發(fā)光型激光元件和實(shí)施例2同樣，可以得到元件壽命長(zhǎng)、高輸出的激光元件。
在實(shí)施例1中，形成下述活性層、p側(cè)覆蓋層之外，同樣進(jìn)行而得到激光元件。
(活性層107)將由摻入5×1018/cm3硅的In0.05Ga0.95N構(gòu)成的阻擋層(B)以70的膜厚，停止硅烷氣體，將由無摻雜的In0.1Ga0.9N構(gòu)成的井層(W)以70的膜厚，按(B)/(W)/(B)/(W)的順序?qū)盈B此阻擋層(B)、井層(W)。最后，作為最上部的阻擋層，在原料氣體使用TMI(三甲基銦)，使無摻雜的In0.05Ga0.95N以150的膜厚生長(zhǎng)。活性層107形成總膜厚約430的多重量子井結(jié)構(gòu)(MQW)。
(p型覆蓋層110)接著，使由無摻雜Al0.05Ga0.95N構(gòu)成的層以25的膜厚、使由鎂摻雜GaN構(gòu)成的層以25的膜厚生長(zhǎng)，將其反復(fù)進(jìn)行90次而使由總膜厚0.45μm的超晶格層構(gòu)成的p型覆蓋層110生長(zhǎng)。
這樣一來，所得到的激光元件，在活性層中，除了配置在最靠近p型層一側(cè)的阻擋層之外的阻擋層和井層的比Rt為1，但有圖12所示的井層的膜厚和元件壽命的關(guān)系，成為可以實(shí)現(xiàn)高輸出、長(zhǎng)壽命的激光元件，并且所述阻擋層(夾入n側(cè)阻擋層或井層的阻擋層)膜厚變小，在光盤系統(tǒng)可以得到優(yōu)異響應(yīng)特性、RIN的激光元件。另外，通過比n側(cè)覆蓋層還增大p側(cè)覆蓋層的鋁混晶比，與嵌入層162的折射率變小，可以形成橫向封閉小的有效折射率型激光元件，可以形成直到高輸出區(qū)域不產(chǎn)生曲折的激光元件。作為p側(cè)覆蓋層，最好是設(shè)平均組成為AlxGa1-xN，設(shè)Al的平均混晶比x為0＜x≤0.1，據(jù)此就可以得到抑制曲折產(chǎn)生的激光元件。
本發(fā)明的氮化物半導(dǎo)體元件成為壽命特性優(yōu)異(元件壽命長(zhǎng))，并且能大幅度地提高使用以往被視為問題的氮化物半導(dǎo)體的元件的脆弱反向耐壓特性，可以得到高輸出的氮化物半導(dǎo)體元件。另外，在本發(fā)明的氮化物半導(dǎo)體元件，即使作為激光元件時(shí)也可以得到同樣的特性提高，而且成為無自激振蕩的優(yōu)異的激光元件。
權(quán)利要求
1.一種氮化物半導(dǎo)體元件，具有以p型氮化物半導(dǎo)體層和n型氮化物半導(dǎo)體層夾著具有由包含In的氮化物半導(dǎo)體構(gòu)成的井層和由氮化物半導(dǎo)體構(gòu)成的阻擋層的量子井結(jié)構(gòu)的活性層的結(jié)構(gòu)，其特征在于所述活性層作為所述阻擋層，具有配置在最接近所述p型氮化物半導(dǎo)體層的位置上的第一阻擋和與該第一阻擋層不同的第二阻擋層，并且，所述第一阻擋層實(shí)質(zhì)上不包含n型雜質(zhì)，所述第二阻擋層包含n型雜質(zhì)。
2.如權(quán)利要求1所述的氮化物半導(dǎo)體元件，其特征在于所述第一阻擋層的膜厚比所述第二阻擋層的膜厚大。
3.如權(quán)利要求1所述的氮化物半導(dǎo)體元件，其特征在于所述活性層具有L個(gè)(L≥2)所述阻擋層；當(dāng)以配置在最接近所述n型氮化物半導(dǎo)體層的位置上的阻擋層為阻擋層B1，從該阻擋層B1向所述p型氮化物半導(dǎo)體層計(jì)數(shù)，以第i個(gè)(i＝1、2、3、…L)阻擋層為阻擋層Bi時(shí)，從i＝1到i＝n(1＜n＜L)的阻擋層Bi包含n型雜質(zhì)。
4.如權(quán)利要求1所述的氮化物半導(dǎo)體元件，其特征在于除了所述第一阻擋層之外的全部阻擋層包含n型雜質(zhì)。
5.如權(quán)利要求1所述的氮化物半導(dǎo)體元件，其特征在于所述第一阻擋層配置在所述活性層的最外側(cè)。
6.如權(quán)利要求1所述的氮化物半導(dǎo)體元件，其特征在于所述第二阻擋層配置在接近所述活性層內(nèi)的所述n型氮化物半導(dǎo)體層的最外側(cè)的位置上。
7.如權(quán)利要求6所述的氮化物半導(dǎo)體元件，所述第一阻擋層的膜厚與所述第二阻擋層的膜厚大致相同。
8.如權(quán)利要求7所述的氮化物半導(dǎo)體元件，其特征在于所述活性層具有2個(gè)以上的井層，在該井層和井層之間具有第三阻擋層，并且，所述第三阻擋層的膜厚比所述第一p側(cè)阻擋層和所述第二n側(cè)阻擋層的膜厚小。
9.如權(quán)利要求1所述的氮化物半導(dǎo)體元件，其特征在于所述活性層內(nèi)的至少一個(gè)井層具有40以上的膜厚。
10.如權(quán)利要求1所述的氮化物半導(dǎo)體元件，其特征在于所述第一阻擋層具有p型雜質(zhì)。
11.如權(quán)利要求1所述的氮化物半導(dǎo)體元件，其特征在于所述第一阻擋層包含5×1016cm-3以上1×1019cm-3以下的p型雜質(zhì)。
12.如權(quán)利要求1所述的氮化物半導(dǎo)體元件，其特征在于所述第一阻擋層為p型或i型。
13.如權(quán)利要求1所述的氮化物半導(dǎo)體元件，其特征在于所述第一阻擋層不摻入雜質(zhì)而使其生長(zhǎng)，通過來自所述p型氮化物半導(dǎo)體層的擴(kuò)散而包含p型雜質(zhì)。
14.如權(quán)利要求1所述的氮化物半導(dǎo)體元件，其特征在于按照所述n型氮化物半導(dǎo)體層、所述活性層以及所述p型氮化物半導(dǎo)體層的順序?qū)盈B。
15.如權(quán)利要求1所述的氮化物半導(dǎo)體元件，其特征在于所述p型氮化物半導(dǎo)體層具有由平均混晶比x為0＜x≤0.05的包含Al的氮化物半導(dǎo)體構(gòu)成的上部覆蓋層，所述n型氮化物半導(dǎo)體層具有由平均混晶比x為0＜x≤0.05的包含Al的氮化物半導(dǎo)體構(gòu)成的下部覆蓋層，具有激光元件結(jié)構(gòu)。
16.如權(quán)利要求1所述的氮化物半導(dǎo)體元件，其特征在于在所述p型氮化物半導(dǎo)體層中，鄰接活性層有第一p型氮化物半導(dǎo)體層，該第一p型氮化物半導(dǎo)體層由包含Al的氮化物半導(dǎo)體構(gòu)成。
17.如權(quán)利要求16所述的氮化物半導(dǎo)體元件，其特征在于所述第一p型氮化物半導(dǎo)體層是接觸最接近所述p型氮化物半導(dǎo)體層的阻擋層而設(shè)置的，摻入比所述活性層中的阻擋層更高濃度的p型雜質(zhì)而生長(zhǎng)。
18.如權(quán)利要求1所述的氮化物半導(dǎo)體元件，其特征在于在所述活性層中，井層數(shù)為1以上3以下的范圍。
19.一種氮化物半導(dǎo)體元件，其特征在于所述第二阻擋層是夾入井層而配置的，所述井層和第二阻擋層的膜厚比Rt(＝[井層的膜厚]/[阻擋層的膜厚])為0.5≤Rt≤3的范圍。
20.一種氮化物半導(dǎo)體元件，其特征在于所述井層的膜厚dw為40?！躣w≤100的范圍，所述第二阻擋層的膜厚db為db≥40的范圍。
21.如權(quán)利要求1所述的氮化物半導(dǎo)體元件，其特征在于所述p型氮化物半導(dǎo)體層具有由包含Al的氮化物半導(dǎo)體構(gòu)成的上部覆蓋層，所述n型氮化物半導(dǎo)體層具有由氮化物半導(dǎo)體構(gòu)成的下部覆蓋層，該上部覆蓋層的Al的平均混晶比比下部覆蓋層大。
22.如權(quán)利要求1所述的氮化物半導(dǎo)體元件，其特征在于所述上部覆蓋層的Al的平均混晶比x為0＜x≤0.1的范圍。
23.如權(quán)利要求1所述的氮化物半導(dǎo)體元件，其特征在于所述p型氮化物半導(dǎo)體層具有接觸所述活性層而成為電子封閉層的第一p型氮化物半導(dǎo)體層，活性層具有距離第一p型氮化物半導(dǎo)體層的距離dB為100以上400以下的范圍的井層，在該距離dB內(nèi)具有第一阻擋層。
全文摘要
本發(fā)明作為夾入p型氮化物半導(dǎo)體層11、n型氮化物半導(dǎo)體層13的活性層12，至少具有具有n型雜質(zhì)的阻擋層2a；由包含In的氮化物半導(dǎo)體構(gòu)成的井層1a；具有p型雜質(zhì)的、或者以無摻雜而使其生長(zhǎng)的阻擋層2c，通過配置該阻擋層2作為最接近p型層一側(cè)的阻擋層，就可以注入適當(dāng)?shù)妮d流子到活性層12。
文檔編號(hào)H01L33/06GK1440579SQ01812428
公開日2003年9月3日 申請(qǐng)日期2001年7月6日 優(yōu)先權(quán)日2000年7月7日
發(fā)明者小崎德也 申請(qǐng)人:日亞化學(xué)工業(yè)株式會(huì)社