窒化ガリウム系化合物半導体レーザダイオード
【目的】 窒化ガリウム系化合物半導体レーザダイオードにおけるレーザ発振をし易くすると共に閾値電流を下げること。
【構成】 サファイア基板１１上には、 ＡlＮ層１２、Ｓi ドープｎ型 ＧaＮ層（ｎ層）１３、Ｓi ドープｎ型ＡlＧaＮ層（ｎ層）１４、Ｓi ドープｎ型 ＧaＮ層１５、アンドープＡlＧaＮ層１６、Ｍg ドープｐ型ＡlＧaＮ層（ｐ層）１７及びＭg ドープｐ型 ＧaＮ層（ｐ層）１８が順次積層され形成されている。又、上記 ＧaＮ層１３及び ＧaＮ層１８とにはそれぞれ金属電極１３ａ，１８ａが形成されている。この構成によれば、ＡlＧaＮ層１７からの不純物Ｍg の拡散をアンドープＡlＧaＮ層１６にて吸収して防止できる。これにより、本発明の半導体レーザダイオードは、不安定な高エネルギー状態が作り易くなり誘導放出を利用したレーザ発振がし易くなると共にその閾値電流を下げることができる。
【構成】 サファイア基板１１上には、 ＡlＮ層１２、Ｓi ドープｎ型 ＧaＮ層（ｎ層）１３、Ｓi ドープｎ型ＡlＧaＮ層（ｎ層）１４、Ｓi ドープｎ型 ＧaＮ層１５、アンドープＡlＧaＮ層１６、Ｍg ドープｐ型ＡlＧaＮ層（ｐ層）１７及びＭg ドープｐ型 ＧaＮ層（ｐ層）１８が順次積層され形成されている。又、上記 ＧaＮ層１３及び ＧaＮ層１８とにはそれぞれ金属電極１３ａ，１８ａが形成されている。この構成によれば、ＡlＧaＮ層１７からの不純物Ｍg の拡散をアンドープＡlＧaＮ層１６にて吸収して防止できる。これにより、本発明の半導体レーザダイオードは、不安定な高エネルギー状態が作り易くなり誘導放出を利用したレーザ発振がし易くなると共にその閾値電流を下げることができる。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、窒化ガリウム系化合物半導体レーザダイオードの成膜中における拡散防止構造に関する。
【０００２】
【従来技術】従来、短波長レーザダイオードであるサファイア基板を用いた窒化ガリウム系化合物半導体レーザダイオード１０は、図２の模式図に示したような積層された結晶成長膜構造である。サファイア基板１上には、 ＡlＮ層２、Ｓi ドープｎ型 ＧaＮ層（ｎ層）３、Ｓi ドープｎ型ＡlＧaＮ層（ｎ層）４、Ｓi ドープｎ型 ＧaＮ層５、Ｍg ドープｐ型ＡlＧaＮ層（ｐ層）６及びＭg ドープｐ型 ＧaＮ層（ｐ層）７が順次積層され形成されている。この積層された結晶成長膜では、活性層であるＳi ドープｎ型 ＧaＮ層５とＭg ドープｐ型ＡlＧaＮ層（ｐ層）６とが隣合って形成されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】上述の結晶成長膜中において、Ｍg ドープＡlＧaＮ層から活性層であるＳi ドープＧaＮ層 中にＭg が拡散するという現象がある。このＭg は、活性層内ではアクセプタ（半導体の電子受容体）として働くため、電流注入を行った場合の発光は、主として、Ｄ（ドナー）−Ａ（アクセプタ）間のペア発光が支配的となる。すると、バンド間遷移の発光は僅かとなるため、レーザ発振に至らない又は閾値電流がかなり高くなってしまうという問題があった。
【０００４】本発明は、上記の課題を解決するために成されたものであり、その目的とするところは、窒化ガリウム系化合物半導体レーザダイオードにおけるレーザ発振をし易くすると共に閾値電流を下げることである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するための発明の構成は、ｎ型導電性を示す窒化ガリウム系化合物半導体（ＡlYＧa1-YＮ：０≦Ｙ≦１）から成るｎ層と、ｐ型導電性を示す窒化ガリウム系化合物半導体（ＡlYＧa1-YＮ：０≦Ｙ≦１）から成るｐ層と、前記ｎ層と前記ｐ層との間にアンドープの窒化ガリウム系化合物半導体（ＡlxＧa1-xＮ：０≦Ｘ≦Ｙ≦１）から成る拡散防止層とを有することを特徴とする。
【０００６】
【作用及び効果】上記の手段によれば、ｐ層にドープされた物質はｎ層の方向に拡散しようとするが、そのｐ層に隣接したアンドープ（不純物のドーピングなし）の窒化ガリウム系化合物半導体から成る拡散防止層に吸収されることとなる。このため、ｐ層とｎ層とは完全に分離され、Ｄ（ドナー）−Ａ（アクセプタ）ペアの発光確率を少なくすることが可能となる。これにより、本発明の窒化ガリウム系化合物半導体レーザダイオードは、不安定な高エネルギー状態が作り易くなり誘導放出を利用したレーザ発振がし易くなると共にその閾値電流を下げることができる。
【０００７】
【実施例】以下、本発明を具体的な実施例に基づいて説明する。図１は本発明に係るサファイア基板を用いた窒化ガリウム系化合物半導体レーザダイオード１００の構造を示した模式図である。サファイア基板１１上には、 ＡlＮ層１２、Ｓi ドープｎ型 ＧaＮ層（ｎ層）１３、Ｓi ドープｎ型ＡlYＧa1-YＮ層（ｎ層）１４、Ｓi ドープｎ型 ＧaＮ層１５、アンドープＡlxＧa1-xＮ層１６、Ｍg ドープｐ型ＡlYＧa1-YＮ層（ｐ層）１７及びＭg ドープｐ型 ＧaＮ層（ｐ層）１８が順次積層され形成されている。尚、上記Ｘ，Ｙの化学量論は、０≦Ｘ≦Ｙ≦１である。又、１３ａ，１８ａはＳi ドープｎ型 ＧaＮ層（ｎ層）１３及びＭg ドープｐ型 ＧaＮ層（ｐ層）１８とにそれぞれ形成された金属電極である。
【０００８】次に、その製造方法について説明する。尚、本実施例の半導体レーザダイオード用単結晶の作製には横型有機金属化合物気相成長装置を用いた。（０００１）面を結晶成長面とするサファイア基板１１を有機洗浄の後、結晶成長装置の結晶成長部に設置する。成長炉を真空排気の後、水素（Ｈ2)を供給し1200℃程度まで昇温する。これによりサファイア基板１１の表面に付着していた炭化水素系ガスがある程度取り除かれる。
【０００９】次に、サファイア基板１１の温度を 600℃程度まで降温し、トリメチルアルミニウム〔Ａl(ＣＨ3)3〕 （以下、ＴＭＡという）及びアンモニア（ＮＨ3)を供給して、サファイア基板１１上に50nm程度の膜厚を持つ ＡlＮ層１２を形成する。次に、ＴＭＡの供給のみを止め、基板温度を1150℃まで上げ、トリメチルガリウム〔Ｇa(ＣＨ3)3〕 （以下、ＴＭＧという）及びシラン（ＳiＨ4）及びＮＨ3を供給し、厚さ2000nmのＳi ドープｎ型 ＧaＮ層（ｎ層）１３を成長する。次に、基板温度を1150℃に保持して、ＴＭＧ及びＳiＨ4及びＮＨ3 の供給にＴＭＡを加え、厚さ 400nmのＳi ドープｎ型ＡlYＧa1-YＮ層（ｎ層）１４を成長する。
【００１０】次に、ＴＭＡの供給のみを止め、基板温度を1150℃に保持したまま、ＴＭＧ、ＳiＨ4及びＮＨ3 を供給し、厚さ 400nmのＳi ドープｎ型 ＧaＮ層（ｎ層）１５を成長する。次に、基板温度を1150℃に保持したまま、ＳiＨ4の供給を止め、ＴＭＧ及びＮＨ3 の供給にＴＭＡを加え、厚さ 200nm未満のアンドープＡlxＧa1-xＮ層１６を成長する。次に、基板温度を1150℃に保持したまま、ＴＭＡ、ＴＭＧ及びＮＨ3 の供給にビスシクロペンタディエニルマグネシウム（Ｃp2Ｍg)を加え、厚さ 400nmのＭgドープｐ型ＡlYＧa1-YＮ層（ｐ層）１７を成長する。次に、ＴＭＡの供給のみを止め、基板温度を1150℃に保持したまま、Ｃp2Ｍg、ＴＭＧ及びＮＨ3 を供給し、厚さ 200nmのＭg ドープｐ型 ＧaＮ層（ｐ層）１８を成長する。
【００１１】次に、Ｍg ドープｐ型 ＧaＮ層（ｐ層）１８上にＥＢ(Electron Beam) 蒸着により厚さ 500nmのＳiＯ2絶縁膜１９を形成した後、バッファードフッ酸を用いて部分的にＳiＯ2絶縁膜１９を除去し幅10μm のストライプ部分を形成する。このストライプ部分のＭg ドープｐ型 ＧaＮ層（ｐ層）１８と上記Ｓi ドープｎ型 ＧaＮ層（ｎ層）１３とにそれぞれ金属電極１８ａ，１３ａを形成する。
【００１２】最後に、真空チャンバに移して、Ｍg ドープｐ型ＡlYＧa1-YＮ層（ｐ層）１７に電子線照射処理を行う。典型的な電子線照射処理条件は、電子線加速電圧：15ＫＶ，エミッション電流： 120μＡ以上，電子線スポット径：φ60μm ，試料温度： 297Ｋである。
【００１３】上述したように構成された窒化ガリウム系化合物半導体レーザダイオード１００は、Ｍg ドープｐ型ＡlYＧa1-YＮ層（ｐ層）１７からの不純物Ｍg の拡散をアンドープＡlxＧa1-xＮ層１６にて吸収して防止できる。このため、活性層であるＳi ドープｎ型 ＧaＮ層（ｎ層）１５とクラッド層であるＭg ドープｐ型ＡlYＧa1-YＮ層（ｐ層）１７とが分離できる。従って、本発明の窒化ガリウム系化合物半導体レーザダイオードは、不安定な高エネルギー状態が作り易くなり誘導放出を利用したレーザ発振がし易くなると共にその閾値電流を下げることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の具体的な一実施例に係る窒化ガリウム系化合物半導体レーザダイオードの構造を示した模式図である。
【図２】従来の窒化ガリウム系化合物半導体レーザダイオードの構造を示した模式図である。
【符号の説明】
１１…サファイア基板
１２… ＡlＮ層
１３…Ｓi ドープｎ型 ＧaＮ層（ｎ層）
１４…Ｓi ドープｎ型ＡlYＧa1-YＮ層（ｎ層）
１５…Ｓi ドープｎ型 ＧaＮ層（ｎ層）
１６…アンドープＡlxＧa1-xＮ層（拡散防止層）
１７…Ｍg ドープｐ型ＡlYＧa1-YＮ層（ｐ層）
１８…Ｍg ドープｐ型 ＧaＮ層（ｐ層）
１９…ＳiＯ2絶縁膜
１３ａ，１８ａ…電極
１００…窒化ガリウム系化合物半導体レーザダイオード
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、窒化ガリウム系化合物半導体レーザダイオードの成膜中における拡散防止構造に関する。
【０００２】
【従来技術】従来、短波長レーザダイオードであるサファイア基板を用いた窒化ガリウム系化合物半導体レーザダイオード１０は、図２の模式図に示したような積層された結晶成長膜構造である。サファイア基板１上には、 ＡlＮ層２、Ｓi ドープｎ型 ＧaＮ層（ｎ層）３、Ｓi ドープｎ型ＡlＧaＮ層（ｎ層）４、Ｓi ドープｎ型 ＧaＮ層５、Ｍg ドープｐ型ＡlＧaＮ層（ｐ層）６及びＭg ドープｐ型 ＧaＮ層（ｐ層）７が順次積層され形成されている。この積層された結晶成長膜では、活性層であるＳi ドープｎ型 ＧaＮ層５とＭg ドープｐ型ＡlＧaＮ層（ｐ層）６とが隣合って形成されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】上述の結晶成長膜中において、Ｍg ドープＡlＧaＮ層から活性層であるＳi ドープＧaＮ層 中にＭg が拡散するという現象がある。このＭg は、活性層内ではアクセプタ（半導体の電子受容体）として働くため、電流注入を行った場合の発光は、主として、Ｄ（ドナー）−Ａ（アクセプタ）間のペア発光が支配的となる。すると、バンド間遷移の発光は僅かとなるため、レーザ発振に至らない又は閾値電流がかなり高くなってしまうという問題があった。
【０００４】本発明は、上記の課題を解決するために成されたものであり、その目的とするところは、窒化ガリウム系化合物半導体レーザダイオードにおけるレーザ発振をし易くすると共に閾値電流を下げることである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するための発明の構成は、ｎ型導電性を示す窒化ガリウム系化合物半導体（ＡlYＧa1-YＮ：０≦Ｙ≦１）から成るｎ層と、ｐ型導電性を示す窒化ガリウム系化合物半導体（ＡlYＧa1-YＮ：０≦Ｙ≦１）から成るｐ層と、前記ｎ層と前記ｐ層との間にアンドープの窒化ガリウム系化合物半導体（ＡlxＧa1-xＮ：０≦Ｘ≦Ｙ≦１）から成る拡散防止層とを有することを特徴とする。
【０００６】
【作用及び効果】上記の手段によれば、ｐ層にドープされた物質はｎ層の方向に拡散しようとするが、そのｐ層に隣接したアンドープ（不純物のドーピングなし）の窒化ガリウム系化合物半導体から成る拡散防止層に吸収されることとなる。このため、ｐ層とｎ層とは完全に分離され、Ｄ（ドナー）−Ａ（アクセプタ）ペアの発光確率を少なくすることが可能となる。これにより、本発明の窒化ガリウム系化合物半導体レーザダイオードは、不安定な高エネルギー状態が作り易くなり誘導放出を利用したレーザ発振がし易くなると共にその閾値電流を下げることができる。
【０００７】
【実施例】以下、本発明を具体的な実施例に基づいて説明する。図１は本発明に係るサファイア基板を用いた窒化ガリウム系化合物半導体レーザダイオード１００の構造を示した模式図である。サファイア基板１１上には、 ＡlＮ層１２、Ｓi ドープｎ型 ＧaＮ層（ｎ層）１３、Ｓi ドープｎ型ＡlYＧa1-YＮ層（ｎ層）１４、Ｓi ドープｎ型 ＧaＮ層１５、アンドープＡlxＧa1-xＮ層１６、Ｍg ドープｐ型ＡlYＧa1-YＮ層（ｐ層）１７及びＭg ドープｐ型 ＧaＮ層（ｐ層）１８が順次積層され形成されている。尚、上記Ｘ，Ｙの化学量論は、０≦Ｘ≦Ｙ≦１である。又、１３ａ，１８ａはＳi ドープｎ型 ＧaＮ層（ｎ層）１３及びＭg ドープｐ型 ＧaＮ層（ｐ層）１８とにそれぞれ形成された金属電極である。
【０００８】次に、その製造方法について説明する。尚、本実施例の半導体レーザダイオード用単結晶の作製には横型有機金属化合物気相成長装置を用いた。（０００１）面を結晶成長面とするサファイア基板１１を有機洗浄の後、結晶成長装置の結晶成長部に設置する。成長炉を真空排気の後、水素（Ｈ2)を供給し1200℃程度まで昇温する。これによりサファイア基板１１の表面に付着していた炭化水素系ガスがある程度取り除かれる。
【０００９】次に、サファイア基板１１の温度を 600℃程度まで降温し、トリメチルアルミニウム〔Ａl(ＣＨ3)3〕 （以下、ＴＭＡという）及びアンモニア（ＮＨ3)を供給して、サファイア基板１１上に50nm程度の膜厚を持つ ＡlＮ層１２を形成する。次に、ＴＭＡの供給のみを止め、基板温度を1150℃まで上げ、トリメチルガリウム〔Ｇa(ＣＨ3)3〕 （以下、ＴＭＧという）及びシラン（ＳiＨ4）及びＮＨ3を供給し、厚さ2000nmのＳi ドープｎ型 ＧaＮ層（ｎ層）１３を成長する。次に、基板温度を1150℃に保持して、ＴＭＧ及びＳiＨ4及びＮＨ3 の供給にＴＭＡを加え、厚さ 400nmのＳi ドープｎ型ＡlYＧa1-YＮ層（ｎ層）１４を成長する。
【００１０】次に、ＴＭＡの供給のみを止め、基板温度を1150℃に保持したまま、ＴＭＧ、ＳiＨ4及びＮＨ3 を供給し、厚さ 400nmのＳi ドープｎ型 ＧaＮ層（ｎ層）１５を成長する。次に、基板温度を1150℃に保持したまま、ＳiＨ4の供給を止め、ＴＭＧ及びＮＨ3 の供給にＴＭＡを加え、厚さ 200nm未満のアンドープＡlxＧa1-xＮ層１６を成長する。次に、基板温度を1150℃に保持したまま、ＴＭＡ、ＴＭＧ及びＮＨ3 の供給にビスシクロペンタディエニルマグネシウム（Ｃp2Ｍg)を加え、厚さ 400nmのＭgドープｐ型ＡlYＧa1-YＮ層（ｐ層）１７を成長する。次に、ＴＭＡの供給のみを止め、基板温度を1150℃に保持したまま、Ｃp2Ｍg、ＴＭＧ及びＮＨ3 を供給し、厚さ 200nmのＭg ドープｐ型 ＧaＮ層（ｐ層）１８を成長する。
【００１１】次に、Ｍg ドープｐ型 ＧaＮ層（ｐ層）１８上にＥＢ(Electron Beam) 蒸着により厚さ 500nmのＳiＯ2絶縁膜１９を形成した後、バッファードフッ酸を用いて部分的にＳiＯ2絶縁膜１９を除去し幅10μm のストライプ部分を形成する。このストライプ部分のＭg ドープｐ型 ＧaＮ層（ｐ層）１８と上記Ｓi ドープｎ型 ＧaＮ層（ｎ層）１３とにそれぞれ金属電極１８ａ，１３ａを形成する。
【００１２】最後に、真空チャンバに移して、Ｍg ドープｐ型ＡlYＧa1-YＮ層（ｐ層）１７に電子線照射処理を行う。典型的な電子線照射処理条件は、電子線加速電圧：15ＫＶ，エミッション電流： 120μＡ以上，電子線スポット径：φ60μm ，試料温度： 297Ｋである。
【００１３】上述したように構成された窒化ガリウム系化合物半導体レーザダイオード１００は、Ｍg ドープｐ型ＡlYＧa1-YＮ層（ｐ層）１７からの不純物Ｍg の拡散をアンドープＡlxＧa1-xＮ層１６にて吸収して防止できる。このため、活性層であるＳi ドープｎ型 ＧaＮ層（ｎ層）１５とクラッド層であるＭg ドープｐ型ＡlYＧa1-YＮ層（ｐ層）１７とが分離できる。従って、本発明の窒化ガリウム系化合物半導体レーザダイオードは、不安定な高エネルギー状態が作り易くなり誘導放出を利用したレーザ発振がし易くなると共にその閾値電流を下げることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の具体的な一実施例に係る窒化ガリウム系化合物半導体レーザダイオードの構造を示した模式図である。
【図２】従来の窒化ガリウム系化合物半導体レーザダイオードの構造を示した模式図である。
【符号の説明】
１１…サファイア基板
１２… ＡlＮ層
１３…Ｓi ドープｎ型 ＧaＮ層（ｎ層）
１４…Ｓi ドープｎ型ＡlYＧa1-YＮ層（ｎ層）
１５…Ｓi ドープｎ型 ＧaＮ層（ｎ層）
１６…アンドープＡlxＧa1-xＮ層（拡散防止層）
１７…Ｍg ドープｐ型ＡlYＧa1-YＮ層（ｐ層）
１８…Ｍg ドープｐ型 ＧaＮ層（ｐ層）
１９…ＳiＯ2絶縁膜
１３ａ，１８ａ…電極
１００…窒化ガリウム系化合物半導体レーザダイオード
【特許請求の範囲】
【請求項１】 ｎ型導電性を示す窒化ガリウム系化合物半導体（ＡlYＧa1-YＮ：０≦Ｙ≦１）から成るｎ層と、ｐ型導電性を示す窒化ガリウム系化合物半導体（ＡlYＧa1-YＮ：０≦Ｙ≦１）から成るｐ層と、前記ｎ層と前記ｐ層との間にアンドープの窒化ガリウム系化合物半導体（ＡlxＧa1-xＮ：０≦Ｘ≦Ｙ≦１）から成る拡散防止層とを有することを特徴とする窒化ガリウム系化合物半導体レーザダイオード。
【請求項１】 ｎ型導電性を示す窒化ガリウム系化合物半導体（ＡlYＧa1-YＮ：０≦Ｙ≦１）から成るｎ層と、ｐ型導電性を示す窒化ガリウム系化合物半導体（ＡlYＧa1-YＮ：０≦Ｙ≦１）から成るｐ層と、前記ｎ層と前記ｐ層との間にアンドープの窒化ガリウム系化合物半導体（ＡlxＧa1-xＮ：０≦Ｘ≦Ｙ≦１）から成る拡散防止層とを有することを特徴とする窒化ガリウム系化合物半導体レーザダイオード。
【図１】
【図２】
【図２】
【公開番号】特開平６−２８３８２５
【公開日】平成６年（１９９４）１０月７日
【国際特許分類】
【出願番号】特願平５−９２０１７
【出願日】平成５年（１９９３）３月２６日
【出願人】（０００２４１４６３）豊田合成株式会社 (3,467)
【公開日】平成６年（１９９４）１０月７日
【国際特許分類】
【出願日】平成５年（１９９３）３月２６日
【出願人】（０００２４１４６３）豊田合成株式会社 (3,467)
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