JP2001160627A - Ｉｉｉ族窒化物系化合物半導体発光素子 - Google Patents

Ｉｉｉ族窒化物系化合物半導体発光素子

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JP2001160627A JP34135799A JP34135799A JP2001160627A JP 2001160627 A JP2001160627 A JP 2001160627A JP 34135799 A JP34135799 A JP 34135799A JP 34135799 A JP34135799 A JP 34135799A JP 2001160627 A JP2001160627 A JP 2001160627A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 内部応力の緩和、発光色の純度の向上、及び
駆動電圧の抑制。 【解決手段】 活性層２０６は、Ａｌ0.95Ｉｎ0.05Ｎか
ら成る膜厚約５ｎｍの量子障壁層２０６１と、Ａｌ0.70
Ｉｎ0.30Ｎから成る膜厚約５ｎｍの量子井戸層２０６２
とが交互に積層された、計１３層、全６周期の多重量子
井戸構造に形成されている。この半導体レーザ２００で
は、高いインジウム(In)混晶比の量子井戸層２０６２を
形成したため、この量子井戸層の内部のＩｎＮ組成の偏
在が大幅に抑制されている。また、高いインジウム混晶
比の量子障壁層２０６１、及び、量子井戸層２０６２を
形成することにより、活性層２０６の格子定数を全体的
に大きくできた。このため、活性層２０６を比較的柔ら
かく形成することができ、駆動電圧（発振しきい値）が
十分に抑制でき、また、熱応力や駆動電圧の緩和／抑制
により動作寿命が長い良好な半導体レーザを製造するこ
とができた。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、基板の上に III族
窒化物系化合物半導体から成る複数の半導体層を積層し
た半導体発光素子に関する。即ち、本発明は、ＬＥＤや
レーザダイオード（ＬＤ）等の III族窒化物系化合物半
導体発光素子に適用することができる。また、本発明
は、活性層内に比較的膜薄の量子井戸層を有する III族
窒化物系化合物半導体発光素子に対して大いにその効果
を発揮する。
【０００２】
【従来の技術】図１０は、従来技術による多重量子井戸
構造を例示する III族窒化物系化合物より成る半導体層
の模式的な断面図である。例えばこの様に、従来の III
族窒化物系化合物半導体発光素子（ＬＤ，ＬＥＤ等）に
おいては、多重量子井戸９００を構成する量子井戸層ｑ
ｗｎ（ｎ＝１，２）には、窒化ガリウムインジウム（Ｇ
ａ1-xbＩｎxbＮ；0.10＜xb＜0.25）が、また、量子障壁
層ｑｂｍ（ｍ＝１，２，３）には、窒化ガリウム（Ｇａ
Ｎ）が、各々用いられていた。
【０００３】また、特に、青色発光の量子井戸層を形成
するためには、上記のインジウム(In)組成比xbは、0.15
程度が望ましいとされていた。ただし、上記のｎ，ｍに
対する上限値は任意である。従って、例えば、ｎの上限
値を１とした場合には、単一量子井戸（ＳＱＷ）構造の
III族窒化物系化合物半導体発光素子（ＬＤ，ＬＥＤ
等）を構成することも可能である。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】これらの従来の半導体
発光素子においては、以下の問題があった。 （問題点１）量子井戸層ｑｗｎの成長時に、この量子井
戸層内の組成ＩｎＮの空間的な偏り（空間的な存在密度
偏差）が生じ易く、この組成不均一により、発光スペク
トルにおいて半値幅が狭い高純度の発光色が得られな
い。
【０００５】（問題点２）発光素子の内部には、半導体
層の結晶成長後の熱冷却に伴う熱収縮により歪みが生
じ、応力が残留する。従来の発光素子（活性層）は、こ
の様な残留応力に弱いため、駆動電圧（発振しきい値）
が十分には抑制できず、また、これらの熱応力や高電圧
の作用により動作寿命が短くなってしまう。
【０００６】（問題点３）また、特に、膜厚が５０ｎｍ
未満の量子井戸層を発光素子（活性層）中に積層する場
合には、この量子井戸層の膜厚が非常に薄いため、量子
井戸層は上記の内部応力の影響を非常に受け易くなる。
従って、特に、この様な膜薄の量子井戸層を発光素子
（活性層）中に積層する場合には、この内部応力の問題
が、特に顕著に表面化する傾向が有った。
【０００７】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、その目的は、上記の半導体発光素子
に関して、発光色の純度の向上を図り、寿命を長くし、
また、駆動電圧（発振しきい値）を低下させることであ
る。
【０００８】
【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
めには、以下の手段が有効である。即ち、第１の手段
は、基板の上に III族窒化物系化合物半導体から成る複
数の半導体層を積層した半導体発光素子において、Ａｌ
1-x Ｉｎx Ｎ（０＜ｘ≦１）より成る量子井戸層を備え
ることである。
【０００９】また、第２の手段は、上記の第１の手段に
おいて、量子井戸層と、Ａｌ1-z-yＧａy Ｉｎz Ｎ（０
≦ｙ≦１，０≦ｚ＜１，０≦ｚ＋ｙ≦１）より成る量子
障壁層とを交互に積層した多重量子井戸構造を構成する
ことである。
【００１０】また、第３の手段は、上記の第１又は第２
の手段において、インジウム(In)組成比ｘを「０．１≦
ｘ≦１」とすることである。
【００１１】また、第４の手段は、上記の第２又は第３
の手段において、ガリウム(Ga)組成比ｙを「ｙ＝１」、
「ｙ≒１」又は「0.９＜ｙ≦１」とすることである。
【００１２】また、第５の手段は、上記の第２又は第３
の手段において、インジウム(In)組成比ｘ、ガリウム(G
a)組成比ｙ、及び、インジウム(In)組成比ｚを「ｙ＝
０，０≦ｚ＜ｘ≦１」、「ｙ≒０，０≦ｚ＜ｘ≦１」又
は、「０≦ｙ＜0.１，０≦ｚ＜ｘ≦１」とすることであ
る。
【００１３】また、第６の手段は、上記の第２乃至第５
の何れか１つの手段において、インジウム(In)組成比ｚ
を「ｚ＝０」、「ｚ≒０」又は「０≦ｚ＜0.１」とする
ことである。
【００１４】また、第７の手段は、上記の第１乃至第６
の何れか１つの手段において、量子井戸層の膜厚を１ｎ
ｍ以上、１０ｎｍ以下にすることである。
【００１５】また、第８の手段は、上記の第２乃至第７
の何れか１つの手段において、量子井戸層の層数を３層
以上、１０層以下にすることである。
【００１６】また、第９の手段は、上記の第２乃至第８
の何れか１つの手段において、量子障壁層の膜厚を３ｎ
ｍ以上、１０ｎｍ以下にすることである。
【００１７】また、第１０の手段は、上記の第１乃至第
９の何れか１つの手段において、量子井戸層、又は量子
障壁層に対するＶ族添加物として、リン（Ｐ）、砒素
（Ａｓ）、アンチモン（Ｓｂ）、又はビスマス（Ｂｉ）
を添加することにより、量子井戸層、または量子障壁層
の窒素（Ｎ）の一部をＶ族添加物で置換することであ
る。
【００１８】また、第１１の手段は、上記の第１乃至第
１０の何れか１つの手段において、量子井戸層、又は量
子障壁層に対する III族添加物として、ボロン（Ｂ）、
又はタリウム（Ｔｌ）を添加することにより、量子井戸
層、又は量子障壁層の III族元素（Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎ）
の一部を III族添加物で置換することである。
【００１９】また、第１２の手段は、上記の第１乃至第
１１の何れか１つの手段において、インジウム(In)組成
比ｘを「0.１５≦ｘ≦0.６」とすることである。
【００２０】また、第１３の手段は、上記の第１乃至第
１２の何れか１つの手段において、インジウム(In)組成
比ｘを「0.１５≦ｘ≦0.５」とすることである。
【００２１】更に、第１４の手段は、上記の第１乃至第
１３の何れか１つの手段において、量子井戸層の膜厚を
２ｎｍ以上、６ｎｍ以下にすることである。
【００２２】図１は、本発明の上記の手段による具体的
な多重量子井戸構造（ＭＱＷ構造）を例示する III族窒
化物系化合物より成る半導体層の模式的な断面図であ
る。例えばこの様に、本発明の上記の手段により構成さ
れた III族窒化物系化合物半導体発光素子（ＬＤ，ＬＥ
Ｄ等）においては、多重量子井戸（ＭＱＷ）を構成する
量子井戸層ＱＷｎ（ｎ＝１，２）には、アルミニウム・
インジウム窒素「Ａｌ1-xnＩｎxnＮ（０＜ｘｎ≦１）」
が、また、量子障壁層ＱＢｍ（ｍ＝１，２，３）には、
アルミニウム・ガリウム・インジウム窒素「Ａｌ
1-zm-ym ＧａymＩｎ zmＮ（０≦ｙｍ≦１，０≦ｚｍ＜
１，０≦ｚｍ＋ｙｍ≦１）」が、各々用いられる。
【００２３】ただし、上記の量子井戸層ＱＷｎは、２元
のＩｎＮ（ｘｎ＝１）より形成しても良い。また、上記
の量子障壁層ＱＢｍは、２元のＧａＮ（ｙｍ＝１）や、
２元のＡｌＮ（ｚｍ＋ｙｍ＝０）より形成しても良く、
或いは、３元のＧａＩｎＮ（ｚｍ＋ｙｍ＝１）や、３元
のＡｌＩｎＮ（ｙｍ＝０）や、３元のＡｌＧａＮ（ｚｍ
＝０）より形成しても良い。
【００２４】また、上記のｎ，ｍに対する上限値（Ｎ，
Ｍ）は任意である。従って、例えば、ｎの上限値を１と
した場合には、単一量子井戸（ＳＱＷ）構造の III族窒
化物系化合物半導体発光素子（ＬＤ，ＬＥＤ等）を構成
することも可能である。この様な場合には、量子障壁層
は、必ずしも必要ではない。また、最も上位に位置する
量子障壁層ＱＢＭ（ただし、Ｍはｍの最大値）や、最下
層の量子障壁層ＱＢ１については、その膜厚を厚くする
等の手段により、クラッド層又は光ガイド層等を兼ねる
積層構成を採用しても良い。また、各層の全層数Ｍ，Ｎ
を大きな値にすることにより、超格子構造の多重量子井
戸（ＭＱＷ）を構成しても良い。
【００２５】また、上記の量子井戸層ＱＷｎ及び量子障
壁層ＱＢｍの各層の半導体層の混晶比は、各層毎に異な
っていても良い。従って、例えば、「ｚ１≧ｚ２≧ｚ３
≧…≧ｚＭ」や「ｘ１≧ｘ２≧ｘ３≧…≧ｘＮ」等の様
な構成にしても良い。以上の手段により、前記の課題を
解決することができる。
【００２６】
【作用及び発明の効果】図２は、量子井戸層成長時のＩ
ｎガス供給量ρ（体積密度）とＩｎ混晶比ｘとの関係を
示すグラフである。インジウム(In)を含んだ III族窒化
物系化合物半導体層を結晶成長させる場合、結晶成長条
件を所定の好適な状態に固定し、Ｉｎガス供給量ρを増
加させていくと、図２に示す様に、Ｉｎガス供給量ρの
増加（ρb →ρa ）に伴って、その半導体層（量子井戸
層）内のインジウム(In)混晶比ｘが増加する。この時、
図２に示す様に、インジウム(In)混晶比ｘの増加に伴っ
て、組成ＩｎＮの空間的な偏りが生じ難くなる傾向があ
る。
【００２７】即ち、この様な状況下においては、図２に
示す様に、高いインジウム(In)混晶比（ｘa ）の量子井
戸層を形成した方が、低いインジウム(In)混晶比
（ｘb ）の量子井戸層を形成するよりもＩｎＮ組成不均
一が発生し難いという点で有利である。
【００２８】図３は、量子井戸層のバンドギャップエネ
ルギーと半導体結晶の格子定数との関係を示すグラフで
ある。本図３に示す様に、例えば、青色発光の量子井戸
層を結晶成長させる場合、量子井戸層をＡｌＩｎＮから
形成した方が、量子井戸層をＧａＩｎＮから形成するよ
りも、高いインジウム(In)混晶比（ｘa ）の量子井戸層
を形成することができる。即ち、例えば、青色発光の量
子井戸層を結晶成長させる場合、前記の問題点１を解決
するためには、前記の従来技術の様に量子井戸層をＧａ
ＩｎＮ等から形成するのではなく、量子井戸層をＡｌＩ
ｎＮから形成すれば良いことが、図２及び図３より判
る。
【００２９】また、高いインジウム混晶比（ｘa ）の量
子井戸層を形成することにより、量子井戸層の格子定数
を大きくすることができると共に、量子井戸層を比較的
柔らかく形成することが可能となる。従って、この量子
井戸層の柔軟性により、半導体発光素子内に残留する熱
応力を従来よりも有効に緩和することができる様に成る
ため、前記の問題点２を解消することが可能となる。
【００３０】ただし、以上の作用説明は、あくまでも我
々の現時点までの仮説（応力緩和説）であり、次に示す
その他の作用説明（応力耐久説）も十分に成り立つ可能
性があるものと考えられる。 （応力耐久説）即ち、量子井戸層の組成が、従来のＧａ
ＩｎＮから、本発明のＡｌＩｎＮに替わったことによ
り、比較的強固な金属元素であるアルミニウム(Al)が量
子井戸層の耐久性を高め、これによって、素子の内部応
力による量子井戸層への悪影響が大幅に抑制できたた
め、発光強度が向上し、レーザ発振しきい値が抑制さ
れ、動作寿命が長くなったという考え方である。
【００３１】ただし、ここで、どちらの説が正しいのか
と言うこと以上に、極めて重要なことは、本発明の手段
により本発明の効果が十分に得られると言う事実、即
ち、本発明の手段により前記の問題点１、及び、問題点
２が十分に解消できるという事実である。
【００３２】また、量子井戸層をＡｌ1-x Ｉｎx Ｎ（０
＜ｘ≦１）から形成することにより、このパラメータｘ
により、この量子井戸層の柔軟性（硬度）を広範にわた
って制御（調整）することが可能となる。即ち、この場
合、インジウム組成比ｘを大きくする程、この量子井戸
層は柔らかく形成できる。これにより、量子井戸層の柔
軟性（硬度）は、容易かつ広範にわたって設定すること
が可能となり、よって、量子井戸層の硬度及び組成の最
適化を行う際の容易性が向上する。
【００３３】尚、前記の応力緩和説に従えば、更に、以
下の作用説明が可能である。即ち、前記の応力緩和作用
は、ＳＱＷ構造の発光素子においても、得ることができ
るが、量子井戸層ＱＷｎの層数（ｎの最大値）は複数
（２以上）である方がより望ましいと考えられる。例え
ば、図１のＭＱＷ構造においては、量子井戸層ＱＷ１
は、量子井戸層ＱＷ２に対して下方（ＱＢ１側）より働
く応力を緩和する機能を奏し、一方、量子井戸層ＱＷ２
は、量子井戸層ＱＷ１に対して上方（ＱＢ３側）より働
く応力を緩和する機能を奏するものと考えられる。
【００３４】また、例えば、量子井戸層の数が３層構成
の多重量子井戸（ＭＱＷ）構造を採用した場合には、中
央に積層された量子井戸層に対して上下より掛かる上記
の応力が、この中央の量子井戸層の上下に位置する他の
各量子井戸層により大幅に緩和される。この様に、量子
井戸層ＱＷｎの層数は、大きい程この応力緩和作用をよ
り確実に得ることができる。ただし、量子井戸層ＱＷｎ
の層数は、各層の膜厚にも依るが、概ね１０層程度でこ
の作用効果は飽和する。また、この積層数が大き過ぎる
と、ＭＱＷ活性層の形成時間が、活性層（発光層）の応
力を緩和する意味で必要以上に長くなってしまう。
【００３５】また、上記の応力は主に、基板と、順次積
層される III族窒化物系化合物半導体との熱膨張係数の
違いにより生じるものであるため、特に基板に近い側の
半導体層のインジウム組成比又は格子定数を大きくする
ことにより、即ち、基板に近い半導体層ほど、柔らかく
形成することによっても、効果的に上記の作用・効果を
得ることができる。
【００３６】従って、例えば「ｘ１≧ｘ２≧ｘ３≧…≧
ｘＮ」や「ｚ１≧ｚ２≧ｚ３≧…≧ｚＭ」等の様な構成
にしても良い。この様な構成によれば、「ｘ１＜ｘ２＜
ｘ３＜…＜ｘＮ」や「ｚ１＜ｚ２＜ｚ３＜…＜ｚＭ」等
の様な構成にした場合よりも、より効果的かつ合理的に
上記の応力緩和の作用・効果を得ることができる。
【００３７】或いは、また、例えば「ｘ１≧ｘ２≧ｘ３
≒ｘ４≦ｘ５≦ｘ６」や「ｚ１≧ｚ２≧ｚ３≒ｚ４≒ｚ
５≦ｚ６≦ｚ７」等の様な構成にしても良い。この様な
構成にすれば、直接活性層に応力を及ぼす活性層の外側
の層（光ガイド層やクラッド層等）に近い層（外側の量
子井戸層又は量子障壁層）ほど、上記の応力緩和の作用
を大きく持たせることができる。これらの手法は、超格
子構造の活性層を形成する際に、特に大きな効果を発揮
するが、一般のＭＱＷ活性層を形成する場合において
も、十分にその効果を得ることができる。
【００３８】以上の様に、インジウム組成比ｘ，ｚは、
各層の位置、或いは各層に加わる内部応力の大きさによ
って、絶対的又は相対的に決定することができる。
【００３９】このことは、量子井戸層や量子障壁層の膜
厚に関しても同様である。これは、インジウムを多く含
んだ半導体層程、応力緩和作用が大きいのと同様に、イ
ンジウムを多く含んだ半導体層の膜厚が厚い方が、上記
の応力緩和作用を大きくできるからである。ただし、こ
れらの膜厚は、厚過ぎると、結晶性が劣化する等の恐れ
が有るため、十分な注意を要する。
【００４０】また、インジウム(In)組成比ｘを「０．１
≦ｘ≦１」とすることにより、紫外線を含み可視光を中
心とする所望の有用な発光波長の光（電磁波）を出力す
る半導体発光素子を構成することが可能となる。
【００４１】また、量子井戸層のインジウム(In)組成比
ｘが従来よりも比較的高い場合等には、量子障壁層のガ
リウム(Ga)組成比ｙを「ｙ＝０」、「ｙ≒０」又は「０
≦ｙ＜0.１」とすることにより、図３から判る様に、最
適又は好適なバンドギャップ幅の設定条件（「０≦ｚ＜
ｘ≦１」等）下において、量子障壁層の格子定数を量子
井戸層の格子定数に極力近づけることが可能となる。こ
のため、多重量子井戸構造の活性層（発光層）の結晶性
をより高くすることが可能となる。これは、図３から判
る様に、量子障壁層のバンドギャップ幅が決定された
時、ｙ＝０成る条件により、最大格子定数の量子障壁層
の混晶比が与えられるためである。
【００４２】また、この様な混晶比で量子障壁層を形成
すれば、量子障壁層のインジウム組成比ｚと格子定数を
共に大きくすることができるため、量子障壁層を柔らか
く形成することができる。従って、この様な構成によれ
ば、量子障壁層によっても量子井戸層と同様に前記の応
力緩和作用を得ることができる。
【００４３】また、インジウム(In)は比較的産出量の少
ない金属元素であるが、量子障壁層のガリウム(Ga)組成
比ｙを「ｙ＝１」、「ｙ≒１」又は「0.９＜ｙ≦１」と
すれば、或いは、量子障壁層のインジウム(In)組成比ｚ
を「ｚ＝０」、「ｚ≒０」又は「０≦ｚ＜0.１」とすれ
ば、量子井戸層積層時に従来よりも比較的多量に使用さ
れるインジウム(In)の消費量を半導体発光素子全体とし
て抑制することが可能となる。この様にインジウム(In)
組成比ｚが小さな量子障壁層を積層することによって
も、前記の本発明の目的を十分に達成できることは、後
述の実施例（第１実施例、第３実施例）においてより具
体的に示す。
【００４４】また、量子井戸層の膜厚を１ｎｍ以上、１
０ｎｍ以下にすることにより、良好又は最適な量子井戸
層を構成することができる。この膜厚が厚過ぎるとこの
量子井戸層及びその後に積層される半導体層の結晶性が
劣化し、薄過ぎると発光量が十分に得られなくなると共
に、応力の緩和作用も弱くなる。
【００４５】また、量子障壁層の膜厚を３ｎｍ以上、１
０ｎｍ以下にすることにより、良好又は最適な量子障壁
層を構成することができる。この膜厚が厚過ぎるとこの
量子障壁層及びその後に積層される半導体層の結晶性が
劣化し、また、駆動電圧（発振しきい値）の上昇の原因
にもなる。また、この膜厚が薄過ぎると十分な障壁作用
が得られなくなる。
【００４６】また、 III族窒化物系化合物半導体層は、
４元系のＡｌＧａＩｎＮ、３元系のＡｌＧａＮ、ＧａＩ
ｎＮ、ＡｌＩｎＮ、２元系のＡｌＮ、ＧａＮ、ＩｎＮ、
及び、これらに III族元素をドーピング（例えば、Ａ
ｌ、Ｇａよりも原子半径の大きい、例えば、Ｉｎをドー
ピングしたもの、ドーピングは組成比に現われる程は入
れない）したもの、Ｖ族元素をドーピングしたもの（例
えば、Ｎよりも原子半径の大きい、Ｐ、Ａｓ、Ｓｂをド
ープ）でも良い。又、ＡｌＧａＩｎＮにおけるＮの一部
を例えば、Ｐ、Ａｓ、ＳｂとしたＡｌＧａＩｎＮＰ、Ａ
ｌＧａＩｎＮＡｓ、ＡｌＧａＩｎＮＳｂでも良い。結論
は、窒素を含む III族−Ｖ族化合物半導体なら何でも良
い。
【００４７】上記の様に、Ａｌ、Ｇａ、Ｎよりも原子半
径の大きい原子をドーピングする理由は、Ｎの抜けによ
って結晶中には拡張歪みが発生しているが、これを原子
半径の大きい原子をドープすることで、圧縮歪みで補償
して結晶性を改善するためである。このような III族窒
化物では、アクセプタドーパントが容易に III族原子の
位置に入るために、アクセプタとして活性化でき、アズ
グローンでｐ型結晶を得ることができる。
【００４８】また、インジウム(In)組成比ｘを「0.１５
≦ｘ≦0.６」とすることにより、青色、青緑色、又は青
紫色等を含んだ、可視光の中でも肉眼による認識性が良
い発光波長範囲内の、或いは、工業的な有用性の高い発
光波長範囲内の所望の発光波長を出力できる半導体発光
素子を構成することが可能となる。
【００４９】更に、インジウム(In)組成比ｘを「0.１５
≦ｘ≦0.５」とすることにより、特に、青色、青緑色、
或いは、青紫色の発光色の半導体発光素子を構成するこ
とが可能となる。
【００５０】また、量子井戸層の膜厚を２ｎｍ以上、６
ｎｍ以下にすることにより、発光強度をより高い値にす
ることが可能となる。例えば、ＡｌＩｎＮより成る多重
量子井戸（６量子井戸）構造の各量子井戸層の膜厚を８
ｎｍから４ｎｍに改善した結果、発光強度が増加した。
これらの実験結果より、量子井戸層の膜厚は、２ｎｍ以
上、６ｎｍ以下が最適であることが判っている。
【００５１】尚、バッファ層は、ＡｌＮの他、ＧａＮ，
ＩｎＮ，Ａｌx Ｇａ1-x Ｎ（０＜ｘ＜１），Ｉｎx Ｇａ
1-x Ｎ（０＜ｘ＜１），Ａｌx Ｉｎ1-x Ｎ（０＜ｘ＜
１），Ａｌx Ｇａy Ｉｎ1-x-y Ｎ（０＜ｘ＜１，０＜ｙ
＜１，０＜ｘ＋ｙ＜１）、その他、一般式Ａｌx Ｇａy
Ｉｎ1-x-y Ｎ（０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１，０≦ｘ＋ｙ≦
１）において、III 族元素のうちの一部をボロン
（Ｂ）、タリウム（Ｔｌ）で置換しても良く、窒素の一
部をリン（Ｐ）、砒素（Ａｓ）、アンチモン（Ｓｂ）、
ビスマス（Ｂｉ）等で置換しても良い。
【００５２】また、これらのバッファ層をはじめとす
る、積層される任意の III族窒化物系化合物半導体層に
は、Ｓｉ等のｎ型ドーパント、又はＭｇ等のｐ型ドーパ
ントを添加しても良い。これらの添加物（ドーパント）
は、一つの層に対して、ｎ型、ｐ型の両方を好適な比率
で添加しても良い。また、これらの各半導体層は、２種
以上の半導体の接合から成る超格子構造としても良い。
【００５３】また、基板上に形成するバッファ層を、基
板上に成長させる III族窒化物系化合物半導体、例え
ば、ＧａＮから成る基底層中に多重に繰り返して形成し
ても良い。この層を中間層といい、多重に繰り返して形
成された複数の中間層を多重中間層という。これらの中
間層には、バッファ層と同じ組成を用いることができ
る。即ち、例えば、ＡｌＮ、ＧａＮ、その他、２元、３
元、４元のＡｌＧａＩｎＮを用いることができる。
【００５４】尚、バッファ層は、３８０℃〜４２０℃の
低温で形成するものの他、１０００℃〜１１８０℃の範
囲で、ＭＯＣＶＤ法で形成しても良い。この温度範囲
は、１０５０℃〜１１７０℃が望ましく、さらに、望ま
しくは、１１００℃〜１１５０℃である。サファイア基
板上に厚さ２．３μｍのＡｌＮから成るバッファ層を、
成長温度１０５０℃、１１１０℃、１１３０℃、１１５
０℃、１１７０℃、１２００℃の各温度で成長させ、そ
の上に厚さ２μｍのＧａＮを同一成長温度で形成して、
そのＧａＮの表面モホロジィーを光学顕微鏡で観察し
た。その結果、１１３０℃でバッファ層を成長させた場
合が、最も、ＧａＮの表面モホロジィーが良く、次に、
１１１０℃、１１５０℃で成長したものが良く、次に１
０５０℃、１１７０℃で形成したものが良かった。１２
００℃で形成すると表面モホロジィーが良くなかった。
この表面モホロジィーの結果から、バッファ層の成長温
度は上記範囲が望ましい。
【００５５】或いは、バッファ層は、ＭＯＣＶＤ法の
他、ＭＢＥ法が使用できる。又、スパッタリングを使用
することも可能である。また、ＤＣマグネトロンスパッ
タ装置を用いて、高純度金属アルミニウムと窒素ガスを
原材料として、リアクティブスパッタ法によりＡｌＮか
ら成るバッファ層を形成することもできる。
【００５６】その他、金属アルミニウム、金属ガリウ
ム、金属インジウム、窒素ガス又はアンモニアガスを用
いて、一般式Ａｌx Ｇａy Ｉｎ1-x-y Ｎ（０≦ｘ≦１，
０≦ｙ≦１，０≦ｘ＋ｙ≦１、組成比は任意）のバッフ
ァ層を形成することができる。スパッタリングの他、蒸
着法、イオンプレーティング法、レーザアブレーション
法、ＥＣＲ法を用いることができる。これらの物理蒸着
法によるバッファ層は、２００〜６００℃で行うのが望
ましい。さらに望ましくは３００〜５００℃であり、さ
らに望ましくは４００〜５００℃である。
【００５７】これらのスパッタリング法等の物理蒸着法
を用いた場合には、バッファ層の厚さは、１００〜３０
００Åが望ましい。さらに望ましくは、１００〜２００
０Åが望ましく、最も望ましくは、１００〜３００Åで
ある。このように形成されたバッファ層は、水素ガスと
アンモニアガスとの混合ガス雰囲気中で１０００℃で５
分間加熱処理して、バッファ層のＲＨＥＥＤパターンを
測定した。この結果、熱処理をしたバッファ層は、熱処
理をしないバッファ層に比べて結晶性が改善されること
が分かった。
【００５８】この熱処理の時の水素ガスとアンモニアガ
スの流量比は、１：０．１〜１が望ましい。さらに望ま
しくは、１：０．１〜０．５である。加熱温度は、１０
００〜１２５０℃が望ましく、さらに望ましくは、１０
５０〜１２００℃であり、最も望ましくは、１１００〜
１１５０℃である。これらの加熱条件やガス比条件を各
種変化させて、バッファ層のＲＨＥＥＤパターンを測定
した。この結果、上記の範囲の時に結晶性が良いことが
分かった。これは、バッファ層の再結晶化により単結晶
性が強くなったものと思われる。
【００５９】又、このように形成されたバッファ層上に
厚さ４μｍのＧａＮをＭＯＣＶＤ法で成長させ、そのＧ
ａＮのロッキングカーブをＸ線回折装置を用いて測定し
た。その結果、この結果、このように熱処理されたバッ
ファ層を用いた場合には、その上の結晶の単結晶性が、
ＭＯＣＶＤ法で基板上にバッファ層とＧａＮとを成長さ
せた場合と比べて、同等以上であった。
【００６０】このＧａＮの単結晶性が良くなったのは、
物理蒸着でバッファ層を形成した後、高温で熱処理した
ために、単結晶化がすすみ、単結晶化したバッファ層の
上に形成されたＧａＮの単結晶性も向上するものと思わ
れる。
【００６１】また、基板には、サファイア、スピネル、
シリコン、炭化シリコン、酸化亜鉛、リン化ガリウム、
砒化ガリウム、酸化マグネシウム、酸化マンガン、酸化
ガリウムチチウム（ＬｉＧａＯ2 ）、硫化モリブデン
（ＭｏＳ）等の材料を用いることができる。
【００６２】更に、活性層において、井戸層と障壁層と
の成長条件は、６００℃〜９００℃の範囲で、障壁層と
井戸層との成長温度差ΔＴを、ΔＴ≦５０℃とすること
で、より活性層を結晶性を向上させ得ることも分かっ
た。障壁層の成長温度が井戸層の成長温度よりも高い。
【００６３】また、保護膜としては、酸化硅素、酸化チ
タン、酸化アルミニウム、窒化シリコン等を使用するこ
とができる。
【００６４】また、横方向成長（ＥＬＯ）法としては、
エッチング等により基板やバッファ層等を部分的に露出
させ、エッチングされたバッファ層等の層の上に半導体
結晶を横方向成長させる、保護膜を用いない方法と、基
板やバッファ層等の上に保護膜層を形成し、露出してい
る基板やバッファ層等の上に半導体結晶を横方向成長さ
せる、保護膜を用いる方法とがある。
【００６５】また、ＥＬＯに使用する保護膜としては、
III族窒化物系化合物半導体が成長し難い材料が有用で
ある。具体的には、例えば、酸化硅素（ＳｉＯX ）、窒
化硅素（ＳX ＮY ）、酸化チタン（ＴｉＯX ）、酸化ジ
ルコニウム（ＺｒＯX ）等の酸化物、窒化物、これらの
多層膜、或いは、１２００℃以上の融点を有する金属等
である。
【００６６】即ち、ＥＬＯに使用する保護膜としては、
６００〜１１００℃における III族窒化物の成長温度に
も耐えることができ、且つ、その上には III族窒化物系
化合物半導体が成長しないか成長し難いものであること
が必要である。また、生膜は、蒸着、ＣＶＤ等の気相成
長法、或いは、スパッタリング等により成膜することが
できる。
【００６７】
【発明の実施の形態】以下、本発明を具体的な実施例に
基づいて説明する。 （第１実施例）図４は、本第１実施例の III族窒化物系
化合物半導体レーザ１００の積層構造を表す模式的な斜
視図である。また、図５は、本第１実施例の III族窒化
物系化合物半導体レーザ１００のバッファ層１０２の構
造を表す模式的な断面図である。
【００６８】本半導体レーザ１００のシリコン基板１０
１の上には、膜厚約1000ÅのAl0.15Ga0.85N より成るバ
ッファ層１０２がストライプ状（図５（ｂ））又は格子
状（図５（ｃ））に形成されている。又、シリコン基板
１０１上のバッファ層１０２を除いた露出領域Ａ及びバ
ッファ層１０２の上面領域Ｂには、膜厚約10μｍ、電子
密度2×1018/cm3、シリコン(Si)ドープ窒化ガリウム(Ga
N )より成るｎ型コンタクト層（高キャリア濃度ｎ
+ 層）１０３が形成されている。尚、以下、このｎ型コ
ンタクト層１０３を単に「ｎ層１０３」と言う場合があ
る。
【００６９】ｎ層１０３の上には膜厚約1μm、電子密度
2×1018/cm3、シリコン(Si)ドープAl0.08Ga0.92Nから成
るｎ型クラッド層１０４が形成されている。ｎ型クラッ
ド層１０４の上には、膜厚約100nmのｎ型光ガイド層１
０５が形成されている。本ｎ型光ガイド層１０５は、電
子密度2×1018/cm3のシリコン(Si)ドープAl0.01Ga0.9 9N
を約100nm積層したものである。
【００７０】ｎ型光ガイド層１０５の上には、ＧａＮか
ら成る膜厚約６ｎｍの量子障壁層１０６１とＡｌ0.80Ｉ
ｎ0.20Ｎから成る膜厚約４ｎｍの量子井戸層１０６２と
が交互に積層された多重量子井戸（ＭＱＷ）構造の活性
層１０６が形成されている。量子障壁層１０６１は３
層、量子井戸層１０６２は２層である。
【００７１】この多重量子井戸構造(MQW)の活性層１０
６の上には、膜厚約100nmのｐ型光ガイド層１０７が形
成されている。ｐ型光ガイド層１０７は、ホール密度5
×1017/cm3のマグネシウム(Mg)ドープAl0.01Ga0.99Nを
約100nm積層したものである。
【００７２】ｐ型光ガイド層１０７の上には、膜厚約1
μmのホール密度5×1017/cm3マグネシウム(Mg)ドープAl
0.08Ga0.92Nから成るｐ型クラッド層１０８が形成され
ている。ｐ型クラッド層１０８の上には、膜厚300nm、
ホール密度5×1017/cm3、マグネシウム(Mg)ドープGaNか
ら成るｐ型コンタクト層１０９が形成されている。そし
て、ｐ型コンタクト層１０９上にNi電極１１０Ａが形成
されている。又、ｎ層１０３上にはAlから成る電極１１
０Ｂが形成されている。
【００７３】次に、この構造の発光素子（半導体レー
ザ）の製造方法について説明する。上記発光素子１００
は、有機金属化合物気相成長法（以下「MOVPE」と示
す）による気相成長により製造された。用いられたガス
は、NH3とキャリアガスH2又はN2とトリメチルガリウム
(Ga(CH3)3、以下「TMG」と記す）とトリメチルアルミニ
ウム(Al(CH3)3、以下「TMA」と記す）とトリメチルイン
ジウム(In(CH3)3、以下「TMI」と記す）とシラン(SiH4)
とシクロペンタジエニルマグネシウム(Mg(C5H 5)2、以下
「CP2Mg」と記す）である。
【００７４】まず、フッ酸系溶液(HF:H2O=1:1)を用いて
洗浄した (111)面、 (100)面、又は、(110) 面を主面と
したｎ−シリコン基板１０１をＭＯＶＰＥ装置の反応室
に載置されたサセプタに装着する。次に、常圧でH2を流
速2 liter/分で約10分間反応室に流しながら温度1150℃
で基板１０１をベーキングした。
【００７５】この後、基板１０１の温度を1150℃に保持
し、N2又はH2を10liter/分、NH3 を10liter/分、TMG を
1.0 ×10-4モル／分、トリメチルアルミニウム(Al(CH3)
3)（以下「TMA 」と記す）を1.0 ×10-5モル／分、H2ガ
スにより0.86ppm に希釈されたシランを20×10-8モル／
分で供給し、膜厚約1000Å、Si濃度1.0 ×1018/cm3のAl
0.15Ga0.85Ｎより成るバッファ層１０２を形成した。
【００７６】次に、このバッファ層１０２の上に、一様
に、SiO2層をスパッタリングにより膜厚約2000Åに形成
し、レジストを塗布して、フォトリソグラフィによりSi
O2層を所定形状にエッチングした。次に、この所定形状
のSiO2層をマスクとして、Al 0.15Ga0.85Ｎより成るバッ
ファ層１０２をドライエッチングし、その後マスク（Si
O2層）を除去した。このようにして、バッファ層１０２
の上部領域Ｂの幅ｂが約５μｍ、基板１０１の露出領域
Ａの間隔ａが約５μｍのストライプ状（図１（ｂ））又
は格子状（図１（ｃ））に形成した。
【００７７】次に、MOVPE 法により基板１０１の温度を
1100℃にしてN2又はH2を20liter/分、NH3 を10liter/
分、TMG を1.0 ×10-4モル／分、H2ガスにより0.86ppm
に希釈されたシランを20×10-8モル／分で供給して、膜
厚約10μｍのＧａＮより成るｎ層１０３をエピタキシャ
ル成長させた。このとき、GaN は、Al0.15Ga0.85Ｎより
成るバッファ層１０２の上に、このAl0.15Ga0.85N を核
として、エピタキシャル成長する。しかし、シリコン基
板１０１の露出領域Ａの上には、GaN はエピタキシャル
成長しない。そして、シリコン基板１０１の露出領域Ａ
では、Al0.15Ga0. 85Ｎより成るバッファ層１０２上に成
長したGaN を核として、GaN が横方向（シリコン基板１
０１の結晶成長面と平行な方向）に沿ってエピタキシャ
ル成長する。
【００７８】このＧａＮより成るｎ層１０３は、Al0.15
Ga0.85Ｎより成るバッファ層１０２の上部領域Ｂにだけ
縦方向に転位が生じ、シリコン基板１０１の露出領域Ａ
では、横方向のエピタキシャル成長であるために、転位
は生じない。即ち、この様に、シリコン基板１０１の露
出領域Ａの面積をAl0.15Ga0.85Ｎより成るバッファ層１
０２の上部領域Ｂの面積に比べて大きくすることで、広
い面積に渡って結晶性の良好なＧａＮより成るｎ層１０
３を形成することができる。
【００７９】上記のｎ層１０３を形成した後、N2又は
H2、NH3、TMA、TMG及びシラン(SiH4)を供給して、膜厚
約1μmのAl0.08Ga0.92Nから成るｎ型クラッド層１０４
を形成した。次にN2又はH2、NH3、TMA、TMG及びシラン
(SiH4)を供給して、Al0.01Ga0.9 9Nから成る膜厚約100nm
のｎ型光ガイド層１０５を形成した。
【００８０】次に、このｎ型光ガイド層１０５の上に、
薄膜の量子障壁層と薄膜の量子井戸層とを交互に積層し
たＭＱＷ構造の活性層１０６を形成した。即ち、まず最
初に、N2をキャリアガスとして、NH3及びTMGを供給し
て、ｎ型光ガイド層１０５の上に、ＧａＮから成る膜厚
約６ｎｍの量子障壁層１０６１を形成した。この時の、
結晶成長温度は６００〜９００℃、TMGの供給量は２〜
１０μmol ／分、NH3の供給量は11 slmである。
【００８１】次に、N2をキャリアガスとして、NH3、TMA
及びTMIを供給して、Ａｌ0.80Ｉｎ0 .20Ｎから成る膜厚
約４ｎｍの量子井戸層１０６２を形成した。この時の、
結晶成長温度は６００〜９００℃、TMA及びTMIの供給量
は各々２〜１０μmol ／分、NH3の供給量は11 slmであ
る。
【００８２】更に、量子障壁層１０６１と量子井戸層１
０６２とを同一条件で１周期形成し、更に、その上にＧ
ａＮから成る膜厚約６ｎｍの量子障壁層１０６１を形成
した。このようにしてＡｌＩｎＮから成る量子井戸層１
０６２を有するＭＱＷ構造の活性層１０６を形成した。
【００８３】次にN2又はH2、NH3、TMA、TMG及びCP2Mgを
供給して、Al0.01Ga0.99Nから成る膜厚約100nmのｐ型光
ガイド層１０７を形成した。次に、N2又はH2、NH3、TM
A、TMG及びCP2Mgを供給して、膜厚約1μmのAl0.08Ga
0.92Nから成るｐ型クラッド層１０８を形成した。
【００８４】次に、温度を1100℃に保持し、N2又はH2を
10L/min、NH3を10L/min、TMGを100μmol/min、Cp2Mgを2
μmol/minで導入して、マグネシウム(Mg)がドーピング
された、膜厚約300nmのマグネシウム(Mg)ドープのGaNか
らなるｐ型コンタクト層９を形成した。
【００８５】次に、電子線照射装置を用いて、ｐ型コン
タクト層１０９、ｐ型クラッド層１０８及びｐ型光ガイ
ド層１０７に一様に電子線を照射した。電子線の照射条
件は、加速電圧約10kV、試料電流1μA、ビームの移動速
度0.2mm/s、ビーム径60μmφ、真空度50μTorrである。
この電子線の照射により、ｐ型コンタクト層９、ｐ型ク
ラッド層８及びｐ型光ガイド層７はそれぞれ、ホール濃
度5×1017/cm3、5×10 17/cm3、5×1017/cm3となった。
このようにして多層構造のウエハを形成することができ
た。
【００８６】次に、スパッタリングによりSiO2層を形成
し、そのSiO2上にフォトレジストを塗布し、フォトリソ
グラフを行った。次にｎ層１０３に対する電極形成部位
フォトレジストを除去し、フォトレジストによって覆わ
れていないSiO2層をフッ化水素酸系エッチング液で除去
した。
【００８７】次に、フォトレジスト及びSiO2層によって
覆われていない部位のｐ型コンタクト層１０９、ｐ型ク
ラッド層１０８、ｐ型光ガイド層１０７、活性層１０
６、ｎ型光ガイド層１０５、ｎ型クラッド層１０４及び
ｎ層１０３の一部を真空度0.04Torr、高周波電力０．４
４Ｗ/cm2、Cl2 ガスを供給しドライエッチングし、その
後Arでドライエッチングした。この工程で、ｎ層１０３
に対する電極取り出しのための領域が形成された。
【００８８】次に、ニッケル(Ni)を蒸着してｐ型コンタ
クト層１０９の上に電極１１０Ａを形成した。一方、ｎ
層１０３に対しては、アルミニウム(Al)を蒸着して電極
１１０Ｂを形成した。
【００８９】次に、共振器端面を形成するためドライエ
ッチングを行った。その後、スクライビングしてクライ
ブ溝を形成し、共振器の端面に平行なｘ軸方向にダイシ
ンクして、短冊片を得た。このようにして製造された半
導体レーザ１００は、駆動電流は1000ｍＡにて発光出力
10ｍＷ、発振ピーク波長３８０ｎｍ（青紫色）であっ
た。
【００９０】尚、この半導体レーザ１００においては、
高いインジウム(In)混晶比の量子井戸層１０６２を形成
したため、この量子井戸層の内部においてＩｎＮ組成不
均一が殆ど発生せず、このため、上記の様に良好な半導
体レーザを製造することができた。
【００９１】また、高いインジウム混晶比の量子井戸層
１０６２を形成することにより、量子井戸層１０６２の
格子定数を大きくすることができ、量子井戸層を比較的
柔らかく形成することができたため、駆動電圧（発振し
きい値）が十分に抑制でき、また、熱応力や高電圧の緩
和／抑制により動作寿命が長い良好な半導体レーザを製
造することができた。
【００９２】以上の様にして、半導体発光素子（ＬＤ）
を製造することにより、半導体発光素子（ＬＤ）の寿命
を長くし、また、駆動電圧（発振しきい値）を低下させ
ることができた。
【００９３】尚、上記実施例において、ストライプ状又
は格子状に形成されたシリコン基板１０１の露出領域Ａ
の幅ａを約５μｍとしたが、露出領域Ａの幅ａが10μｍ
を超えると横方向の成長に長時間必要となり、シリコン
基板１０１の露出領域Ａの幅ａが１μｍ未満になると、
良好なGaN 膜の形成が困難となるので、望ましくは１〜
10μｍの範囲が良い。また、Al0.15Ga0.85Ｎより成るバ
ッファ層１０２の上部領域Ｂの幅ｂを５μｍとしたが、
Al0.15Ga0.85Ｎより成るバッファ層１０２の上部領域Ｂ
の幅ｂが10μｍを超えると転位発生の確率が増大し、上
部領域Ｂの幅ｂが１μｍ未満になると横方向の成長のた
めの核形成が良好にできず、したがって、結晶性の良い
横方向のエピタキシャル成長が困難となる。よって、望
ましくは１〜10μｍの範囲が良い。また、ｎ層１０３の
結晶性の観点から、シリコン基板１０１の露出領域Ａの
幅ａのAl0.15Ga0.85Ｎより成るバッファ層１０２の上部
領域Ｂの幅ｂに対する割合ａ／ｂは１〜10が望ましい。
【００９４】以上の様に、シリコン基板１０１の露出領
域Ａの面積をAl0.15Ga0.85N より成るバッファ層１０２
の上部領域Ｂの面積に比べて大きくすることで、広い面
積に渡って結晶性の良好なｎ層１０３を形成することが
できる。また、シリコン基板１０１とその上のGaN は化
学的に結合していないために、ＧａＮより成るｎ層１０
３のそり、応力歪みを極めて大きく減少させることがで
きる。
【００９５】また、本第１実施例では、シリコン基板を
用いたが、他の導電性基板、サファイア基板、炭化珪素
等を用いることができる。導電性基板を用いた場合に
は、基板の裏面と基板上に形成された素子層の最上層と
に電極を形成して、基板面に垂直に電流を流すことがで
き、発光ダイオード、レーザ等における電流供給効率が
向上する。
【００９６】また、本第１実施例では、バッファ層１０
２の組成をAl0.15Ga0.85N としたが、一般式Alx Gay In
1-x-y N(0 ≦x ≦1,0 ≦y ≦1,0 ≦x+y ≦1)の任意組成
比のIII族窒化物系化合物半導体を用いることができ
る。シリコン基板１０１上にエピタキシャル成長させる
には、Alx Ga1-x N(0 ＜x ≦1)（AlN を含む) が望まし
い。また、ｎ層１０３は、一般式Alx Gay In1-x-y N(0
≦x ≦1,0 ≦y ≦1,0 ≦x+y ≦1)の任意組成比の III族
窒化物系化合物半導体を用いることができ、バッファ層
１０２と同一組成比であっても、異なる組成比であって
も良いが、基板１０１に対してエピタキシャル成長しな
い組成比とする必要がある。
【００９７】また、本第１実施例では、バッファ層１０
２の膜厚を約1000Åとしたが、バッファ層１０２は厚い
とクラックが多くなり、薄いとバッファ層１０２を核と
してｎ層１０３が成長しない。よって、バッファ層１０
２の厚さは、500 Å〜2000Å程度が望ましい。
【００９８】（第２実施例）図６は、本第２実施例の I
II族窒化物系化合物半導体レーザ２００の積層構造を表
す模式的な斜視図である。本第２実施例の半導体レーザ
２００の構造は、前記の第１実施例の半導体レーザ１０
０の構造との類似点が多いが、本半導体レーザ２００の
最も特徴的な物理構成（積層構成）は、以下の通りであ
る。
【００９９】＜半導体レーザ２００の主な特徴＞ （１）ＭＱＷ活性層２０６ （ａ）量子井戸層２０６２（Ａｌ1-x Ｉｎx Ｎ；ｘ≒0.
30，膜厚約５ｎｍ） （ｂ）量子障壁層２０６１（Ａｌ1-z Ｉｎz Ｎ；ｚ≒0.
05，膜厚約５ｎｍ） （２）バッファ層２０２ （ａ）不整合緩和層２０２１（ＡｌＮ，膜厚約５００
Å） （ｂ）単結晶層２０２２（ＧａＮ，膜厚約0.３μｍ）
【０１００】即ち、図６の半導体レーザ２００は、サフ
ァイアを結晶成長基板としており、このサファイア基板
２０１の上には、バッファ層２０２が形成されている。
このバッファ層２０２は、図６に示す５層構造を有す
る。即ち、バッファ層２０２は、膜厚約500 ÅのAlN か
ら成る不整合緩和層２０２１と、膜厚約0.3 μm から成
る単結晶層２０２２とを交互に積層した計５層の多層構
造で構成されている。
【０１０１】尚、ｎ型コンタクト層（高キャリア濃度ｎ
+ 層）２０３、ｎ型クラッド層２０４、ｎ型光ガイド層
２０５の積層構成については、第１実施例の半導体レー
ザ１００の各半導体層（ｎ型コンタクト層１０３、ｎ型
クラッド層１０４、ｎ型光ガイド層１０５）と略同様の
構成である。
【０１０２】また、ｎ型光ガイド層２０５の上には、多
重量子井戸（ＭＱＷ）構造の活性層２０６が形成されて
いる。この活性層２０６は、Ａｌ0.95Ｉｎ0.05Ｎから成
る膜厚約５ｎｍの量子障壁層２０６１と、Ａｌ0.70Ｉｎ
0.30Ｎから成る膜厚約５ｎｍの量子井戸層２０６２とが
交互に積層されることにより、計１３層の多層構造を有
している。即ち、この活性層２０６は、量子障壁層２０
６１が計７層、量子井戸層２０６２が計６層の全６周期
の多重量子井戸（ＭＱＷ）構造である。
【０１０３】尚、ｐ型光ガイド層２０７、ｐ型クラッド
層２０８、ｐ型コンタクト層２０９、及び、正電極２１
０Ａ、負電極２１０Ｂの各構成については、第１実施例
の半導体レーザ１００の各対応部分（ｐ型光ガイド層１
０７、ｐ型クラッド層１０８、ｐ型コンタクト層１０
９、正電極１１０Ａ、負電極１１０Ｂ）の構成と略同様
である。
【０１０４】以下、半導体レーザ２００の製造方法につ
いて述べる。本半導体レーザ２００の各層は、有機金属
化合物気相成長法による気相成長により形成された。用
いられたガスについては、前記の第１実施例と同じであ
る。以下、特に、バッファ層２０２の製造工程について
詳しく述べる。
【０１０５】（バッファ層２０２の製造工程）まず、有
機洗浄及び熱処理により洗浄した膜厚約100 〜400 μｍ
の単結晶のサファイア基板２０１をM0VPE 装置の反応室
に載置されたサセプタに装着する。次に、常圧でH2を流
速2 liter/分で反応室に流しながら温度1100℃でサファ
イア基板２０１を気相エッチングした。
【０１０６】次に、温度を 400℃まで低下させて、H2を
20 liter／分、NH3 を10 liter／分、TMA を 1.8×10-5
モル／分で供給して、膜厚約 500Åの AlNより成る１層
目の不整合緩和層２０２１を形成した。次に、サファイ
ア基板２０１の温度を1150℃に保持し、H2を20 liter／
分、NH3 を10 liter／分、TMG を 1.7×10-4モル／分で
供給して、膜厚約0.3 μｍのGaN から成る単結晶層２０
２２を形成した。
【０１０７】次に、サファイア基板２０１の温度を、再
度、 400℃まで低下させて、上記の１層目の不整合緩和
層２０２１の形成と同一条件で、 500Åの厚さのAlN か
ら成る２層目の不整合緩和層２０２１を形成した。次
に、サファイア基板２０１の温度を、再度、1150℃に上
げて、上記の単結晶層２０２２の形成と同一条件で、膜
厚約0.3 μｍのGaN から成る単結晶層２０２２を形成し
た。さらに、サファイア基板２０１の温度を、再度、 4
00℃まで低下させて、上記と同様に、３層目の不整合緩
和層２０２１を形成した。以上の様にして、図６のバッ
ファ層２０２を形成した。
【０１０８】また、特に、活性層２０６の製造工程につ
いては、以下の通りであった。（活性層２０６の製造工
程）ｎ型光ガイド層２０５を積層後、まず最初に、N2を
キャリアガスとして、NH3、TMA及びTMIを供給して、ｎ
型光ガイド層２０５の上に、Ａｌ0.40Ｉｎ0.60Ｎから成
る膜厚約５ｎｍの量子障壁層２０６１を形成した。この
時の、結晶成長温度は６００〜９００℃、TMAの供給量
は２〜１０μmol ／分、TMIの供給量は１５〜１００μm
ol ／分、NH3の供給量は11 slmである。
【０１０９】次に、N2をキャリアガスとして、NH3、TMA
及びTMIを供給して、Ａｌ0.70Ｉｎ0 .30Ｎから成る膜厚
約５ｎｍの量子井戸層２０６２を形成した。この時の、
結晶成長温度は６００〜９００℃、TMAの供給量は２〜
１０μmol ／分、TMIの供給量は１５〜１００μmol ／
分、NH3の供給量は11 slmである。
【０１１０】更に、量子障壁層２０６１と量子井戸層２
０６２とを同一条件で５周期形成し、更に、その上にＡ
ｌ0.95Ｉｎ0.05Ｎから成る膜厚約５ｎｍの量子障壁層２
０６１を形成した。以上の様にして、図６の活性層２０
６を形成した。
【０１１１】尚、その他の半導体層並びに電極等につい
ては、第１実施例と略同様の製造方法によって製造し
た。このようにして製造された半導体レーザ２００は、
駆動電流は1000ｍＡにて発光出力10ｍＷ、発振ピーク波
長は、４１０ｎｍ（青紫色）であった。
【０１１２】尚、この半導体レーザ２００においては、
高いインジウム(In)混晶比の量子井戸層２０６２を形成
したため、この量子井戸層の内部においてＩｎＮ組成不
均一が殆ど発生せず、このため、上記の様に良好な半導
体レーザを製造することができた。
【０１１３】また、高いインジウム混晶比の量子障壁層
２０６１、及び、量子井戸層２０６２を形成することに
より、活性層２０６の格子定数を大きくすることがで
き、活性層２０６を比較的柔らかく形成することができ
たため、駆動電圧（発振しきい値）が十分には抑制で
き、また、熱応力や高電圧の緩和／抑制により動作寿命
が長い良好な半導体レーザを製造することができた。
【０１１４】以上の様にして、半導体発光素子（ＬＤ）
を製造することにより、半導体発光素子（ＬＤ）の寿命
を長くし、また、駆動電圧（発振しきい値）を低下させ
るという本発明の当初の目的を達成することができた。
【０１１５】一般に、上記の第２実施例の様に、量子井
戸層２０６２のインジウム(In)組成比ｘが従来よりも比
較的高い場合には、量子障壁層２０６１のガリウム(Ga)
組成比ｙを「ｙ＝０」、「ｙ≒０」又は「０≦ｙ＜0.
１」とすることにより、図３からも判る様に、上記の様
な最適又は好適なバンドギャップ幅の設定条件（「０≦
ｚ＜ｘ≦１」等）下において、量子障壁層２０６１の格
子定数を量子井戸層２０６２の格子定数に極力近づける
ことができる。実際、上記の半導体レーザ２００におい
ては、これらの作用により、多重量子井戸構造の活性層
２０６の結晶性が高くなり、高出力、しきい値電流の低
い、低駆動電圧の半導体レーザを構成できたものと考え
られる。
【０１１６】また、一般に、この様な混晶比で量子障壁
層２０６１を形成すれば、量子障壁層２０６１のインジ
ウム組成比ｚと格子定数を共に大きくすることができる
ため、量子障壁層２０６１を柔らかく形成することがで
きる。このため、量子障壁層２０６１によっても量子井
戸層２０６２と同様の応力緩和作用を得ることができ
る。
【０１１７】また、上記の半導体レーザ２００において
は、活性層が合計１３層より構成されている（Ｎ＝６，
Ｍ＝７）。この様な好適な積層数で活性層２０６を構成
することにより、内部応力による悪影響が抑制された、
良質、高光度で、低駆動電圧の活性層を、比較的短時間
の間に形成することができる。
【０１１８】また、上記の様にバッファ層２０２を多重
層とすることで、その後に積層される半導体層（２０３
〜２０９）の結晶性を向上させることができた。この多
重層の作用・効果については、以下の通りである。
【０１１９】即ち、この構成により、基板面から縦に延
びる格子欠陥が不整合緩和層２０２１と単結晶層２０２
２との繰り返しにより途中で遮断され、目的とする単結
晶の層には至らない。特に基板面からの転位が閉じ込め
られ、上の層に伝搬されることを防ぐ。よって、素子を
形成するための半導体層における格子欠陥密度は低くな
り、異種物質の基板上にも良質なAlx3GaY3In1-X3-Y3Nか
ら成る単結晶半導体が得られる。
【０１２０】従って、その単結晶の半導体を基底層とし
て半導体素子を形成した場合には、素子を形成する半導
体層の結晶性が高くなり、半導体素子の特性を向上させ
ることができる。特に、発光素子を形成した場合には、
発光効率、素子寿命、発光輝度を改善することができ
る。
【０１２１】尚、本第２実施例では、不整合緩和層２０
２１にはAlN を用いたが他の２元系のGaN 、InN や３元
系のAlGaN 、InGaN 、４元系のAlGaInN 等を用いること
ができる。この場合に不整合緩和層は単結晶が成長しな
い低い温度で形成され、その厚さは100 〜1000Åが望ま
しい。
【０１２２】又、不整合緩和層上に形成される単結晶層
の物質は、不整合緩和層と物質及び組成比が同一でも、
異種物質又は同種物質でも組成比が異なるものでも良
い。この単結晶層には、GaN の他、任意組成比の３元系
のAlGaN 、InGaN 、任意組成比の４元系のAlGaInN を用
いることができる。この単結晶層の成長温度は単結晶が
成長できる温度である。一般的に、厚さは500 〜3000Å
の範囲が望ましい。又、不整合緩和層と単結晶層との繰
り返し回数は任意である。
【０１２３】また、不整合緩和層の厚さを１００〜１０
００Å、単結晶層の厚さを５００〜３０００Åとするこ
とにより、或いは、不整合緩和層の成長温度を３５０〜
８００℃とすることにより、格子欠陥が基板面から目的
とする半導体層（活性層、光ガイド層、クラッド層、コ
ンタクト層等）に伸びることを効率良く防止することが
できる。また、単結晶層２０２２の厚さは、３０００Å
を越えると歪が大きくなり好ましくない。
【０１２４】不整合緩和層２０２１と単結晶層２０２２
は、一般式「AlxGaYIn1-X-YN」で表される任意の組成比
の４元、３元、或いは２元の窒化物系化合物半導体とす
ることができる。特に、不整合緩和層をAlN 、単結晶層
をGaN とすることで、目的とするGaN の層の格子欠陥密
度を大きく低下させることができる。又、基板２０１に
は、サファイア又はSiC 等を用いることができる。
【０１２５】また、最後の不整合緩和層２０２１成層後
そのまま昇温してｎ型コンタクト層２０３を成長させる
ことが、ｎ型コンタクト層２０３の結晶性からも、工程
の簡易性からも好ましい。
【０１２６】また、バッファ層２０２の構造としては、
それを構成する各層の膜厚、上記の組成比、積層周期数
等を最適化することによる種種の変形が考えられる。例
えば、これらの諸値（諸量）は、各層毎に変えても良
い。
【０１２７】例えば、サファイヤ基板の上に、低温成長
（約４００℃）のＡｌＮ不整合緩和層、膜厚約５μｍの
ＧａＮ層（単結晶層）、ＧａＮ不整合緩和層、膜厚約５
μｍのＧａＮ層（単結晶層）の順に成長させた所、最後
の膜厚約５μｍのＧａＮ層（単結晶層）の表面に現れた
エッチピット数の面密度は、約５×１０6 ／cm2 程度と
なり、エッチピットの数は、従来よりも大幅に（一桁以
上）減少した。
【０１２８】又、本第２実施例では、活性層２０６の構
造を多重量子井戸構造としたが、例えば、ＬＥＤ等の半
導体発光素子等における活性層２０６の構造は、単一量
子井戸（ＳＱＷ）構造でも良い。また、活性層２０６の
厚さは100 〜1000Å程度が普通である。
【０１２９】（第３実施例）図７は、本第３実施例の I
II族窒化物系化合物半導体レーザ３００の積層構造を表
す模式的な斜視図である。
【０１３０】＜半導体レーザ３００の主な特徴＞本第３
実施例の半導体レーザ３００の第１の主な特徴は、図７
に示される以下の活性層３０６の積層構成にある。 （１）ＭＱＷ活性層３０６（合計５層で、２周期のＭＱ
Ｗ構造） （ａ）量子井戸層３０６２（Ａｌ1-x Ｉｎx Ｎ；ｘ≒0.
20，膜厚約５ｎｍ） （ｂ）量子障壁層３０６１（Ａｌ1-y Ｇａy Ｎ；ｙ≒0.
80，膜厚約５ｎｍ）
【０１３１】また、前記の第１実施例では、バッファ層
として、Al0.15Ga0.85N より成るバッファ層１０２が１
層だけ設けられていたが、本第３実施例の半導体レーザ
３００においては、絶縁膜等を有しない２層構成のバッ
ファ層３０２を用い、横方向の結晶成長作用等を利用し
て、 III族窒化物系化合物半導体層を順次積層する構成
が採用されている。
【０１３２】即ち、本半導体レーザ３００の第２の主な
特徴は、以下の様に、バッファ層３０２が形成されてい
ることである。 （２）バッファ層３０２（上下合計２層で、エッチング
による凹凸形状） （ａ）不整合緩和層３０２１（下層；ＡｌＮ，膜厚約10
00Å） （ｂ）単結晶層３０２２（上層；ＧａＮ，膜厚約1000
Å）
【０１３３】図８は、本第３実施例の III族窒化物系化
合物半導体レーザ３００のバッファ層３０２の構造を表
す模式的な断面図である。サファイヤ基板３０１の上に
は膜厚約1000ÅのＡｌＮより成る不整合緩和層３０２１
が形成され、この不整合緩和層３０２１の上に、膜厚約
1000ÅのＧａＮより成る単結晶層３０２２が形成されて
いる。
【０１３４】不整合緩和層３０２１と単結晶層３０２２
とでバッファ層３０２が構成されている。これらの不整
合緩和層３０２１と単結晶層３０２２層は、第１実施例
と同様にストライプ状又は格子状に形成されている。単
結晶層３０２２及びサファイヤ基板３０１の露出領域Ａ
上には、膜厚約10μｍのGaN より成るｎ型コンタクト層
（高キャリア濃度ｎ+ 層）３０３が形成されている。
【０１３５】本第３実施例の III族窒化物系化合物半導
体レーザ３００の製造方法は、第１実施例の半導体レー
ザ１００の製造方法と多くの類似点を持つ。本第３実施
例においては、まず最初に、不整合緩和層３０２１、次
に、単結晶層３０２２をサファイヤ基板３０１上に一様
に形成した後、所定パターンのSiO2層をマスクにして、
不整合緩和層３０２１と単結晶層３０２２をドライエッ
チングし、その後マスク（SiO2層）を除去する。これに
より、図１（ｂ）又は（ｃ）に示すように、ストライプ
状又は格子状にする。
【０１３６】ただし、本エッチングにより、基板３０１
の一部を上方に露出させる必要が有るか否かは、不整合
緩和層３０２１の膜厚や、不整合緩和層３０２１の露出
面に積層される次の層の局所的又は方向依存的な結晶成
長速度等に依存する所が大きい。即ち、本エッチングに
おいては、バッファ層３０２の凹部（最下位部分）にお
いて、基板３０１を必ずしも露出させる必要はない。例
えば、不整合緩和層３０２１の膜厚が厚い場合等には、
不整合緩和層３０２１の下方の一部が、基板３０１が露
出しない様に残留していても良い。
【０１３７】ただし、異種物質上における結晶成長速度
は、同種物質上における結晶成長速度よりも十分に遅い
ので、バッファ層３０２の凹部の深さが容易かつ十分に
確保できない場合等には、基板を露出させた方が良い。
【０１３８】このことは、第１実施例においても、同様
である。即ち、これらの横方向成長過程で重要となるの
は、基板、又はバッファ層（不整合緩和層）の露出面に
積層される次の層の局所的又は方向依存的な結晶成長速
度である。これらの関係を鑑みて、上記のエッチングで
は、基板３０１を露出させ、また、バッファ層３０２の
凹部の深さは、膜厚約2000Åと、十分に深く設定されて
いる。
【０１３９】その後の、膜厚約10μｍのGaN より成るｎ
型コンタクト層（高キャリア濃度ｎ + 層）３０３の形成
方法、並びにそれ以降に積層される各半導体層の製造方
法は、第１実施例と略同様である。
【０１４０】尚、これらの方法に基づいて結晶成長する
ｎ型コンタクト層３０３の結晶成長機構（作用・効果）
は以下の通りである。即ち、GaN より成るｎ型コンタク
ト層３０３は、GaN より成る単結晶層３０２２の上部領
域ＢのGaN を核として、面に垂直方向に成長する。そし
て、サファイヤ基板３０１の露出領域Ａでは、単結晶層
３０２２の露出領域Ｂ上に成長したGaN を核として、Ga
N が横方向にエピタキシャル成長する。
【０１４１】このようにして、ｎ型コンタクト層３０３
の成長過程では、ｎ型コンタクト層３０３が単結晶層３
０２２を核として縦方向にも横方向にもエピタキシャル
成長するので、第１実施例よりも、さらに、結晶性の高
いｎ型コンタクト層３０３が得られる。
【０１４２】従って、上記の様にして形成されたｎ型コ
ンタクト層等の III族窒化物系化合物半導体層の上に、
更に、 III族窒化物系化合物半導体を成長させること
で、一般に、発光ダイオード、半導体レーザ（ＬＥＤ，
ＬＤ）等の特性の良好な半導体発光／受光素子等を得る
ことができる。
【０１４３】上記のようにして製造された半導体レーザ
３００は、駆動電流は1000ｍＡにて発光出力10ｍＷ、発
振ピーク波長は、３８０ｎｍ（紫外線）であった。
【０１４４】以上の様にして、半導体発光素子（ＬＤ）
を製造することによっても、半導体発光素子（ＬＤ）の
寿命を長くし、また、駆動電圧（発振しきい値）を低下
させることができた。
【０１４５】尚、本第３実施例において、基板３０１
は、シリコンより構成しても良い。また、本第３実施例
において、単結晶層３０２２は、必ずしも積層しなくと
も、第１実施例の半導体レーザ１００と同様に、良好な
半導体レーザを製造することが可能である。
【０１４６】また、本第３実施例において、単結晶層３
０２２とｎ型コンタクト層３０３とをGaN としたが、単
結晶層３０２２とｎ型コンタクト層３０３とを略同一組
成比の「Alx Gay In1-x-y N(0 ≦x ≦1,0 ≦y ≦1,0 ≦
x+y ≦1)」より成る III族窒化物系化合物半導体として
も良い。
【０１４７】但し、基板３０１の一部を上記のエッチン
グの際に露出させた場合等には、単結晶層３０２２は基
板３０１に対して、比較的エピタキシャル成長し難い組
成比とすることが望ましい。例えば、基板３０１にシリ
コンを用いた場合には、Alが含まれない III族窒化物系
化合物半導体を用いるのが良い。また、単結晶層３０２
２の組成比と、ｎ型コンタクト層３０３の組成比とは、
必ずしも略一致していなくとも良い。
【０１４８】一般に、これらの横方向成長過程で重要と
なるのは、基板、又はバッファ層（不整合緩和層）の露
出面に、横方向成長などの結晶成長作用により積層され
る次の層の局所的又は方向依存的な結晶成長速度であ
る。この結晶成長速度は、基板、又はバッファ層（不整
合緩和層）の露出面の各組成の混晶比や、格子定数、結
晶性の良否、成長温度等に大きく左右される。例えば、
露出面の各元素の組成比（混晶比）が、露出面に積層さ
れる次の層の組成比に近い方が、次の層として異種の半
導体を積層する場合よりも、結晶成長速度は大きくなり
易い傾向にあることが判っている。
【０１４９】従って、上記の第３実施例では、単結晶層
３０２２の組成比と、ｎ型コンタクト層３０３の組成比
とは、近い方がより望ましい。また、バッファ層の凹部
の深さは、例えば、上記の第３実施例で具体的に示した
様に、これらの局所的又は方向依存的な成長速度の関係
を鑑みて設定することが必要である。
【０１５０】尚、上記の第１、及び第３実施例におい
て、サファイヤ基板３０１又はシリコン基板１０１か
ら、バッファ層１０２又は単結晶層３０２２までの部分
Ｃを研磨又はエッチングにより除去することにより、無
転位の単結晶ＧａＮ基板を得ることができる。また、上
記の全実施例において、各ｎ型コンタクト層には、任意
組成比のInGaN 等を用いても良い。
【０１５１】また、上記の第１、及び第３実施例におい
て、結晶成長基板とバッファ層との間には、例えば第２
実施例で示した様な、任意組成比のAlGaN より成る不整
合緩和層や、任意組成比の AlGaInNより成る不整合緩和
層を設けても良い。この不整合緩和層としては、ｎ型コ
ンタクト層３０３や単結晶層３０２２等の単結晶成長温
度よりも低温で形成されるアモルファス状又は微結晶の
混在したアモルファス等の結晶構造をしたもの等が利用
できる。
【０１５２】また、上記の各実施例におけるバッファ層
１０２、バッファ層２０２、及び、バッファ層３０２の
各層（或いは、これらのバッファ層を構成している各部
分層）の組成は、ＡｌＮの他、ＧａＮ，ＩｎＮ，Ａｌx
Ｇａ1-x Ｎ（０＜ｘ＜１），Ｉｎx Ｇａ1-x Ｎ（０＜ｘ
＜１），Ａｌx Ｉｎ1-x Ｎ（０＜ｘ＜１），Ａｌx Ｇａ
y Ｉｎ1-x-y Ｎ（０＜ｘ＜１，０＜ｙ＜１，０＜ｘ＋ｙ
＜１）等でも良く、また、「Ａｌx Ｇａy Ｉｎ1-x-y Ｎ
（０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１，０≦ｘ＋ｙ≦１）」成る組
成式において、III 族元素のうちの一部をボロン
（Ｂ）、タリウム（Ｔｌ）で置換したものを用いても良
く、或いは、窒素（Ｎ）の一部をリン（Ｐ）、砒素（Ａ
ｓ）、アンチモン（Ｓｂ）、ビスマス（Ｂｉ）等で置換
したものを用いても良い。これらの構成により、歪補償
等の作用効果が得られ、よってその後に積層する半導体
層の結晶性を良質にすることができる。
【０１５３】また、第２実施例の半導体レーザ２００の
バッファ層２０２においては、第１及び第３実施例の、
半導体レーザ１００、３００のバッファ層１０２、３０
２の様な、エッチングによるバッファ層への凹凸形状
（島形状）の形成は実施しなかったが、バッファ層２０
２においても、第１及び第３実施例と同様に、次に積層
される半導体層（ｎ型コンタクト層２０３）の横方向成
長による結晶性の向上を目的とする上記の様なエッチン
グを実施しても良い。
【０１５４】即ち、バッファ層としては、例えば「Ａｌ
1-f-g Ｇａf Ｉｎg Ｎ（０≦ｆ≦１，０≦ｇ≦１，０≦
ｆ＋ｇ≦１）」より成る２元、３元、又は４元の III族
窒化物系化合物半導体層より形成した、図９に示す様な
構造のものを使用しても良い。このバッファ層の結晶成
長温度は、低温のものでも良く、また、高温成長のもの
でも良い。また、積層周期は任意である。例えば、これ
らの手法による良質な半導体結晶を核として、その後に
積層される半導体層を横方向成長（ＥＬＯ成長）等の方
法で成長させる手段も大いに有効である。
【０１５５】これらの手法を効果的に組み合わせること
により、更により結晶性の高い半導体層を積層すること
ができる。例えば、また、図９のＥＬＯにより成長する
ＧａＮ単結晶層に対して上記のドーピングを実施する方
法等が考えられる。即ち、例えば、この図９のＥＬＯに
より成長するＧａＮ単結晶層に対して、 III族元素のう
ちの一部をボロン（Ｂ）、タリウム（Ｔｌ）で置換した
ものを用いても良く、或いは、窒素（Ｎ）の一部をリン
（Ｐ）、砒素（Ａｓ）、アンチモン（Ｓｂ）、ビスマス
（Ｂｉ）等で置換したものを用いても良い。これらの構
成により、歪補償等の作用効果が得られ、よってその後
に積層する半導体層の結晶性を、更に、良質にすること
ができる。
【０１５６】ただし、上記のバッファ層を構成する各層
の混晶比、膜厚、或いは、積層周期等を最適化すること
等により、その後に積層される半導体層（ｎ型コンタク
ト層等）の結晶性が十分良質に得られる場合等には、必
ずしも上記のドーピングの手法を導入しなくとも良い。
【０１５７】尚、これらの横方向成長による結晶性の向
上を目的とする手法（半導体結晶の製造方法）は、本発
明の手段に基づく本発明の半導体発光素子を製造する場
合に限らず、一般の III族窒化物系化合物半導体発光素
子を製造する場合にも、大いに有効である。
【０１５８】また、上記の各実施例における半導体結晶
成長過程では、半導体結晶を横方向にエピタキシャル成
長させる手段としては、ＳｉＯ2 絶縁膜等の非成長質の
層は使用／構成しなかったが、以下の様な２種類の方法
によっても、半導体結晶を横方向にエピタキシャル成長
させることができる。
【０１５９】ただし、ここでいう「非成長質」とは、あ
る物質の表面上に III族窒化物系化合物半導体が結晶成
長し難い、又はしないと言う、その物質の性質のことで
ある。また、ここでいう「横方向」とは、基板の結晶成
長面に対して平行な方向を意味する。
【０１６０】その第１の方法は、シリコン(Si)基板又は
「Ａｌ1-f-g Ｇａf Ｉｎg Ｎ（０≦ｆ≦１，０≦ｇ≦
１，０≦ｆ＋ｇ≦１）」より成る２元、３元、又は４元
の III族窒化物系化合物半導体層等の形成されたサファ
イヤ基板等の基板上に、その基板又はその上の層が散在
的に露出する様に、島状に形成された非成長質の第１の
層と、この第１の層で覆われていないシリコンの露出部
を核としてエピタキシャル成長し、かつ、第１の層の上
部では横方向にエピタキシャル成長した III族窒化物系
化合物半導体から成る第２の層とを有する積層構成を採
用する方法である。
【０１６１】この第１の方法によれば、 III族窒化物系
化合物半導体から成る第２の層は、第１の層の上にはエ
ピタキシャル成長せず、基板又はその上の層の露出部か
ら成長した層が、第１の層の上では横方向にエピタキシ
ャル成長される。この結果、基板と III族窒化物系化合
物半導体との間のミスフィットに基づく転位は縦方向に
のみ成長し、横方向には成長しない。
【０１６２】従って、第１の層の上における III族窒化
物系化合物半導体の結晶性が向上する。また、第１の層
とその上の III族窒化物系化合物半導体とは化学的に接
合していないので、第２の層のそりが防止されると共に
応力歪みがその層に入ることが抑制される。
【０１６３】また、その第２の方法は、シリコン(Si)基
板上に形成された III族窒化物系化合物半導体から成る
第３の層と、この第３の層の上に第３の層の露出部が散
在する様に島状態に形成された非成長質の第１の層と、
この第１の層で覆われていない第３の層の露出部を核と
してエピタキシャル成長し、かつ、第１の層の上部では
横方向にエピタキシャル成長した III族窒化物系化合物
半導体から成る第２の層とを有する積層構成を採用する
方法である。
【０１６４】この第２の方法によれば、第２の層は、 I
II族窒化物系化合物半導体から成る第３の層の露出部を
核として、上記の第１の方法と同様に、 III族窒化物系
化合物半導体から成る第２の層が形成される。この第２
の方法によれば、結晶成長の核がシリコンではなく、成
長させる第２の層の半導体と同種の半導体を用いている
結果、その第２の層の結晶性がより向上する。これらの
方法によっても、半導体結晶を横方向にエピタキシャル
成長させることができる。
【０１６５】また、上記の各実施例では有機金属気相成
長法（MOCVD）により発光素子を製造したが、半導体層
を形成する方法としては、分子線気相成長法（MBE）、
ハライド気相成長法（Halide VPE）、液相成長法（LP
E）等を用いても良い。
【０１６６】また、上記の各実施例では、発光層がＭＱ
Ｗのレーザダイオードを例示したが、発光素子の構造は
これに限定されない。発光素子の構造としては、ホモ構
造、ヘテロ構造、ダブルヘテロ構造のものが考えられ
る。これらは、ｐｉｎ接合或いはｐｎ接合等により形成
することもできる。発光層の構造としては、単一量子井
戸構造（ＳＱＷ）のものであっても良い。
【０１６７】また、上記の各実施例では、III族窒化物
系化合物半導体を形成させる結晶成長基板としては、サ
ファイア、シリコン(Si)の他、炭化ケイ素(SiC)、スピ
ネル(MgAl2O4)、酸化亜鉛(ZnO)、酸化マンガン、酸化マ
グネシウム(MgO)、リン化ガリウム、砒化ガリウム、酸
化ガリウムチチウム（ＬｉＧａＯ2 ）、硫化モリブデン
（ＭｏＳ）、或いは、窒化ガリウム(GaN)や、その他のI
II族窒化物系化合物半導体等の材料を用いることができ
る。
【０１６８】また、サファイア基板上にIII族窒化物系
化合物半導体を結晶性良く形成させるため、サファイア
基板との格子不整合を是正するバッファ層（又は、不整
合緩和層）を形成したが、他の基板を使用する場合もバ
ッファ層（又は、不整合緩和層）を設けることことが望
ましい。バッファ層又は不整合緩和層としては、低温で
形成させたIII族窒化物系化合物半導体AlxGayIn1-x-yN
（0≦x≦1, 0≦y≦1, 0≦x+y≦1）、より好ましくはAlx
Ga1-xN（0≦x≦1）が用いられる。
【０１６９】III族窒化物系化合物半導体のIII族元素の
組成の一部は、ボロン(B)、タリウム(Tl)で置き換えて
も、また、窒素(N)の組成一部をリン(P)、ヒ素(As)、ア
ンチモン(Sb)、ビスマス(Bi)で置き換えても、本発明の
手段による本発明の作用・効果を得ることができる。
【０１７０】また、ｐ型化は、電子線照射の他、熱処
理、N2プラズマガス中での熱処理、レーザ照射により行
うことができる。
【０１７１】また、上記の各実施例では、レーザダイオ
ードについて説明したが、発光ダイオード、受光素子等
の光素子を含む各種のGaN 系電子デバイスに適用できる
ことは言うまでもない。
【０１７２】尚、本明細書には、上記の通り III族窒化
物系化合物半導体発光素子の製造方法についても、大い
に開示した。特に、窒化ガリウム（ＧａＮ）等から形成
されるｎ型コンタクト層（１０３，２０３，３０３）等
の、半導体発光素子を形成（積層）するベースとなる層
までの全ての製造方法は、一般の半導体素子を構成する
各半導体層の結晶性を向上させるためにも十分有効なも
のである。
【０１７３】従って、バッファ層（不整合緩和層，単結
晶層）の積層方法や、半導体結晶の横方向成長等に係わ
る、上記の各実施例で開示したこれらの製造方法は、本
発明の手段に基づく本発明の半導体発光素子を製造する
場合に限らず、一般の III族窒化物系化合物半導体発光
素子を製造する場合においても、大いにその効果を発揮
する。即ち、その場合には、これらの製造方法が適用さ
れる半導体発光素子の積層構成は、特に限定されるもの
ではない。
【０１７４】本明細書の上記の実施例等に記載した製造
方法においては、横方向成長により得られた III族窒化
物系化合物半導体層（例えば、ＧａＮから成る層）を基
底層としたり、或いは、その横方向成長により得られた
III族窒化物系化合物半導体から成る層の上に成長され
た III族窒化物系化合物半導体層（例えば、ＧａＮから
成る層）を基底層として、それらの基底層の上に素子を
構成する各層を成長させている。即ち、本明細書では、
上述したように横方向成長により基底層を得るまでの成
長方方法も素子の製法と共に開示されており、これらの
基底層を得るまでの方法は、素子形成方法とは分離して
認識することが可能である。
【０１７５】又、本明細書において基底層を得る方法が
記載されていることから、横方向成長により格子欠陥の
改善された III族窒化物系化合物半導体を得る方法、 I
II族窒化物系化合物半導体から成る基底層を得る方法、
基底層までの III族窒化物系化合物半導体基板を得る方
法等も明らかとなった。
【０１７６】更に、基底層を厚く形成したり、或いは、
基底層上にさらに III族窒化物系化合物半導体を厚く形
成したりすれば、基板、バッファ層から基底層より下の
層までを除去することで、 III族窒化物系化合物半導体
基板が得られることも明らかである。尚、 III族窒化物
系化合物半導体を厚く形成する方法としては、ハライド
気相成長法、液相成長法が有効である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による多重量子井戸構造を例示する III
族窒化物系化合物より成る半導体層の模式的な断面図。
【図２】本発明の作用に係わる、量子井戸層成長時のＩ
ｎガス供給量ρとＩｎ混晶比ｘとの関係を示すグラフ。
【図３】本発明の作用に係わる、量子井戸層のバンドギ
ャップエネルギーと格子定数との関係を示すグラフ。
【図４】第１実施例の III族窒化物系化合物半導体レー
ザ１００の積層構造を表す模式的な斜視図。
【図５】第１実施例の III族窒化物系化合物半導体レー
ザ１００の構造を表す模式的な断面図。
【図６】第２実施例の III族窒化物系化合物半導体レー
ザ２００の積層構造を表す模式的な斜視図。
【図７】第３実施例の III族窒化物系化合物半導体レー
ザ３００の積層構造を表す模式的な斜視図。
【図８】第３実施例の III族窒化物系化合物半導体レー
ザ３００の構造を表す模式的な断面図。
【図９】本発明に基づくその他の応用事例における III
族窒化物系化合物半導体レーザの一部分の構造を表す模
式的な断面図。
【図１０】従来技術による多重量子井戸構造を例示する
III族窒化物系化合物より成る半導体層の模式的な断面
図。
【符号の説明】
１００ ，２００ ，３００ … III族窒化物系化合
物半導体レーザ １０１ ，２０１ ，３０１ … 結晶成長基板（シリ
コン、サファイヤ等） １０２ ，２０２ ，３０２ … バッファ層 ２０２１，３０２１… 不整合緩和層 ２０２２，３０２２… 単結晶層 １０３ ，２０３ ，３０３ … ｎ型コンタクト層
（高キャリア濃度ｎ+ 層） １０４ ，２０４ ，３０４ … ｎ型クラッド層 １０５ ，２０５ ，３０５ … ｎ型光ガイド層 １０６ ，２０６ ，３０６ … ＭＱＷ活性層 １０６１，２０６１，３０６１… 量子障壁層 １０６２，２０６２，３０６２… 量子井戸層 １０７ ，２０７ ，３０７ … ｐ型光ガイド層 １０８ ，２０８ ，３０８ … ｐ型クラッド層 １０９ ，２０９ ，３０９ … ｐ型コンタクト層 １１０Ａ，２１０Ａ，３１０Ａ… 正電極 １１０Ｂ，２１０Ｂ，３１０Ｂ… 負電極
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 小島 彰 愛知県西春日井郡春日町大字落合字長畑１ 番地 豊田合成株式会社内 Ｆターム(参考） 5F041 AA11 AA40 AA43 CA22 CA40 CA52 CA65 CA67 CA74 5F073 AA03 AA45 AA74 AA89 CA02 CB05 CB07 CB13 DA05 DA24 EA29

Claims (14)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 基板の上に III族窒化物系化合物半導体
    から成る複数の半導体層を積層した半導体発光素子にお
    いて、 Ａｌ1-x Ｉｎx Ｎ（０＜ｘ≦１）より成る量子井戸層を
    有することを特徴とする III族窒化物系化合物半導体発
    光素子。
  2. 【請求項２】 前記量子井戸層と、 Ａｌ1-z-y Ｇａy Ｉｎz Ｎ（０≦ｙ≦１，０≦ｚ＜１，
    ０≦ｚ＋ｙ≦１） より成る量子障壁層とを交互に積層した多重量子井戸構
    造を有することを特徴とする請求項１に記載の III族窒
    化物系化合物半導体発光素子。
  3. 【請求項３】 前記インジウム(In)組成比ｘは、「０．
    １≦ｘ≦１」を満たすことを特徴とする請求項１又は請
    求項２に記載の III族窒化物系化合物半導体発光素子。
  4. 【請求項４】 前記ガリウム(Ga)組成比ｙは、 「ｙ＝１」、「ｙ≒１」又は「0.９＜ｙ≦１」を満たす
    ことを特徴とする請求項２又は請求項３に記載の III族
    窒化物系化合物半導体発光素子。
  5. 【請求項５】 前記インジウム(In)組成比ｘ、前記ガリ
    ウム(Ga)組成比ｙ、及び、前記インジウム(In)組成比ｚ
    は、 「ｙ＝０，０≦ｚ＜ｘ≦１」、 「ｙ≒０，０≦ｚ＜ｘ≦１」又は、 「０≦ｙ＜0.１，０≦ｚ＜ｘ≦１」を満たすことを特徴
    とする請求項２又は請求項３に記載の III族窒化物系化
    合物半導体発光素子。
  6. 【請求項６】 前記インジウム(In)組成比ｚは、 「ｚ＝０」、「ｚ≒０」又は「０≦ｚ＜0.１」を満たす
    ことを特徴とする請求項２乃至請求項５の何れか１項に
    記載の III族窒化物系化合物半導体発光素子。
  7. 【請求項７】 前記量子井戸層の膜厚は、 １ｎｍ以上、１０ｎｍ以下であることを特徴とする請求
    項１乃至請求項６の何れか１項に記載の III族窒化物系
    化合物半導体発光素子。
  8. 【請求項８】 前記量子井戸層の層数は、 ３層以上、１０層以下であることを特徴とする請求項２
    乃至請求項７の何れか１項に記載の III族窒化物系化合
    物半導体発光素子。
  9. 【請求項９】 前記量子障壁層の膜厚は、 ３ｎｍ以上、１０ｎｍ以下であることを特徴とする請求
    項２乃至請求項８の何れか１項に記載の III族窒化物系
    化合物半導体発光素子。
  10. 【請求項１０】 前記量子井戸層、又は前記量子障壁層
    に対するＶ族添加物として、リン（Ｐ）、砒素（Ａ
    ｓ）、アンチモン（Ｓｂ）、又はビスマス（Ｂｉ）を添
    加することにより、 前記量子井戸層、又は前記量子障壁層の窒素（Ｎ）の一
    部を前記Ｖ族添加物で置換したことを特徴とする請求項
    １乃至請求項９の何れか１項に記載の III族窒化物系化
    合物半導体発光素子。
  11. 【請求項１１】 前記量子井戸層、又は前記量子障壁層
    に対する III族添加物として、ボロン（Ｂ）、又はタリ
    ウム（Ｔｌ）を添加することにより、 前記量子井戸層、又は前記量子障壁層の III族元素（Ａ
    ｌ，Ｇａ，Ｉｎ）の一部を前記 III族添加物で置換した
    ことを特徴とする請求項１乃至請求項１０の何れか１項
    に記載の III族窒化物系化合物半導体発光素子。
  12. 【請求項１２】 前記インジウム(In)組成比ｘは、 「0.１５≦ｘ≦0.６」を満たすことを特徴とする請求項
    １乃至請求項１１の何れか１項に記載の III族窒化物系
    化合物半導体発光素子。
  13. 【請求項１３】 前記インジウム(In)組成比ｘは、 「0.１５≦ｘ≦0.５」を満たすことを特徴とする請求項
    １乃至請求項１２の何れか１項に記載の III族窒化物系
    化合物半導体発光素子。
  14. 【請求項１４】 前記量子井戸層の膜厚は、 ２ｎｍ以上、６ｎｍ以下であることを特徴とする請求項
    １乃至請求項１３の何れか１項に記載の III族窒化物系
    化合物半導体発光素子。
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