JP2002026459A

JP2002026459A - 窒化物半導体発光素子とそれを含む光学装置

Info

Publication number: JP2002026459A
Application number: JP2000203676A
Authority: JP
Inventors: Yuzo Tsuda; 有三津田; Takayuki Yuasa; 貴之湯浅; Shigetoshi Ito; 茂稔伊藤
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 2000-07-05
Filing date: 2000-07-05
Publication date: 2002-01-25
Anticipated expiration: 2020-07-05
Also published as: JP4346218B2

Abstract

(57)【要約】【課題】発光効率の高い窒化物半導体発光素子を提供
する。【解決手段】窒化物半導体発光素子は、複数の量子井
戸層と複数の障壁層とが交互に積層された多重量子井戸
構造を有する発光層１０６を含み、その量子井戸層はＩ
ｎＧａＮＰからなり、障壁層は窒化物半導体層からなる
ことを特徴としている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、発光効率の高い窒
化物半導体発光素子とこれを利用した光学装置に関する
ものである。

【０００２】

【従来の技術】従来から、窒化物半導体は、発光素子や
ハイパワー半導体デバイスとして利用または研究されて
いる。窒化物半導体発光素子の場合、その発光層（多重
量子井戸構造の発光層ではその井戸層）としては一般に
ＩｎＧａＮが用いられ、そのＩｎ含有率を変えることに
よって青色から橙色までの広い色範囲内の発光素子を作
製することができる。近年では、その窒化物半導体発光
素子の特性を利用して、青色や緑色の発光ダイオード
や、青紫色の半導体レーザなどが開発されている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、ＩｎＧ
ａＮ量子井戸層を含む発光層を気相成長させる場合、そ
の下地となるＧａＮ層に対する格子不整合が大きいこと
と、ＩｎＧａＮ層は化学的熱平衡状態が不安定であるこ
とから、結晶性の良好な発光層を得ることが困難であ
る。特に、井戸層のＩｎ含有率が高くなれば、その成長
温度に依存してＩｎＧａＮ結晶がＩｎ成分の高い領域と
低い領域とに相分離されやすく、このような相分離が発
光素子における色斑の要因となっている。また、Ｉｎ成
分の高い領域は非発光領域になりやすく、このことに起
因して、発光素子における発光効率の低下が生じやす
い。

【０００４】そこで、本発明では、窒化物半導体からな
る量子井戸構造を有する発光層を含む窒化物半導体発光
素子において、その発光層の結晶性を改善するとともに
相分離を抑制することによって、その発光効率を向上さ
せることを主目的としている。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明によれば、窒化物
半導体発光素子は、複数の量子井戸層と複数の障壁層と
が交互に積層された多重量子井戸構造を有する発光層を
含み、それらの量子井戸層はＩｎＧａＮＰからなり、障
壁層は窒化物半導体からなることを特徴としている。

【０００６】このように、光を発する作用を生じる発光
層は量子井戸層と障壁層とを含んでおり、量子井戸層は
障壁層に比べて小さなエネルギバンドギャップを有して
いる。

【０００７】ＩｎＧａＮＰ井戸層は、それに含まれるＶ
族元素のＮとＰのうちで、原子比率で２０％以下のＰを
含んでいることが好ましい。

【０００８】窒化物半導体障壁層は、実質的にＡｓ、
Ｐ、およびＳｂのいずれの元素をも含んでいないことが
好ましい。

【０００９】他方、窒化物半導体障壁層は、それに含ま
れるＶ族元素のうちで、原子比率で７％以下のＡｓ、１
０％以下のＰ、または２％以下のＳｂの少なくともいず
れかを含んでいてもよい。その場合には、障壁層に含ま
れるＩＩＩ族元素のうちで、Ｉｎは原子比率で１５％未
満であることが好ましい。

【００１０】窒化物半導体発光素子は基板を含み、発光
層の両主面のうちでその基板に近い第１主面に接する第
１隣接半導体層と基板から遠い第２主面に接する第２隣
接半導体層とにおいて、少なくとも第２隣接半導体層は
少なくともＡｌを含む窒化物半導体からなることが好ま
しい。第１隣接半導体層または第２隣接半導体層と直接
接しているのは、量子井戸層であることが好ましい。

【００１１】発光層は、２層以上で１０層以下の井戸層
を含んでいることが好ましい。量子井戸層は、０．４ｎ
ｍ以上で２０ｎｍ以下の厚さを有していることが好まし
い。障壁層は、１ｎｍ以上で２０ｎｍ以下の厚さを有し
ていることが好ましい。

【００１２】井戸層と障壁層の少なくとも一方は、Ｓ
ｉ、Ｏ、Ｓ、Ｃ、Ｇｅ、Ｚｎ、Ｃｄ、およびＭｇから選
択された少なくとも１種のドーパントが添加されている
ことが好ましい。そのようなドーパントの添加量は、１
×１０¹⁶〜１×１０²⁰／ｃｍ³の範囲内にあることが好
ましい。

【００１３】窒化物半導体発光素子の基板材料として
は、ＧａＮが好ましく用いられ得る。以上のような窒化
物半導体発光素子は、光情報読出装置、光情報書込装
置、光ピックアップ装置、レーザプリンタ装置、プロジ
ェクタ装置、表示装置、白色光源装置などの種々の光学
装置において好ましく用いられ得るものである。

【００１４】

【発明の実施の形態】本発明の実施の形態のより具体的
な例として、種々の実施例が以下において説明される。

【００１５】一般に、窒化物半導体結晶層を成長させる
際には、ＧａＮ、サファイア、６Ｈ−ＳｉＣ、４Ｈ−Ｓ
ｉＣ、３Ｃ−ＳｉＣ、Ｓｉ、スピネル（ＭｇＡｌ₂Ｏ₄）
などが基板材料として用いられる。ＧａＮ基板と同様
に、窒化物半導体からなる他の基板をも用いることもで
き、たとえばＡｌ_xＧａ_yＩｎ_zＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ
≦１、０≦ｚ≦１、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）基板を用いること
もできる。窒化物半導体レーザの場合では、垂直横モー
ドの単峰化のためにはクラッド層よりも屈折率の低い層
がそのクラッド層の外側に接している必要があり、Ａｌ
ＧａＮ基板を用いることが好ましい。さらに、Ｓｉ、
Ｏ、Ｃｌ、Ｓ、Ｃ、Ｇｅ、Ｚｎ、Ｃｄ、Ｍｇ、Ａｓ、ま
たはＢｅが基板にドーピングされてもよい。ｎ型窒化物
半導体基板のためには、これらのドーピング剤のうちで
Ｓｉ、Ｏ、およびＣｌが特に好ましい。

【００１６】以下の実施例においては上述のような基板
のうちで主にサファイア基板と窒化物半導体のＣ面｛０
００１｝基板について説明されるが、その基板の主面と
なる面方位としては、Ｃ面のほかに、Ａ面｛１１−２
０｝、Ｒ面｛１−１０２｝、またはＭ面｛１−１００｝
を用いてもよい。また、それらの面方位から２度以内の
オフ角度を有する基板であれば、その上に成長させられ
る半導体結晶層の表面モフォロジが良好になる。

【００１７】結晶層を成長させる方法としては、有機金
属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）、分子線エピタキシ法（Ｍ
ＢＥ）、ハイドライド気相成長法（ＨＶＰＥ）などが一
般的に利用される。これらの中でも、作製される窒化物
半導体層の結晶性や生産性を考慮すれば、基板としては
ＧａＮまたはサファイアを使用し、結晶成長方法として
はＭＯＣＶＤ法を利用するのが最も一般的である。

【００１８】（実施例１）以下において、本発明の実施
例１による窒化物半導体レーザダイオード素子が説明さ
れる。

【００１９】図１の模式的な断面図に示された実施例１
による窒化物半導体レーザダイオード素子は、Ｃ面（０
００１）サファイア基板１００、ＧａＮバッファ層１０
１、ｎ型ＧａＮコンタクト層１０２、ｎ型Ｉｎ_0.07Ｇａ
_0.93Ｎクラック防止層１０３、ｎ型Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎク
ラッド層１０４、ｎ型ＧａＮ光ガイド層１０５、発光層
１０６、ｐ型Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8Ｎ遮蔽層１０７、ｐ型Ｇａ
Ｎ光ガイド層１０８、ｐ型Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9クラッド層１
０９、ｐ型ＧａＮコンタクト層１１０、ｎ型電極１１
１、ｐ型電極１１２、およびＳｉＯ₂誘電体膜１１３を
含んでいる。

【００２０】図１のレーザダイオード素子を作製する場
合、まずＭＯＣＶＤ装置内へサファイア基板１００をセ
ットし、Ｖ族元素のＮ用原料としてのＮＨ₃（アンモニ
ア）とＩＩＩ族元素のＧａ用原料としてのＴＭＧａ（ト
リメチルガリウム）を利用して、比較的低い５５０℃の
基板温度の下でＧａＮバッファ層１０１を２５ｎｍの厚
さに成長させる。次に、上記のＮ用とＧａ用の原料に加
えてＳｉＨ₄（シラン）をも利用して、１０５０℃の温
度の下でｎ型ＧａＮコンタクト層１０２（Ｓｉ不純物濃
度：１×１０¹⁸／ｃｍ³）を３μｍの厚さに成長させ
る。続いて、基板温度を７００℃ないし８００℃程度に
下げ、ＩＩＩ族元素のＩｎ用原料としてＴＭＩｎ（トリ
メチルインジウム）を利用して、ｎ型Ｉｎ_0.07Ｇａ_0.93
Ｎクラック防止層１０３を４０ｎｍの厚さに成長させ
る。再び基板温度を１０５０℃に上げて、ＩＩＩ族元素
のＡｌ用原料としてＴＭＡｌ（トリメチルアルミニウ
ム）を利用して厚さ０．８μｍのｎ型Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎ
クラッド層１０４（Ｓｉ不純物濃度：１×１０¹⁸／ｃｍ
³）を成長させ、続いてｎ型ＧａＮ光ガイド層１０５
（Ｓｉ不純物濃度：１×１０¹⁸／ｃｍ³）を０．１μｍ
の厚さに成長させる。

【００２１】その後、基板温度が８００℃に下げられ、
厚さ６ｎｍのＩｎ_0.05Ｇａ_0.95Ｎ障壁層の複数と厚さ４
ｎｍのＩｎ_0.05Ｇａ_0.95Ｎ_0.98Ｐ_0.02井戸層の複数とが
交互に積層された多重量子井戸構造を有する発光層１０
６を形成する。この実施例では、発光層１０６は障壁層
で開始して障壁層で終了する多重量子井戸構造を有し、
３層の量子井戸層を含んでいる。これらの障壁層と井戸
層の成長の際には、それらの両方が１×１０¹⁸／ｃｍ³
のＳｉ不純物濃度を有するように、ＳｉＨ₄が添加され
た。なお、障壁層と井戸層の成長の間または井戸層と障
壁層の成長の間に、１秒以上で１８０秒以下の成長中断
期間を挿入してもよい。こうすることによって、障壁層
と井戸層の平坦性が向上し、発光半値幅を小さくするこ
とができる。

【００２２】一般に、井戸層中におけるＰの含有量は、
目的とする発光素子の発光波長に応じて調節することが
できる。すなわち、井戸層としてＩｎＧａＮＰ系の半導
体を用いる場合に、目的とする発光波長を得るために
は、Ｉｎの含有割合ｙに応じて、表１に示された数値を
Ｐの含有割合ｘの値として採用すればよい。

【００２３】

【表１】

【００２４】発光層１０６を形成した後には、基板を再
び１０５０℃まで昇温して、厚さ２０ｎｍのｐ型Ａｌ
_0.2Ｇａ_0.8Ｎ遮蔽層１０７、厚さ０．１μｍのｐ型Ｇａ
Ｎ光ガイド層１０８、厚さ０．５μｍのｐ型Ａｌ_0.1Ｇ
ａ_0.9Ｎクラッド層１０９、および厚さ０．１μｍのｐ
型ＧａＮコンタクト層１１０を順次成長させる。なお、
ｐ型不純物としては、ＥｔＣＰ₂Ｍｇ（ビスエチルシク
ロペンタジエニルマグネシウム）を利用して５×１０¹⁹
〜２×１０²⁰／ｃｍ³の濃度でＭｇが添加され得る。

【００２５】ｐ型ＧａＮコンタクト層１１０におけるｐ
型不純物濃度は、ｐ型電極１１２との接合面に近づくに
従って高められることが好ましい。そうすれば、ｐ型電
極との間のコンタクト抵抗がより低減され得る。また、
ｐ型層内におけるｐ型不純物であるＭｇの活性化を妨げ
る残留水素を除去するために、ｐ型層の成長中に微量の
酸素を混入させてもよい。

【００２６】ｐ型ＧａＮコンタクト層１１０の成長後、
ＭＯＣＶＤ装置のリアクタ内の全ガスを窒素キャリアガ
スとＮＨ₃に代えて、６０℃／分の冷却速度で温度を降
下させる。基板温度が８００℃に低下した時点でＮＨ₃
の供給を停止し、その８００℃の基板温度を５分間維持
してから室温まで冷却させる。なお、このような一時的
な基板の保持温度は６５０℃から９００℃の範囲内であ
ることが好ましく、保持時間は３分から１０分の範囲内
であることが好ましい。また、その保持温度から室温ま
での冷却速度は、３０℃／分以上であることが好まし
い。

【００２７】こうして形成された成長膜の表面をラマン
測定によって評価したところ、従来の窒化物半導体膜で
利用されているｐ型化アニールを行なわなくても、成長
直後において既にｐ型の特性を示していた。また、ｐ型
電極１１２を形成したときに、そのコンタクト抵抗も低
減していた。なお、従来と同様にｐ型化アニールをも施
せば、成長膜中のＭｇの活性化率がさらに向上すること
はいうまでもない。

【００２８】次に、ＭＯＣＶＤ装置から取出したエピタ
キシャルウェハをレーザダイオード素子に加工するプロ
セスについて説明する。

【００２９】まず、反応性イオンエッチング装置を用い
てｎ型ＧａＮコンタクト層１０２の一部を露出させ、こ
の露出部分上にＨｆ／Ａｕの順の積層からなるｎ型電極
１１１を形成する。このｎ型電極１１１の材料として
は、Ｔｉ／Ａｌ、Ｔｉ／Ｍｏ、Ｈｆ／Ａｌなどの積層を
用いることもできる。Ｈｆは、ｎ型電極のコンタクト抵
抗を下げるのに有効である。ｐ型電極部分では、サファ
イア基板１００の＜１−１００＞方向に沿ってストライ
プ状にエッチングを行ない、ＳｉＯ₂誘電体膜１１３を
蒸着し、ｐ型ＧａＮコンタクト層１１０を露出させ、Ｐ
ｄ／Ａｕの順序の積層を蒸着し、こうして幅２μｍのリ
ッジストライプ状のｐ型電極１１２を形成する。このｐ
型電極の材料としては、Ｎｉ／Ａｕ、Ｐｄ／Ｐｔ／Ａｕ
またはＰｄ／Ｍｏ／Ａｕなどの積層を用いることもでき
る。

【００３０】最後に、劈開またはドライエッチングを利
用して、共振器長が５００μｍのファブリ・ペロー共振
器を作製する。この共振器長は、一般に３００μｍから
１０００μｍの範囲内にあることが好ましい。共振器の
ミラー端面は、サファイア基板のＭ面と一致するように
形成される（図２参照）。劈開とレーザ素子のチップ分
割は、図２中の破線２Ａと２Ｂに沿って基板側からスク
ライバを用いて行なわれる。こうすることによって、レ
ーザ端面の平面性が得られるとともにスクライブによる
削り滓がエピタキシャル層の表面に付着しないので、発
光素子の歩留りが良好になる。

【００３１】なお、レーザ共振器の帰還法としては、フ
ァブリ・ペロー型に限られず、一般に知られているＤＦ
Ｂ（分布帰還）型、ＤＢＲ（分布ブラグ反射）型なども
用い得ることはいうまでもない。

【００３２】ファブリ・ペロー共振器のミラー端面を形
成した後には、そのミラー端面にＳｉＯ₂とＴｉＯ₂の誘
電体膜を交互に蒸着し、７０％の反射率を有する誘電体
多層反射膜を形成する。この誘電体多層反射膜として
は、ＳｉＯ₂／Ａｌ₂Ｏ₃などの多層膜を用いることもで
きる。

【００３３】なお、ｎ型ＧａＮコンタクト層１０２の一
部を反応性イオンエッチングを用いて露出させたのは、
絶縁性のサファイア基板１００が使用されているからで
ある。したがって、ＧａＮ基板、Ｓｉ基板、またはＳｉ
Ｃ基板のような導電性を有する基板を使用する場合に
は、ｎ型ＧａＮ層１０２の一部を露出させる必要はな
く、その導電性基板の裏面上にｎ型電極を形成してもよ
い。

【００３４】次に、上述のようなレーザダイオードチッ
プをパッケージに実装する方法について述べる。まず、
上述のような発光層を含むレーザダイオードがその特性
を生かして高密度記録用光ディスクに適した青紫色（波
長４１０ｎｍ）の高出力（５０ｍＷ）レーザとして用い
られる場合、サファイア基板は熱伝導率が低いので、放
熱対策に注意を払わなければならない。たとえば、Ｉｎ
半田材を用いて半導体接合を下側にしてチップをパッケ
ージ本体に接続することが好ましい。また、パッケージ
本体やヒートシンク部に直接にチップを取付けるのでは
なくて、Ｓｉ、ＡｌＮ、ダイヤモンド、Ｍｏ、ＣｕＷ、
ＢＮ、Ｃｕ、Ａｕ、Ｆｅなどの良好な熱伝導性を有する
サブマウントを介して接合させてもよい。

【００３５】他方、熱伝導率の高いＳｉＣ基板、窒化物
半導体基板（たとえばＧａＮ基板）、またはＧａＮ厚膜
基板（たとえば図８に示す基板８００の種基板８０１を
研削除去したもの）上に前述の発光層を含む窒化物半導
体レーザダイオードを作製した場合には、たとえばＩｎ
半田材を用いて半導体接合を上側にしてパッケージ本体
に接続することが好ましい。この場合にも、パッケージ
本体やヒートシンク部に直接チップの基板を取付けるの
ではなくてＳｉ、ＡｌＮ、ダイヤモンド、Ｍｏ、Ｃｕ
Ｗ、ＢＮ、Ｃｕ、Ａｕ、Ｆｅなどのサブマウントを介し
て接続してもよい。

【００３６】以上のようにして、発光層を構成している
井戸層にＰを含む窒化物半導体を用いたレーザダイオー
ドを作製することができる。

【００３７】次に、上述の実施例のレーザダイオードに
含まれる発光層１０６に関連してさらに詳細に説明す
る。

【００３８】前述ように、ＩｎＧａＮ量子井戸層を含む
発光層を気相成長させる場合、その下地となるＧａＮ層
に対する格子不整合が大きいことと、ＩｎＧａＮ層は化
学的熱平衡状態が不安定であることから、目的とするＩ
ｎ含有率を有する井戸層を作製することが困難である。
特に、Ｉｎ含有率が高い場合（井戸層に含まれるＩＩＩ
族元素のＧａとＩｎのうちでＩｎの原子比率が約１５％
以上の場合）、ＩｎＧａＮ混晶の組成制御が容易でな
い。すなわち、その混晶の組成比率は結晶成長温度に強
く依存し、ＩｎＧａＮ結晶中でＩｎ成分の高い領域と低
い領域とに相分離を生じやすい。このような相分離が生
じることは、発光波長の半値幅が広くなることを意味
し、色斑の原因となる。また、Ｉｎ成分の高い領域は非
発光領域になりやすく、発光素子における発光効率の低
下や歩留まりの低下の原因となる。

【００３９】ＩｎＧａＮ結晶の相分離は、Ｉｎ自体の偏
析（凝集）効果と、Ｖ族元素のＮがその非常に高い揮発
性のために結晶中に取込まれにくいことに起因してい
る。

【００４０】Ｖ族元素のＮが結晶中に取込まれにくいと
いうことは、ＮとＩｎの結合が形成されにくいことを意
味する。Ｎと結合できなかったＩｎは、Ｉｎ同士が凝縮
し合って（偏析）、Ｉｎ成分の高い領域を形成してしま
う。これが相分離である。同様に、ＧａとＮについて
も、Ｎと結合できなかったＧａが存在するが、ＧａはＩ
ｎと異なりエピ表面をしばらく拡散した後に再蒸発す
る。したがって、Ｇａ同士の偏析効果はＩｎのそれと比
べて極めて小さい。

【００４１】本発明では、井戸層としてのＩｎＧａＮＰ
を用いることによって、Ｎに比べて揮発性の低いＶ族元
素のＰを容易にＩｎと結合させることができる。なぜな
らば、ＰはＮに比べてＩｎとの結合力が強く、しかもＮ
に比べて揮発性が低いために結晶中から抜け出にくいか
らである。このように、ＩｎとＰとの結合が形成される
ことによって、Ｉｎ同士が凝縮し合って偏析することを
防止する。また、本発明のＩｎＧａＮＰ井戸層は、従来
のＩｎＧａＮに比べて、目的発光波長を得るために必要
とされるＩｎ含有率を低くすることができる。なぜなら
ば、Ｉｎと同様にＰがエネルギバンドギャップを調節す
るように作用し得るからである。もちろん、井戸層中に
おけるＩｎの低い含有率は、Ｉｎ自体の偏析効果を低減
するように作用する。さらに、ＩｎＧａＮＰ井戸層にお
いては、Ｐの含有率変化によるエネルギバンドギャップ
のボウイング効果が非常に大きく、ＩｎＧａＮ結晶に比
べて下地のＧａＮ層とのわずかな格子不整合で目的発光
波長を得ることができる。このことは、そのような井戸
層を含む発光層中の結晶欠陥を減少させ、高い結晶性を
有する発光層の実現を可能にする。

【００４２】本発明による井戸層においてＮの置換元素
としてＰを選択した理由は、Ｎに比べて揮発性の低いＶ
族元素（たとえば、Ｐ、Ａｓ、Ｓｂなど）のうちで、Ｐ
が最もＮの原子半径に近いからである。このことによっ
て、窒化物半導体結晶中のＶ族原子の格子位置にＰが容
易に組込まれ、その結晶性を損なうことがない。もちろ
ん、井戸層はキャリアが発光再結合を起こす層であるの
で、障壁層に比べても特に高い結晶性が望まれる。この
ような結晶性の観点からも、井戸層中においてＮの置換
元素としてＰを含有させることは特に好ましい。

【００４３】また、ＩｎＧａＮＰ井戸層においては従来
のＩｎＧａＮ井戸層に比べて電子とホールの有効質量が
小さくなるので、ＩｎＧａＮＰ井戸層を含むレーザ素子
においては従来に比べてレーザ発振しきい値電流密度を
低くすることができる。このことによって、低消費電力
かつ高出力で長寿命のレーザ素子を実現することができ
る。さらに、従来のＩｎＧａＮ井戸層を含む琥珀色発光
ダイオードはその井戸層中のＩｎ含有率が高くて信頼性
と発光強度の観点から商品化レベルに達していなかった
が、本発明によるＩｎＧａＮＰ井戸層は、前述のように
従来に比べてＩｎ含有率が低くかつ格子整合性が良好で
あるので、長波長の色の発光ダイオードにも適してい
る。

【００４４】次に、発光層に含まれる井戸層と障壁層の
好ましい構成およびそれらの成長条件について述べる。

【００４５】まず、本発明によるＩｎＧａＮＰ井戸層
は、６００℃以上９００℃以下のもとで成長させるのが
好ましい。また、ＩｎＧａＮ_1-xＰ_x井戸層中のＰの平均
含有率ｘは０＜ｘ＜０．５の範囲内にあることが好まし
く、０＜ｘ≦０．２の範囲内にあることがさらに好まし
い。なぜならば、これらの条件から外れれば、Ｐを含有
させることによる井戸層の相分離を抑制する効果より
も、Ｐが含まれたことによる結晶性の悪化が顕著になり
始めるからである。

【００４６】すなわち、井戸層の成長温度が９００℃よ
り高くなれば、井戸層中において揮発性が高いＮの抜け
が顕著になり、局所的にＰの含有率ｘが０．５以上にな
ってしまう。Ｐの含有率ｘが高くて０．５≦ｘ≦１の領
域はｘが小さい場合の六方晶系ではなくて立方晶系（閃
亜鉛鉱構造）に属するので、同じ井戸層中に異なる結晶
系が混在してその井戸層の結晶性が悪化することにな
る。このようなことから、井戸層が９００℃以下の温度
のもとで成長させられる場合であっても、それに含まれ
るＰの平均含有率ｘは０．５未満であることが望まれ
る。なお、以後において、異なる結晶系（六方晶系と立
方晶系）が混在する状態を結晶系分離と呼ぶことにす
る。一方、井戸層の成長温度が６００℃より低くなれ
ば、井戸層の結晶性が低下するため好ましくない。

【００４７】ＩｎＧａＮＰ井戸層の厚さについては、上
記の成長条件の範囲内であれば従来のＩｎＧａＮ層に比
べて厚く成長させても結晶欠陥が生じにくく、Ｉｎの含
有率にも依存するが３００ｎｍ程度の厚さまで成長させ
ることが可能である。しかしながら、量子井戸効果を利
用する発光素子の観点からは、ＩｎＧａＮＰ井戸層の厚
さは２０ｎｍ以下であることが好ましい。他方、井戸層
は、０．４ｎｍ未満の厚さになれば発光作用を生じなく
なるので、それ以上の厚さを有することが必要である。

【００４８】上述の好ましいＩｎＧａＮ_1-xＰ_x（０＜ｘ
≦０．２）井戸層に対して最も好ましい障壁層は、Ａ
ｓ、Ｐ、およびＳｂのいずれをも含まない窒化物半導体
障壁層である。これは、以下のような理由による。

【００４９】上述のように、適正な条件のもとでＩｎＧ
ａＮ_1-xＰ_x（０＜ｘ≦０．２）井戸層を堆積すれば、そ
の結晶成長の際に結晶系分離が生じることを防止し得
る。しかしながら、発光素子を作製するためには発光層
の堆積後にｐ型層を堆積しなければならず、このｐ型層
の成長温度は少なくとも１０００℃以上の高温にしなけ
ればならない。したがって、井戸層中のＰの含有量にも
よるが、井戸層がその成長中に結晶系分離を起こしてい
なくても、ｐ型層の高温成長の際に結晶系分離を生じる
ことがある。この結晶系分離が井戸層と障壁層との界面
で生じた場合、その井戸層に接する障壁層へその結晶系
分離の影響が伝播する。この影響が強い場合にはその伝
播が発光層全体に広がり、多重量子井戸構造の形成が困
難になる。ところが、障壁層自体がＡｓ、Ｐ、およびＳ
ｂのいずれをも含有していない場合には、結晶系分離を
生じた井戸層にその障壁層が接していても、障壁層全体
が異なる結晶系（立方晶系）に相転移することはなく、
六方晶系を維持することができる。したがって、そのよ
うな障壁層は結晶系分離の影響が他の層に伝播すること
を防止するように作用し、多重量子井戸構造を支障なく
作製することが可能になる。

【００５０】Ａｓ、Ｐ、およびＳｂのいずれをも含まな
い窒化物半導体障壁層としては、たとえば、ＡｌＧａ
Ｎ、ＧａＮ、ＩｎＧａＮ、またはＩｎＡｌＧａＮなどを
用いることができる。障壁層がＡｌＧａＮを含む場合、
ＡｌはＶ族元素との結合力が強いので、高い成長温度の
もとでもその障壁層が安定であって結晶系分離の伝播を
防止することができる。ただし、ＡｌＧａＮは、高温で
成長しなければ結晶性が良くないため、井戸層の適正成
長温度との関連から９００℃で成長することが好まし
い。他方、ＧａＮ障壁層は、Ｉｎを含まないので、もと
もと相分離および結晶系分離とは無縁であるため好まし
い。ただし、ＧａＮは高温で成長しなければ結晶性が良
くないため、井戸層の適正成長温度との関連から９００
℃で成長することが好ましい。

【００５１】ＩｎＧａＮ障壁層については、Ｉｎを含有
することによってその成長温度を井戸層と同程度（６０
０℃〜９００℃）まで低くすることができる。したがっ
て、発光層の結晶成長中に井戸層が結晶系分離を生じる
高温にされることがなく、障壁層の結晶性も良好にな
る。なお、このＩｎＧａＮ障壁層におけるＩＩＩ族元素
のうちでＩｎの原子比率は１５％未満であることが望ま
れる。さらに好ましくは、８％以下である。このような
Ｉｎの含有率であれば、上述のようなＩｎＧａＮ層中の
相分離（Ｉｎ成分の高い領域と低い領域に分離するこ
と）が生じない。

【００５２】ＩｎＡｌＧａＮ障壁層は、Ａｌを含有して
いるため上記ＡｌＧａＮと同様の特性を有する。しか
も、Ｉｎも含有されているため、井戸層と同程度（６０
０℃〜９００℃）の成長温度で作製できる。したがっ
て、井戸層が結晶成長中に、結晶系分離を生じることな
く、かつ障壁層の結晶性も良好であるため好ましい。

【００５３】他方、窒化物半導体障壁層がＡｓ、Ｐ、ま
たはＳｂの少なくともいずれかを含有する場合には、そ
の障壁層に含まれるＶ族元素のうちでＡｓは原子比率で
７％以下、Ｐは１０％以下、そしてＳｂは２％以下であ
ることを要する。なぜならば、上述のように、障壁層が
Ａｓ、Ｐ、またはＳｂを含有する場合には結晶系分離の
影響を他の層へ伝播させる可能性があり、このような伝
播を防止するためにはＡｓ、Ｐ、およびＳｂの含有率を
制限しなければならないからである。

【００５４】このような制限のもとにおいて、障壁層に
あえてＡｓ、Ｐ、またはＳｂを含有させることが好まし
い点は、第１に、これらの元素を含有する障壁層はＩｎ
ＧａＮＰ井戸層とほぼ同一の温度で結晶成長させること
ができるので、発光層全体の結晶性が良好になることで
ある。第２に、Ａｓ、Ｐ、またはＳｂを含有する障壁層
は屈折率が大きくなる傾向を有するので、光閉じ込め効
率が向上して、レーザ発振しきい値電流密度の低減や光
学特性の向上を図り得ることである。

【００５５】このような障壁層として、たとえばＩｎＧ
ａＮＸ（ＸはＡｓ、Ｐ、およびＳｂから選択された１以
上のもの、以下同じ）、ＧａＮＸ、ＡｌＧａＮＸ、Ｉｎ
ＡｌＧａＮＸなどが用いられ得る。なお、ＩｎＧａＮＸ
障壁層においては、基本的には本発明によるＩｎＧａＮ
Ｐ井戸層と同様の効果が得られる。他方、ＡｌＧａＮは
その結晶性をよくするためには一般に成長温度を高くし
なければならないが、ＡｌＧａＮＸはＡｓ、Ｐ、または
Ｓｂのいずれかの元素を含んでいるので、その結晶成長
温度をＩｎＧａＮＰ井戸層の場合と同様に低くすること
ができる。

【００５６】障壁層の厚さについては、それがＡｓ、
Ｐ、またはＳｂを含むか否かに関わらず、１〜２０ｎｍ
の範囲内にあることが好ましい。障壁層の厚さが１ｎｍ
よりも薄いと、井戸層に結晶系分離が生じた場合にその
影響を遮蔽することが非常に困難であるため好ましくな
い。一方、障壁層の厚さが２０ｎｍよりも厚くなると、
多重量子井戸構造のエネルギサブバンドを構成するのが
困難になるため好ましくない。

【００５７】また、井戸層と障壁層との層厚の関係につ
いては、障壁層の厚さが井戸層の厚さと同じかまたは薄
くすることによって多重量子井戸構造のエネルギサブバ
ンドを構成しやすくなるため好ましい。一方、障壁層の
厚さが井戸層の厚さと同じかまたは厚くなると井戸層の
結晶系分離の影響を遮蔽する効果が大きくなるため好ま
しい。

【００５８】発光層の不純物の添加に関しては、本実施
例では井戸層と障壁層の両方に不純物としてＳｉＨ
₄（Ｓｉ）を添加したが、片方の層のみに添加してもよ
いし、両層ともに添加されなくてもレーザ発振は可能で
ある。しかし、フォトルミネッセンス（ＰＬ）測定によ
れば、井戸層と障壁層との両方にＳｉＨ₄を添加した場
合に、添加しない場合に比べてＰＬ発光強度が約１．２
倍から１．４倍程度強くなった。このことから、発光ダ
イオードにおいては、発光層中にＳｉＨ₄などの不純物
を添加する方が好ましい。

【００５９】この理由としては、本発明によるＩｎＧａ
ＮＰ井戸層はＰを含むことによって従来のＩｎＧａＮ層
中の相分離（Ｉｎ偏析など）による非発光部（Ｉｎ成分
の高い領域）の発生を抑制できる代わりに、全くＰを含
まないＩｎＧａＮ井戸層に比べて、適度に形成されるべ
きＩｎの局在準位（量子ドット）が形成されにくくなる
ことが考えられる。このような局在準位はキャリアをト
ラップする働きを有するので、井戸層中に結晶欠陥が多
く存在していても、効率的な発光再結合に寄与すること
ができる。したがって、そのような局在準位が形成され
にくいＩｎＧａＮＰ井戸層の発光強度を高めるために
は、その結晶性をよくすることが必要である。したがっ
て、Ｓｉなどの不純物を添加することは、ＩｎＧａＮＰ
井戸層の結晶成長のための核を形成し、その核を元にし
て結晶性の良好な井戸層の成長が可能になるので好まし
い。本実施例ではＳｉ（ＳｉＨ₄）を１×１０¹⁸／ｃｍ³
の濃度で添加したが、Ｓｉ以外にＯ、Ｓ、Ｃ、Ｇｅ、Ｚ
ｎ、Ｃｄ、Ｍｇなどを添加しても同様の効果が得られ
る。また、これらの添加原子の濃度は約１×１０¹⁶〜１
×１０²⁰／ｃｍ³程度が好ましい。添加濃度が１×１０
¹⁶／ｃｍ³よりも低いと、前記核形成が十分に行なわれ
ないために結晶性が低下して好ましくない。一方、添加
濃度が１×１０²⁰／ｃｍ³よりも高いと、不純物自体を
添加したことによる結晶欠陥が増大し始め、結晶性が低
下して好ましくない。

【００６０】一般に、レーザダイオードの場合には、障
壁層のみに不純物を添加する変調ドープを行なえば、井
戸層内でのキャリア吸収がないためにしきい値電流密度
が低下するが、むしろ本発明の井戸層においては不純物
を添加した方がレーザのしきい値が低かった。これは、
本実施例においては窒化物半導体基板と異なるサファイ
ア基板から出発して結晶成長を進めているので、結晶欠
陥が多く（貫通転位密度が約１×１０¹⁰／ｃｍ²）、井
戸層内での不純物によるキャリア吸収を考慮するよりも
不純物を添加して結晶性を向上させた方がレーザしきい
値電流密度の低減に有効であったと考えられる。

【００６１】図３において、発光層（多重量子井戸構
造）に含まれる井戸層の数とレーザしきい値電流密度と
の関係が示されている。すなわち、このグラフの横軸は
井戸層の数を表わし、縦軸はしきい値電流密度（ｋＡ／
ｃｍ²）を表わしている。また、○印はサファイア基板
を用いた場合のレーザしきい値電流密度を表わし、●印
はＧａＮ基板を用いた場合を表わしている。図３からわ
かるように、井戸層数が１０層以下のときにしきい値電
流密度が１０ｋＡ／ｃｍ²以下になり、室温連続発振が
可能となる。また、発振しきい値電流密度をさらに低減
するためには、井戸層数が２層以上で６層以下であるこ
とが好ましい。さらに、サファイア基板よりもＧａＮ基
板を用いた場合にしきい値電流密度が低くなることがわ
かる。

【００６２】ＧａＮ基板（窒化物半導体基板）を用いた
本発明の発光層を有するレーザ素子の方がサファイア基
板を用いたそれと比べてしきい値電流密度が低くなった
のは、結晶欠陥（特に貫通電位）が減少したことによる
と考えられる。

【００６３】発明者らの実験によれば、ＩｎＧａＮＰ井
戸層中に添加したＰは、窒化物半導体膜の貫通転位近傍
に偏析しやすいことがわかった。このようなＰの偏析は
井戸層の結晶性を低下させ、ひいては結晶系分離に発展
してしまう。また、結晶系分離が生じてしまうと、多層
積層構造を有する多重量子井戸構造の作製も困難になっ
てしまう。したがって、本発明の発光層を有する発光素
子の発光効率をさらに向上させるためには、前述の不純
物添加の他に、貫通転位密度の低い（貫通転位密度１×
１０⁷／ｃｍ²以下）窒化物半導体基板（たとえばＧａＮ
基板）を用いることは特に好ましい。

【００６４】発光層１０６上には、ｐ型ＡｌＧａＮ遮蔽
層１０７とｐ型層１０８がこの順に積層するように設け
られている。このｐ型層１０８は、レーザダイオードの
場合にはｐ型光ガイド層に対応するが、発光ダイオード
の場合にはｐ型クラッド層またはｐ型コンタクト層に対
応する。

【００６５】ＰＬ測定によれば、遮蔽層１０７がない場
合とある場合との比較では、遮蔽層がある場合の方が設
計発光波長からのシフト量が小さくてＰＬ発光強度も強
かった。上述のレーザダイオードの発光層に関連して述
べたように、発光層１０６に比べてその上のｐ型層１０
８の成長温度は高いので発光層の結晶系分離を促すよう
に作用することがある。しかし、発光層とその上のｐ型
層との間に接する界面にＡｌを含有する遮蔽層１０７を
設けることによって、発光層の結晶系分離を抑制しかつ
Ｐを含有する井戸層１０６からの影響（結晶系分離な
ど）がｐ型層１０８へ伝播することをも防止し得ると考
えられる。ＡｌはＶ族元素に対して強い結合力を有して
いて高い結晶成長温度でもその結合が安定であるので、
たとえ発光層からＶ族原子の抜けが生じたとしてもそれ
が遮断層内部に拡散していくことを防止し得る。特に、
多重量子井戸構造を有する発光層１０６が井戸層で開始
して井戸層で終了する図４（ｂ）の構造を有する場合
に、遮蔽層１０７の効果が顕著に認められた。

【００６６】以上のことから、遮蔽層１０７は、少なく
ともＡｌを含有していることが重要である。また、遮蔽
層の極性はｐ型であることが好ましい。なぜならば、遮
蔽層がｐ型でなければ発光層近傍のｐｎ接合の位置が変
化して発光効率が低下するからである。

【００６７】上述の場合と同様に、ｎ型ＡｌＧａＮ遮蔽
層を発光層１０６とｎ型層１０５との間に接するように
設けてもよい。このｎ型層１０５は、レーザダイオード
の場合にはｎ型光ガイド層に相当するが、発光ダイオー
ドの場合にはｎ型クラッド層またはｎ型コンタクト層に
相当する。そのようなｎ型ＡｌＧａＮ遮蔽層の効果は、
ｐ型ＡｌＧａＮ遮蔽層１０７とほぼ同様である。

【００６８】次に、発光層のバンドギャップ構造に関し
ては、図６におけるバンドギャップ構造では、光ガイド
層と障壁層が同一の窒化物半導体材料であるので、それ
らのエネルギバンドギャップと屈折率も同じである。し
たがって、この場合にはサブバンドによる多重量子井戸
効果を得にくく、レーザダイオードの場合には利得の減
少（しきい値電流密度の増加）を、発光ダイオードの場
合には波長の半値幅の増加（色斑の原因）を招きやす
い。

【００６９】そこで、本実施例においては、図４（ａ）
に示されているように、光ガイド層に比べて障壁層のエ
ネルギバンドギャップが小さくされる。これによって、
図６に示されたバンドギャップ構造と比べてサブバンド
による多重量子井戸効果が得やすくなり、かつ光ガイド
層よりも障壁層の屈折率が大きくなって光閉じ込め効果
が向上し、垂直横モードの特性（単峰化）が改善され
る。特に、障壁層がＡｓ、Ｐ、またはＳｂを含有してい
る場合に、その屈折率が大きくなる傾向が顕著であって
好ましい。

【００７０】上述のように光ガイド層に比べて障壁層の
エネルギバンドギャップを小さくする発光層の構成は、
図４（ａ）と（ｂ）に示されているように２種類が可能
である。すなわち、多重量子井戸構造を有する発光層が
障壁層で始まって障壁層で終わる構成と井戸層で始まっ
て井戸層で終わる構成のいずれであってもよい。また、
遮蔽層を用いない場合の発光層のバンドギャップ構造
は、図５（ａ）と（ｂ）に示された状態になる。

【００７１】（実施例２）実施例２では、実施例１で述
べられた多重量子井戸構造を有する発光層中の障壁層の
窒化物半導体材料が種々に変えられた。これらの障壁層
の窒化物半導体材料が表２に示されている。

【００７２】このような実施例２による発光素子におけ
るその他の条件は実施例１の場合と同様にされたが、実
施例１と同様な効果が得られた。

【００７３】

【表２】

【００７４】（実施例３）図７に示された実施例３にお
いては、実施例１で用いられたサファイア基板１００の
代わりに主面としてＣ面（｛０００１｝面）を有するｎ
型ＧａＮ基板７００が用いられた。ＧａＮ基板を用いる
場合、ＧａＮバッファ層１０１を省略してｎ型ＧａＮ層
１０２を直接ＧａＮ基板上に成長させてもよい。しか
し、現在商業的に入手可能なＧａＮ基板はその結晶性や
表面モホロジーが十分に良好ではないので、これらの改
善のためにＧａＮバッファ層１０１を挿入する方が好ま
しい。

【００７５】この実施例３ではｎ型ＧａＮ基板７００を
用いているので、ｎ型電極１１１はＧａＮ基板７００の
裏面に形成することができる。また、ＧａＮ基板は劈開
端面が非常に平滑であるので、共振器長が３００μｍの
ファブリ・ペロー共振器を低いミラー損失で作製するこ
とができる。なお、実施例１の場合と同様に、共振器長
は、一般に３００μｍから１０００μｍの範囲内にある
ことが好ましい。共振器のミラー端面は、ＧａＮ基板７
００の｛１−１００｝面に対応するように形成される。
また、レーザ素子の劈開とチップ分割は、前述の図２の
場合と同様に基板側からスクライバによって行なわれ
る。さらに、レーザ共振器の帰還手法として、前述のＤ
ＦＢやＴＢＲを用いることももちろん可能であり、さら
にミラー端面に実施例１の場合と同様の誘電多層反射膜
が形成されてもよいことも言うまでもない。

【００７６】サファイア基板の代わりにＧａＮ基板を用
いることによって、エピタキシャルウェハ中にクラック
を生じることなく、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層１０４と
ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１０９の厚さを大きくするこ
とができる。好ましくは、これらのＡｌＧａＮクラッド
層の厚さは、０．８〜１．０μｍの範囲内に設定され
る。これによって、垂直横モードの単峰化と光閉じ込め
効率が改善され、レーザ素子の光学特性の向上とレーザ
しきい値電流密度の低減を図ることができる。

【００７７】ところで、前述のように本発明による発光
層に含まれる井戸層の特性はその井戸層の結晶性（結晶
欠陥）に強く依存するので、本実施例におけるようにＧ
ａＮ基板を用いて該井戸層を含む窒化物半導体レーザダ
イオード素子を作製すれば、その発光層中の結晶欠陥密
度（たとえば貫通転位密度）が低減され、サファイア基
板が用いられた実施例１に比べてレーザ発振しきい値電
流密度が低減する（図３参照）。

【００７８】なお、本実施例における発光層に関するそ
の他の条件については、実施例１の場合と同様である。
ただし、発光層中の不純物濃度に関しては、障壁層中の
みに不純物を添加する変調ドープ、または井戸層に３×
１０¹⁸／ｃｍ³以下の濃度の不純物を添加することによ
って、レーザしきい値電流密度が実施例１に比べて低減
した。これは、前述のように発光層の結晶性がサファイ
ア基板を用いた場合に比べて向上したためであると考え
られる。

【００７９】（実施例４）実施例４は、実施例１のサフ
ァイア基板１００を図８に示された基板８００に置き換
えたことを除いて、実施例１または実施例３と同様であ
る。図８の基板８００は、順次積層された種基板８０
１、バッファ層８０２、ｎ型ＧａＮ膜８０３、誘電体膜
８０４、およびｎ型ＧａＮ厚膜８０５を含んでいる。

【００８０】このような基板８００の作製においては、
まず、種基板８０１上にＭＯＣＶＤ法によって５５０℃
の比較的低温でバッファ層８０２を積層する。その上
に、１０５０℃の温度においてＳｉをドーピングしなが
ら厚さ１μｍのｎ型ＧａＮ膜８０３が形成される。

【００８１】ｎ型ＧａＮ膜８０３の形成されたウェハを
ＭＯＣＶＤ装置から取出し、スパッタ法、ＣＶＤ法、ま
たはＥＢ蒸着法を利用して誘電体膜８０４を厚さ１００
ｎｍに形成し、リソグラフィ技術を用いてその誘電体膜
８０４が周期的なストライプ状パターンに加工される。
これらのストライプはｎ型ＧａＮ膜８０３の＜１−１０
０＞方向に沿っており、この方向に直交する方向の＜１
１−２０＞方向に１０μｍの周期的ピッチと５μｍのス
トライプ幅とを有している。

【００８２】次に、ストライプ状に加工された誘電体膜
８０４が形成されたウェハがＨＶＰＥ装置内にセットさ
れ、１×１０¹⁸／ｃｍ³のＳｉ濃度と３５０μｍの厚さ
を有するｎ型ＧａＮ厚膜８０５が１１００℃の成長温度
において堆積される。

【００８３】ｎ型ＧａＮ厚膜８０５が形成されたウェハ
はＨＶＰＥ装置から取出され、その上に実施例１（図１
参照）と同様のレーザダイオードが作製された。ただ
し、この実施例４においては、レーザダイオードのリッ
ジストライプ部分１Ａが図８のライン８１０と８１１の
直上に位置しないように作製された。これは、貫通転位
密度（すなわち結晶欠陥密度）の少ない部分にレーザ素
子を作製するためである。このようにして作製された実
施例４のレーザダイオードの特性は、基本的に実施例３
の場合と同様であった。

【００８４】なお、基板８００は、研磨機で種基板８０
１を除去した後にレーザダイオード用基板として用いら
れてもよい。また、基板８００はバッファ層８０２以下
のすべての層を研磨機で除去した後にレーザダイオード
基板として用いられてもよい。さらに、基板８００は、
誘電体膜８０４以下のすべての層を研磨機で除去した後
にレーザダイオード用基板として用いられもよい。種基
板８０１が除去される場合、実施例３の場合と同様に、
その基板の裏面上にｎ型電極１１１を形成することがで
きる。なお、種基板８０１は、レーザダイオードが作製
された後に除去することも可能である。

【００８５】上記の基板８００の作製において、種基板
８０１としては、Ｃ面サファイア、Ｍ面サファイア、Ａ
面サファイア、Ｒ面サファイア、ＧａＡｓ、ＺｎＯ、Ｍ
ｇＯ、スピネル、Ｇｅ、ＧａＡｓ、Ｓｉ、６Ｈ−Ｓｉ
Ｃ、４Ｈ−ＳｉＣ、３Ｃ−ＳｉＣなどのいずれが用いら
れてもよい。バッファ層８０２としては、４５０℃から
６００℃の比較的低温で成長させられたＧａＮ層、Ａｌ
Ｎ層、Ａｌ_xＧａ_1-xＮ（０＜ｘ＜１）層、またはＩｎ_y
Ｇａ_1-yＮ（０＜ｙ≦１）層のいずれが用いられてもよ
い。ｎ型ＧａＮ膜８０３の代わりとして、ｎ型Ａｌ_zＧ
ａ_1-zＮ（０＜ｚ＜１）膜が用いられ得る。誘電体膜８
０４としては、ＳｉＯ₂膜、ＳｉＮ_x膜、ＴｉＯ ₂膜、ま
たはＡｌ₂Ｏ₃膜のいずれが用いられてもよい。ｎ型Ｇａ
Ｎ厚膜８０５の代わりとして、ｎ型Ａｌ_wＧａ_1-wＮ（０
＜ｗ≦１）厚膜であってもよく、その膜厚は２０μｍ以
上であればよい。

【００８６】（実施例５）実施例５においては、実施例
１の光ガイド層の材料が種々変えられた。実施例１では
ｎ型光ガイド層１０５とｐ型光ガイド層１０８の両方が
ＧａＮで形成されていたが、それらのＧａＮ層の窒素原
子の一部がＡｓ、Ｐ、またはＳｂのいずれかの元素で置
換されてもよい。すなわち、ＧａＮ_1-x-y-zＡｓ_xＰ_yＳ
ｂ_z（０≦ｘ≦０．０７、０≦ｙ≦０．１、０≦ｚ≦
０．０２、ｘ＋ｙ＋ｚ＞０）の光ガイド層を用いること
ができる。

【００８７】従来のＡｌＧａＮクラッド層／ＧａＮ光ガ
イド層では、たとえクラッド層中のＡｌ含有量を増大さ
せたとしても、これらの互いの層の屈折率差が小さく、
逆に格子不整合が増加してクラックの発生や結晶性の低
下を招く。他方、ＡｌＧａＮクラッド層とＧａＮＡｓＰ
Ｓｂ光ガイド層との組合せの場合、Ａｓ、Ｐ、またはＳ
ｂによるバンドギャップにおける非常に大きなボウイン
グ効果のために、従来に比べてわずかな格子不整合でエ
ネルギギャップ差が大きくなるとともに屈折率差も大き
くなる。このことによって、窒化物半導体レーザダイオ
ード素子においてレーザ光を効率よく閉じ込めることが
でき、垂直横モード特性（単峰化）が向上する。

【００８８】ＧａＮ_1-x-y-zＡｓ_xＰ_yＳｂ_z（０≦ｘ≦
０．０７、０≦ｙ≦０．１、０≦ｚ≦０．０２、ｘ＋ｙ
＋ｚ＞０）光ガイド層における組成比率に関しては、そ
の光ガイド層が発光層中の障壁層に比べてエネルギバン
ドギャップが大きくなるようにｘ、ｙ、およびｚの組成
比を調整すればよい。たとえば、青紫色レーザ（波長４
１０ｎｍ）素子中のＧａＮ_1-xＡｓ_x光ガイド層の場合に
はＡｓの組成比率ｘが０．０２以下、ＧａＮ_1-yＰ_y光ガ
イド層の場合にはＰの組成比率ｙが０．０３以下、そし
てＧａＮ_1-zＳｂ_z光ガイド層の場合にはＳｂの組成比率
ｚが０．０１以下に調整される。なお、この実施例５に
おける発光層に関する他の条件は、実施例１の場合と同
様である。

【００８９】（実施例６）実施例６は、窒化物半導体発
光ダイオード素子に関するものである。図９において、
この実施例６の窒化物半導体発光ダイオード素子の模式
的な縦断面図（ａ）と上面図（ｂ）が示されている。

【００９０】図９（ａ）の発光ダイオード素子は、Ｃ面
（０００１）サファイア基板９００、ＧａＮバッファ層
９０１（膜厚３０ｎｍ）、ｎ型ＧａＮ層コンタクト９０
２（膜厚３μｍ、Ｓｉ不純物濃度１×１０¹⁸／ｃ
ｍ³）、ｎ型Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎ遮蔽層兼クラッド層９０
３（膜厚２０ｎｍ、Ｓｉ不純物濃度１×１０¹⁸／ｃ
ｍ³）、発光層９０４、ｐ型Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎ遮蔽層兼
クラッド層９０５（膜厚２０ｎｍ、Ｍｇ不純物濃度６×
１０¹⁹／ｃｍ³）、ｐ型ＧａＮコンタクト層９０６（膜
厚２００ｎｍ、Ｍｇ不純物濃度１×１０²⁰／ｃｍ³）、
透光性電極９０７、ｐ型電極９０８、ｎ型電極９０９、
および誘電体膜９１０を含んでいる。

【００９１】ただし、このような発光ダイオード素子に
おいて、ｎ型Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎ遮蔽層兼クラッド層９０
３は省略されてもよい。また、透光性電極９０７はＮｉ
またはＰｄで形成され、ｐ型電極９０８はＡｕで形成さ
れ、そしてｎ型電極９０９はＨｆ／Ａｕ、Ｔｉ／Ａｌ、
Ｔｉ／Ｍｏ、またはＨｆ／Ａｌの積層体で形成され得
る。

【００９２】この実施例の発光層においては、井戸層と
障壁層のそれぞれにＳｉＨ₄（Ｓｉ不純物濃度５×１０
¹⁷／ｃｍ³）が添加されている。なお、これらの井戸層
と障壁層の窒化物半導体材料については、実施例１と２
の場合と同様である。また、サファイア基板９００の代
わりにＧａＮ基板を用いた場合は実施例３と同様の効果
が得られ、図８に示す基板を用いた場合には実施例４と
同様の効果が得られる。さらに、ＧａＮ基板は導電性基
板であるので、図９（ｂ）のように発光素子の片面側に
ｐ型電極９０８とｎ型電極９０９の両方を形成してもよ
いし、ＧａＮ基板の裏面上にｎ型電極を形成してエピタ
キシャル最外表面上にｐ型電極を形成してもよい。

【００９３】なお、この実施例６における発光層９０４
に含まれる井戸層と障壁層に関するその他の条件は、実
施例１の場合と同様である。

【００９４】図１０においては、発光ダイオード素子の
発光層に含まれる井戸層数と発光強度の関係が示されて
いる。すなわち、このグラフにおいて横軸は井戸層数を
表わし、縦軸は発光強度（ａｒｂ．ｕｎｉｔｓ：規格化
された任意単位）を表わしている。すなわち、図１０に
おいて、発光ダイオードの発光強度は、従来のＩｎＧａ
Ｎ井戸層を用いた場合を基準（破線）にして規格化され
て示されている。また、グラフ中の○印はサファイア基
板を用いた場合の発光強度を示し、●印はＧａＮ基板を
用いた場合の発光強度を示している。このグラフから、
発光ダイオードに含まれる井戸層の好ましい数は２層以
上で１０層以下であることがわかる。また、サファイア
基板よりもＧａＮ基板を用いた場合に発光強度が向上す
ることがわかる。実施例４で説明した基板８００を用い
ても、図１０のＧａＮ基板を用いたときの結果とほぼ同
様であった。ＧａＮ基板（または基板８００）を用いる
と発光強度が向上する理由については実施例１と同じで
ある。

【００９５】（実施例７）実施例７は、窒化物半導体ス
ーパールミネッセントダイオード素子に関するものであ
る。この発光素子における構成や結晶成長方法は実施例
１の場合と同様である。なお、サファイア基板の代わり
にＧａＮ基板を用いた場合には実施例３と同様の効果が
得られ、図８に示された基板を用いた場合には実施例４
と同様の効果が得られる。また、発光層に含まれる井戸
層数と発光強度との関係については、実施例６の場合と
同様である。

【００９６】（実施例８）実施例８においては、実施例
１、３、４、６、および７における発光層中の井戸層と
障壁層に不純物Ｓｉの代わりに１×１０²⁰／ｃｍ³のＣ
が添加された。このように、井戸層と障壁層において不
純物Ｓｉの代わりにＣを用いた場合にも同様の効果が得
られた。

【００９７】（実施例９）実施例９においては、実施例
１、３、４、６、および７における発光層中の井戸層と
障壁層に不純物としてＳｉの代わりに１×１０¹⁶／ｃｍ
³のＭｇが添加された。このように、井戸層と障壁層に
おいて不純物としてＳｉの代わりにＭｇを用いた場合に
も同様の効果が得られた。

【００９８】（実施例１０）実施例１０においては、実
施例１、３、４、６、および７における発光層に含まれ
る井戸層と障壁層が３周期のＩｎ_0.05Ｇａ_0.95Ｎ_0.99Ｐ
_0.01井戸層（厚さ４ｎｍ）／Ｉｎ_0.05Ｇａ_0.95Ｎ障壁層
（厚さ８ｎｍ）に変更されたが、それぞれの実施例と同
様の効果が得られた。

【００９９】（実施例１１）実施例１１においては、実
施例１、３、４、６、および７の発光層に含まれる井戸
層と障壁層は５周期のＩｎ_0.02Ｇａ_0.98Ｎ_0.98Ｐ_0.02井
戸層（厚さ２ｎｍ）／ＧａＮ障壁層（厚さ４ｎｍ）に変
更されたが、それぞれの実施例と同様の効果が得られ
た。

【０１００】（実施例１２）実施例１２においては、実
施例１、３、４、６、および７における発光層に含まれ
る井戸層と障壁層が３周期のＩｎ_0.02Ｇａ_0.98Ｎ_0.98Ｐ
_0.02井戸層（厚さ４ｎｍ）／ＧａＮ障壁層（７ｎｍ）に
変更されたが、それぞれの実施例と同様の効果が得られ
た。

【０１０１】（実施例１３）実施例１３においては、実
施例１、３、４、６、および７における発光層に含まれ
る井戸層と障壁層が１０周期のＩｎ_0.35Ｇａ_0.65Ｎ_0.94
Ｐ_0.06井戸層（厚さ０．４ｎｍ）／ＧａＮ障壁層（１ｎ
ｍ、Ａｌ濃度５×１０¹⁸／ｃｍ³）に変えられたが、そ
れぞれの実施例と同様の効果が得られた。

【０１０２】（実施例１４）実施例１４においては、実
施例１、３、４、６、および７における発光層に含まれ
る井戸層と障壁層が３周期のＩｎ_0.05Ｇａ_0.95Ｎ_0.98Ｐ
_0.02井戸層（厚さ４ｎｍ）／Ａｌ_0.01Ｉｎ_0.06Ｇａ_0.93
Ｎ障壁層（厚さ８ｎｍ）に変えられたが、それぞれの実
施例と同様の効果が得られた。

【０１０３】（実施例１５）実施例１５においては、実
施例１、３、４、６、および７における発光層に含まれ
る井戸層と障壁層が２周期のＩｎ_0.1Ｇａ_0.9Ｎ_0.96Ｐ
_0.04井戸層（厚さ６ｎｍ）／ＧａＮ_0.96Ｐ_0.04障壁層
（厚さ６ｎｍ）に変えられたが、それぞれの実施例と同
様の効果が得られた。

【０１０４】（実施例１６）実施例１６においては、実
施例１、３、４、６、および７における発光層に含まれ
る井戸層と障壁層が４周期のＩｎ_0.2Ｇａ_0.8Ｎ_0.98Ｐ
_0.02井戸層（厚さ３ｎｍ）／ＧａＮ_0.99Ａｓ_0.01障壁層
（厚さ６ｎｍ）に変えられたが、それぞれの実施例と同
様の効果が得られた。

【０１０５】（実施例１７）実施例１７においては、実
施例１、３、４、６、および７における発光層に含まれ
る井戸層と障壁層が６周期のＩｎ_0.2Ｇａ_0.8Ｎ_0.96Ｐ
_0.04井戸層（厚さ４ｎｍ）／Ｉｎ_0.02Ｇａ_0.98Ｎ_0.98Ａ
ｓ_0.02障壁層（厚さ１０ｎｍ）に変えられたが、それぞ
れの実施例と同様の効果が得られた。

【０１０６】（実施例１８）実施例１８においては、実
施例１、３、４、６、および７における発光層に含まれ
る井戸層と障壁層が４周期のＩｎ_0.35Ｇａ_0.65Ｎ_0.94Ｐ
_0.06井戸層（厚さ４ｎｍ）／Ａｌ_0.01Ｇａ_0.99Ｎ_0.99Ａ
ｓ_0.01障壁層（厚さ１０ｎｍ）に変えられたが、それぞ
れの実施例と同様の効果が得られた。

【０１０７】（実施例１９）実施例１９においては、実
施例１、３、４、６、および７における発光層に含まれ
る井戸層と障壁層が３周期のＩｎ_0.1Ｇａ_0.9Ｎ_0.99Ｐ
_0.01井戸層（厚さ１８ｎｍ）／Ａｌ_0.01Ｇａ_0.99Ｎ_0.98
Ｐ_0.02障壁層（厚さ２０ｎｍ）に変えられたが、それぞ
れの実施例と同様の効果が得られた。

【０１０８】（実施例２０）実施例２０においては、実
施例１、３、４、６、および７における発光層に含まれ
る井戸層と障壁層が３周期のＩｎ_0.35Ｇａ_0.65Ｎ_0.94Ｐ
_0.06井戸層（厚さ５ｎｍ）／Ｉｎ_0.01Ｇａ_0.99Ｎ_0.94Ｐ
_0.06障壁層（厚さ５ｎｍ）に変えられたが、それぞれの
実施例と同様の効果が得られた。

【０１０９】（実施例２１）実施例２１においては、実
施例１、３、４、６、および７における発光層に含まれ
る井戸層と障壁層が２周期のＩｎ_0.5Ｇａ_0.5Ｎ_0.96Ｐ
_0.04井戸層（厚さ６ｎｍ）／ＧａＮ障壁層（厚さ６ｎ
ｍ）に変えられたが、それぞれの実施例と同様の効果が
得られた。

【０１１０】（実施例２２）実施例２２においては、実
施例１から５による窒化物半導体レーザを利用した光学
装置が作製された。本発明によるたとえば青紫色（４０
０〜４１０ｎｍの発光波長）窒化物半導体レーザを利用
した光学装置では、従来の窒化物半導体レーザに比べて
レーザ発振しきい値電流密度が低くて、レーザ光中の自
然放出光が減少してノイズ光も低減する。また、そのよ
うなレーザ素子は高出力（５０ｍＷ）でかつ高温雰囲気
中で安定して動作し得るので、高密度記録再生用光ディ
スクの記録再生用光学装置に適している。

【０１１１】図１１において、本発明によるレーザ素子
１を含む光学装置の一例として、光ピックアップ装置２
を含む光ディスク情報記録再生装置が模式的なブロック
図で示されている。この光学情報記録再生装置におい
て、レーザ光３は入力情報に応じて光変調器４で変調さ
れ、走査ミラー５およびレンズ６を介してディスク７上
に記録される。ディスク７は、モータ８によって回転さ
せられる。再生時にはディスク７上のピット配列によっ
て光学的に変調された反射レーザ光がビームスプリッタ
９を通して検出器１０で検出され、これによって再生信
号が得られる。これらの各要素の動作は、制御回路１１
によって制御される。レーザ素子１の出力については、
通常は記録時に３０ｍＷであり、再生時には５ｍＷ程度
である。

【０１１２】本発明によるレーザ素子は上述のような光
ディスク記録再生装置に利用され得るのみならず、レー
ザプリンタ、バーコーリーダ、光の三原色（青色、緑
色、赤色）レーザダイオードによるプロジェクタなどに
利用し得る。

【０１１３】（実施例２３）実施例２３においては、実
施例６と７による窒化物半導体発光ダイオードが光学装
置に利用された。一例として、本発明による発光層を用
いた光の三原色（赤色、緑色、青色）による発光ダイオ
ードまたはスーパールミネッセントダイオードを用いて
白色光源を作製することができ、またそれらの三原色を
用いたディスプレイを作製することもできた。さらに、
４００ｎｍ以下の発光波長を有する本発明の発光ダイオ
ードもしくはスーパールミネッセントダイオードを作製
し、蛍光塗料を塗布して白色光源装置としてもよい。特
に、窒化物半導体を利用した赤色発光ダイオードは、Ｉ
ｎＧａＮ井戸層を用いて作製することが困難であった
が、ＩｎＧａＮＰ井戸層を用いることによってそれが容
易となる。

【０１１４】従来の液晶ディスプレイに用いられていた
ハロゲン光源に代わってこのような本発明による発光素
子を利用した白色光源を用いることによって、低消費電
力でかつ高輝度のバックライトを得ることができる。す
なわち、本発明の発光素子を利用した白色光源は、携帯
ノートパソコン、携帯電話などによるマン・マシンイン
ターフェイスの液晶ディスプレイ用バックライトとして
利用でき、小型化されかつ高鮮明な液晶ディスプレイを
提供することが可能になる。

【０１１５】

【発明の効果】以上のように、本発明によれば、複数の
量子井戸層と複数の障壁層とが交互に積層された多重量
子井戸構造を有する発光層を含む窒化物半導体発光素子
において、その量子井戸層をＩｎＧａＮで形成すること
により、その発光素子の発光効率を向上させることがで
きる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例による窒化物半導体レーザ素
子の構造を示す模式的な断面図である。

【図２】実施例によるレーザ素子のチップ分割を説明
するための模式的な上面図である。

【図３】レーザ素子の井戸層数としきい値電流密度と
の関係を示すグラフである。

【図４】実施例による発光素子中のエネルギバンドギ
ャップ構造を模式的に示す図である。

【図５】実施例による発光素子中のエネルギバンドギ
ャップ構造の他の例を模式的に示す図である。

【図６】従来の発光素子中のエネルギバンドギャップ
構造を模式的に示す図である。

【図７】実施例として窒化物半導体基板を用いたレー
ザ素子の構造を示す模式的な断面図である。

【図８】本発明による発光素子において利用され得る
窒化物半導体厚膜基板を示す模式的な断面図である。

【図９】（ａ）は本発明による発光ダイオード素子の
一例を示す模式的な断面図であり、（ｂ）は（ａ）のダ
イオード素子に対応する模式的な上面図である。

【図１０】本発明による発光ダイオード素子の井戸層
数と発光強度との関係を示すグラフである。

【図１１】本発明による発光素子が用いられた光学装
置の一例としての光ディスク記録再生装置を示す模式的
なブロック図である。

【符号の説明】

１００，９００サファイア基板、１０１，９０１Ｇ
ａＮバッファ層、１０２，９０２ｎ型ＧａＮ層、１０
３ｎ型Ｉｎ_0.07Ｇａ_0.93Ｎクラック防止層、１０４
ｎ型Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎクラッド層、１０５ｎ型ＧａＮ
光ガイド層、１０６，９０４発光層、１０７ｐ型Ａ
ｌ_0.2Ｇａ_0.8Ｎ遮蔽層、１０８ｐ型ＧａＮ光ガイド
層、１０９ｐ型Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎクラッド層、１１
０，９０６ｐ型ＧａＮコンタクト層、１１１，９０９
ｎ型電極、１１２ｐ型電極、１１３ＳｉＯ₂誘電体
膜、７００ｎ型ＧａＮ基板、８００基板、８０１
種基板、８０２バッファ層、８０３ｎ型ＧａＮ膜、
８０４，９１０誘電体膜、８０５ｎ型ＧａＮ厚膜、
９０３ｎ型Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎ遮蔽層兼クラッド層、９
０５ｐ型Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎ遮蔽層兼クラッド層、９０
７透光性電極、９０８ｐ型電極、１Ａリッジスト
ライプ部、２Ａ劈開面、２Ｂチップ分割面、１レ
ーザ素子、２光ピックアップ、３レーザ光、４光
変調器、５走査ミラー、６レンズ、７ディスク、
８モータ、９ビームスプリッタ、１０光検出器、
１１制御回路。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者伊藤茂稔大阪府大阪市阿倍野区長池町22番22号シャープ株式会社内Ｆターム(参考） 5F041 AA03 AA14 CA05 CA34 CA40 CA46 CA53 CA54 CA56 CA57 CA64 CA65 CA66 CA74 CA82 CA92 FF01 FF11 FF13 FF16 5F073 AA13 AA45 AA51 AA55 CA17 CB05 CB07 CB22 DA05 EA29

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】複数の量子井戸層と複数の障壁層とが交
互に積層された多重量子井戸構造を有する発光層を含
み、前記量子井戸層はＩｎＧａＮＰからなり、前記障壁層は窒化物半導体からなることを特徴とする窒
化物半導体発光素子。
【請求項２】前記ＩｎＧａＮＰ井戸層は、それに含ま
れるＶ族元素のＮとＰのうちで、原子比率で２０％以下
のＰを含んでいることを特徴とする請求項１に記載の窒
化物半導体発光素子。
【請求項３】前記窒化物半導体障壁層は、実質的にＡ
ｓ、ＰおよびＳｂのいずれの元素をも含まないことを特
徴とする請求項１または２に記載の窒化物半導体発光素
子。
【請求項４】前記窒化物半導体障壁層は、それに含ま
れるＶ族元素のうちで、原子比率で７％以下のＡｓ、１
０％以下のＰ、または２％以下のＳｂの少なくともいず
れかを含むことを特徴とする請求項１または２に記載の
窒化物半導体発光素子。
【請求項５】前記窒化物半導体障壁層は、それに含ま
れるＩＩＩ族元素のうちで、原子比率で１５％未満のＩ
ｎを含むことを特徴とする請求項３に記載の窒化物半導
体発光素子。
【請求項６】前記窒化物半導体発光素子に含まれる複
数の半導体層を成長させるための基板を含み、前記発光
層の両主面のうちで前記基板に近い第１主面に接する第
１隣接半導体層と前記基板から遠い第２主面に接する第
２隣接半導体層とにおいて、少なくとも前記第２隣接半
導体層は少なくともＡｌを含む窒化物半導体からなるこ
とを特徴とする請求項１、２または４のいずれかの項に
記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項７】前記第１隣接半導体層または前記第２隣
接半導体層と直接接しているのは前記井戸層であること
を特徴とする請求項６に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項８】前記発光層は２層以上で１０層以下の前
記井戸層を含んでいることを特徴とする請求項１または
２に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項９】前記井戸層は０．４ｎｍ以上で２０ｎｍ
以下の厚さを有していることを特徴とする請求項１また
は２に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項１０】前記障壁層は１ｎｍ以上で２０ｎｍ以
下の厚さを有していることを特徴とする請求項１から５
のいずれかの項に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項１１】前記井戸層と前記障壁層の少なくとも
一方は、Ｓｉ、Ｏ、Ｓ、Ｃ、Ｇｅ、Ｚｎ、Ｃｄ、および
Ｍｇから選択された少なくとも１種のドーパントが添加
されていることを特徴とする請求項１から５のいずれか
の項に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項１２】前記ドーパントの添加量は１×１０¹⁶
〜１×１０²⁰／ｃｍ ³の範囲内にあることを特徴とする
請求項１１に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項１３】前記発光素子はＧａＮ基板を利用して
形成されていることを特徴とする請求項１から１２のい
ずれかの項に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項１４】請求項１から１３のいずれかの項に記
載された前記窒化物半導体発光素子を含むことを特徴と
する光学装置。