JP2002141616A - 窒化物半導体の成長方法及びその方法により得られる素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 窒化物半導体を用いた素子構造中に、Ｉｎを
含む窒化物半導体の層を有する場合に、反応容器内に残
存するＡｌを取り除き、優れた結晶性で窒化物半導体を
得る方法、及びそれを積層構造中に配した窒化物半導体
素子を得る。 【解決手段】 Ａｌを含む窒化物半導体からなる第１の
窒化物半導体層１を成長させた後、Ａｌの原料ガスの供
給を停止した状態で、第２の窒化物半導体層２を成長さ
せ、続いて反応容器内をＮ₂雰囲気として、Ｉｎを含む
窒化物半導体からなる第３の窒化物半導体層３を成長さ
せる。このことで、第２の窒化物半導体層２中に、反応
容器内のＡｌを取り込んでＡｌを含む窒化物半導体から
なる第４の窒化物半導体層４が形成され、第３の窒化物
半導体層３の形成において、成長に悪影響を及ぼすＡｌ
が除去された状態で結晶成長され、優れた結晶性の第３
の窒化物半導体層が得られる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、発光ダイオード素
子（ＬＥＤ）、レーザダイオード素子（ＬＤ）等の発光
素子、太陽電池、光センサ等の受光素子、あるいはトラ
ンジスタ、パワーデバイス等の電子デバイスに用いられ
る窒化物半導体（Ｉｎ_XＡｌ_YＧａ_1-X-YＮ、０≦X、０≦
Y、X＋Y≦１）よりなる窒化物半導体素子に関し、特に
Ｉｎを含む窒化物半導体層を有する窒化物半導体素子に
関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、発光出力の良好な窒化物半導体か
らなるＬＥＤが実用化されており、また寿命特性などの
良好な素子特性を有する窒化物半導体からなるＬＤの実
用性が高まってきている。

【０００３】例えば実用可能な程度に素子特性の良好な
レーザ素子としては、Ｊ．Ｍａｔｅｒ．Ｒｅｓ．，Ｖｏ
ｌ．１４，Ｎｏ．７，Ｊｕｌ（１９９９）には、レーザ
素子の素子構造の図３に、ＧａＮ基板上に、ｎ型ＧａＮ
コンタクト層、ｎ型Ｉｎ_0.1Ｇａ_0.86Ｎ層、超格子ｎ型
Ａｌ_0.14Ｇａ_0.86Ｎ／ＧａＮクラッド層、ｎ型ＧａＮガ
イド層、多重量子井戸Ｉｎ_0.02Ｇａ_0.98Ｎ／Ｉｎ_0.15Ｇ
ａ_0.85Ｎ活性層、ｐ型Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8Ｎ電子閉じこめ
層、ｐ型ＧａＮガイド層、超格子ｐ型Ａｌ_0.14Ｇａ_0.86
Ｎ／ＧａＮクラッド層、ｐ型ＧａＮコンタクト層を順に
積層してなる窒化物半導体レーザ素子が記載されてい
る。この窒化物半導体レーザ素子は、連続発振が約１
０，０００時間となる良好な寿命特性を示す。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし、従来、活性層
などに用いられるＩｎを含む窒化物半導体、具体的には
Ｉｎ_αＧａ_{1- α}Ｎ（０＜α≦１）、の下に近接して、Ａ
ｌを含む窒化物半導体、具体的にはＡｌ_βＧａ_{1- β}Ｎ
（０＜β≦１）、を設けると、Ｉｎを含む窒化物半導体
の結晶性に悪影響を及ぼし、Ｉｎ組成が安定した結晶成
長層とならず、良好な窒化物半導体層を形成することが
困難であった。また、有機金属気相成長法において、Ａ
ｌを含む窒化物半導体を成長させた後、Ｉｎを含む窒化
物半導体を成長させると、既に供給されたＡｌが、十分
に排気されず反応容器内に残り、容器内のコンタミネー
ションとして、さらには残存した活性なＡｌにより、Ｉ
ｎを含む窒化物半導体の成長が阻害され、良好な結晶
性、安定な成長が成されず、結果として安定した素子特
性の窒化物半導体素子が得られない傾向があった。これ
は、活性なＡｌが反応容器内に存在することで、Ｉｎが
面内に均一に分布して成長せず、偏って成長し、そのこ
とでＩｎ高混晶領域が面内で偏在したり、Ｉｎの析出が
発生したり、するため、Ｉｎを含む窒化物半導体の形成
が困難となることによるものである。

【０００５】逆に、活性層にＩｎを含む窒化物半導体を
用いる場合において、Ｉｎ混晶比の高い領域（Ｉｎリッ
チ領域）と、Ｉｎ混晶比の低い領域（Ｉｎプア領域）と
を、面内に適度に分布させることで、量子細線・量子ド
ットを発生させて、素子特性が向上することが知られて
いる。しかし、従来、このような量子細線・量子ドット
の形成を制御する方法として、Ｉｎを含む窒化物半導体
の成長条件、成長の下地となる表面の状態（表面モフォ
ロジー、表面の凹凸）などを制御して形成する方法が試
みられているが、十分な制御性でもって、安定した量子
細線・量子ドットの形成までには、至っていない。

【０００６】

【課題を解決するための手段】即ち、本発明は、下記
（１）〜（９）の構成により本発明の目的を達成するこ
とができる。

【０００７】（１） 有機金属気相成長法により窒化物
半導体を成長させる方法において、反応容器内をＨ₂雰
囲気として、Ａｌを含む窒化物半導体からなる第１の窒
化物半導体層を成長させた後、Ａｌの原料ガスの供給を
停止した状態で、第２の窒化物半導体層を成長させ、続
いて反応容器内をＮ₂雰囲気として、Ｉｎを含む窒化物
半導体をからなる第３の窒化物半導体層を成長させるこ
とを特徴とする。この方法により、第３の窒化物半導体
層が良好な状態で成長することができ、結晶性に優れる
第３の窒化物半導体層が得られる。

【０００８】（２） 前記第２の窒化物半導体層が、Ａ
ｌを含有する第４の窒化物半導体層を有することを特徴
とする。この方法により、第２の窒化物半導体層内に、
第４の窒化物半導体層を形成でき、素子構造の任意の位
置に置いて、この第４の窒化物半導体層を利用すること
ができる。

【０００９】（３） 前記第２の窒化物半導体層の膜厚
が、５００Å以上であることを特徴とする。この方法に
より、上述したように、第２の窒化物半導体層を成長さ
せることによる第３の窒化物半導体層の良好な結晶成長
が可能となる反応容器の状態を作り出すことができ、一
方で、第４の窒化物半導体層の形成が促進させることが
可能となる。

【００１０】（４） 請求項１乃至３記載の前記第１の
窒化物半導体層、第２の窒化物半導体層、第３の窒化物
半導体層とを少なくとも有することを特徴とする。この
構成により得られる窒化物半導体素子は、結晶性に優れ
た第３の窒化物半導体層を素子構造中に利用することが
できるため、従来困難であったＩｎを含む窒化物半導体
を良好な結晶性で形成することができ、素子特性の向上
に寄与するものとなる。例えば、Ａｌを含む窒化物半導
体層（第１の窒化物半導体層）の上にＩｎを含む窒化物
半導体層（第３の窒化物半導体層）が設けられた構造
は、窒化物半導体を用いた様々な素子に用いられる構造
であることから、多くの素子に応用できる。

【００１１】（５） 前記第３の窒化物半導体層を含む
活性層を有することを特徴とする。この構成により、例
えばＬＤ、ＬＥＤなどの発光素子において、第３の窒化
物半導体層を活性層（発光層）に利用することで、素子
特性の向上が可能となる。この時、ＬＤの場合に、第１
の窒化物半導体層を活性層より下に設けられた下部クラ
ッド層とし、第２の窒化物半導体層を下部光ガイド層と
し、第３の窒化物半導体層を活性層とする構造とするこ
とで、上述した効果が得られ好ましい。

【００１２】（６） 前記第４の窒化物半導体層の膜厚
が、１０Å以上１００Å以下の範囲であることを特徴と
する。この構成により、より高いＡｌ混晶比の第４の窒
化物半導体を、クラックの発生や、結晶性の悪化を招く
ことなく、第２の窒化物半導体層内に設けることが可能
となり、結果として、素子特性の向上に寄与するものと
なる。

【００１３】（７） 前記第２の窒化物半導体層が活性
層に接して形成され、前記第４の窒化物半導体層と第３
の窒化物半導体層との距離が、５００Å以下であること
を特徴とする。この構成により、第３の窒化物半導体層
に適度な凹凸設けられ、これを活性層に用いることで、
量子ドット、量子細線が発現され、素子特性の向上が可
能となる。この構成により、第４の窒化物半導体層が、
第３の窒化物半導体層に近づいて配置されると、第３の
窒化物半導体層を活性層に用いる場合に、量子揺らぎ、
量子ショットノイズの発生につながり、素子特性を悪化
させる場合があるが、これを回避でき好ましい。

【００１４】（８） 前記第２の窒化物半導体層が活性
層に接して形成され、前記第４の窒化物半導体層と第３
の窒化物半導体層との距離が、５００Å以上であること
を特徴とする。この構成により、結晶性に優れた活性層
が得られ、また活性層の機能も向上することから、優れ
た素子特性が得られる。

【００１５】（９） 活性層を挟み込むように、上部ク
ラッド層、下部クラッド層が設けられた窒化物半導体レ
ーザ素子において、前記活性層が前記第３の窒化物半導
体層を有し、前記下部クラッド層が前記第１の窒化物半
導体層を有すると共に、前記第２の窒化物半導体層が活
性層と下部クラッド層との間、若しくは下部クラッド層
内、に設けられていることを特徴とする。この構成によ
り、上述したように優れた素子特性を有するレーザ素子
となる。また、第２の窒化物半導体層は、光ガイド層と
して利用できる。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下に、図１〜図３を用いて本発
明をさらに詳細に説明する。

【００１７】図１、図２は、本発明の一実施の形態であ
る成長方法により得られた窒化物半導体レーザ素子の一
部分の素子構造のＳＩＭＳ分析のＡｌ原子のディプス−
プロファイル（Ｄｅｐｔｈ Ｐｒｏｆｉｌｅ）の結果
を、縦軸にＡｌ量、横軸に素子の深さ方向を示したＳＩ
ＭＳ分析データの分析図である。

【００１８】本発明の成長方法は、有機金属気相成長法
を用いて、反応容器内をＨ₂雰囲気としてＡｌを少なく
とも含む第１の窒化物半導体層を成長させた後、Ａｌの
原料ガスの供給を停止した状態で、第２の窒化物半導体
層を成長させ、続いて、反応容器内をＮ₂雰囲気として
Ｉｎを含む窒化物半導体からなる第３の窒化物半導体層
を成長させる。このことにより、第１の窒化物半導体成
長時に、反応容器内に供給されたＡｌを含むソースガス
が反応容器内に残り、活性なＡｌとして、次に成長させ
る第２の窒化物半導体層に取り込ませることができる。
そうすることで、従来ではできなかった、Ｉｎを含む窒
化物半導体（第３の窒化物半導体層）を、その成長を阻
害するＡｌを完全に反応容器内から除去することがで
き、良好な状態で結晶成長させることができる。 図２
は、第１の窒化物半導体層をｎ型クラッド層として、第
２の窒化物半導体層をｎ型光ガイド層として、第３の窒
化物半導体を量子井戸構造の井戸層として、設けたレー
ザ素子であり、窒化物半導体レーザ素子を作製すること
ができる。

【００１９】［第１の窒化物半導体層１］本発明におい
て、第１の窒化物半導体層は、Ａｌを含む窒化物半導体
からなり、成長時に、Ａｌ源ガスが少なくとも反応容器
内に供給されて、Ｎ₂雰囲気で成長させるものである。
第１の窒化物半導体層成長時には、Ａｌ源ガスの他に、
成長させる窒化物半導体の原料ガス、そして雰囲気ガス
などが供給されて成長させるものである。第１の窒化物
半導体層としては、Ａｌ_xＧａ_1-xＮ（０＜ｘ≦１）で表
される組成の窒化物半導体が好ましく用いられる。ま
た、第１の窒化物半導体層は、ｎ型不純物、ｐ型不純物
を添加して、所望の導電型としても良い。

【００２０】［第２の窒化物半導体層２］（第４の窒化
物半導体層４） 本発明において、第２の窒化物半導体層としては、第１
の窒化物半導体層成長後、Ａｌ源ガスの供給を停止した
状態で成長させることで形成するものである。この時、
第２の窒化物半導体層成長時には、窒化物半導体の原料
となる原料ガス、そして雰囲気ガスなどが供給され、Ａ
ｌ源ガスは、第１の窒化物半導体層を成長後に、供給を
停止して、その後第２の窒化物半導体層が成長される。
このようにして成長させた第２の窒化物半導体層は、そ
の内部にＡｌを含有した層となり、具体的には、Ａｌが
面内若しくは膜厚方向に偏って分布した層、又はＡｌを
含む窒化物半導体からなる第４の窒化物半導体層を有す
る多層膜となる。第２の窒化物半導体層の組成として
は、Ａｌを含まない窒化物半導体を用いることができ、
好ましくはＩｎ_yＧａ_1-yＮ（０≦ｙ≦１）として成長さ
せること、好ましくはＧａＮを用いることである。すな
わち、Ｇａ源ガス、Ｎ源ガスを供給して成長させること
が好ましい。これは、ＧａＮとして成長させることで、
反応容器内に残存するＡｌを第２の窒化物半導体層に取
り込む際に、他の組成のものに比べて、取り込まれ易い
傾向があり、また、後述する第４の窒化物半導体層が形
成されやすい傾向にあるためである。

【００２１】本発明の第２の窒化物半導体層には、Ａｌ
を含む窒化物半導体からなる第４の窒化物半導体層が形
成される。この時、第４の窒化物半導体層は、具体的に
は、第２の窒化物半導体層をＧａＮとして成長させる場
合に、Ａｌ_yＧａ_1-yＮ（０＜ｙ≦１）で表される組成の
窒化物半導体として得られる。図１，２から、第２の窒
化物半導体層を成長させることで、第４の窒化物半導体
層が形成されている様子が分かる。ここで、図４は、第
２の窒化物半導体層２の成長時（図４−ａ）、その上に
第３の窒化物半導体層３を成長させる様子（図４−ｂ）
を示す模式断面図である。図４−ａに示すように、第１
の窒化物半導体層１の上に、第２の窒化物半導体層２成
長させると、成長時に反応容器内に残るＡｌが、第２の
窒化物半導体層２内に取り込まれ、図４−ｂに示すよう
に、第２の窒化物半導体層２内に、第４の窒化物半導体
層４として、形成される。この時、第４の窒化物半導体
層を形成する場合には、Ａｌ源ガス以外のソースガス、
キャリアガスを反応容器内に供給することである。具体
的には、第４の窒化物半導体層成長時に、少なくとも、
Ｈ₂、Ｎ₂などのキャリアガス、Ｎ源ガスを供給して、Ａ
ｌを含む窒化物半導体層を成長させることであり、この
時、各ソースガスの供給量を調整することで、前記組成
式で表される窒化物半導体を形成することができる。

【００２２】このような、第２の窒化物半導体層２内の
Ａｌを含む第４の窒化物半導体層４は、図１，２に示す
ように、ＳＩＭＳ分析によりＡｌを有する窒化物半導体
層として検出される。その第４の窒化物半導体層４の位
置としては、図２に示すように、第２の窒化物半導体層
２とその上の層（第５の窒化物半導体層５）との界面近
傍、図１に示すように、第２の窒化物半導体層２の中央
付近など、様々な位置に配置することができる。

【００２３】第４の窒化物半導体層は、Ａｌを含む窒化
物半導体であり、この層を第２の窒化物半導体層内に設
けることで、第２の窒化物半導体層の表面に凹凸が形成
される。これにより、Ｉｎを含む窒化物半導体の第３、
５の窒化物半導体層に、そのような凹凸が引き継がれる
ものとなり、それが結果的にＩｎの偏析、Ｉｎの濃度が
面内で分布した状態を発生させることが可能となり、こ
のことで、量子ドット、量子細線などが形成される。こ
の時、このような表面状態を発生させるには、第４の窒
化物半導体層のＡｌ混晶比を０．３以上とすることが好
ましく、０．５以上とすると、凹凸が発生させる機能が
強くなり更に好ましい。また、第４の窒化物半導体層の
膜厚として具体的には、１０Å以上３００Å以下の範囲
であり、好ましくは１０Å以上１００Å以下の範囲とす
ることである。なぜなら、３００Å以下とすることで、
クラックを発生させずにＡｌを含む窒化物半導体からな
る第４の窒化物半導体層を形成することができ、１００
Å以下とすることで、より高い混晶比、例えば混晶比
０．５以上、のＡｌを含む窒化物半導体を結晶性良く形
成することができる。

【００２４】また、第４の窒化物半導体層は、素子構造
を形成する他のＡｌを含む窒化物半導体と同様に、Ａｌ
源ガスを用いて、成長させることもできる。しかしなが
ら、Ａｌ源ガスを用いて成長させる場合には、上述した
ように反応容器内のＡｌを用いて成長させる場合に比べ
て、反応容器内にＡｌが残存することとなり、活性層
（第３、５の窒化物半導体層）などのＩｎを含む窒化物
半導体の成長時に取り込まれるなどして、結晶性を悪化
させる原因となる。このため、上述した反応容器内のＡ
ｌを用いて第４の窒化物半導体層を形成すると、反応容
器内のＡｌを除去でき、その後に続けて成長させるＩｎ
を含む窒化物半導体を結晶性良く成長させることができ
る。

【００２５】ここで、図１、２に示すように、第２の窒
化物半導体層に第４の窒化物半導体層が形成されること
で、第２の窒化物半導体層は２つに分離された状態で素
子構造内設けられると考えることもできる。すなわち、
第２の窒化物半導体層は、第４の窒化物半導体層の下に
形成されるＡ層と、第４の窒化物半導体層の上に形成さ
れるＢ層と、これらの層に挟まれた第４の窒化物半導体
層とで構成される層となる。この時、Ａ層とＢ層は、ほ
ぼ同一の組成であっても良く、異なる組成の窒化物半導
体とすることもできる。具体的には、Ａｌを含まない窒
化物半導体で、前記Ｉｎ_yＧａ_1-yＮ（０≦ｙ≦１）で表
される窒化物半導体で、Ａ層とＢ層とでＩｎ混晶比ｙを
異なるようにすることである。しかしながら、Ａ層とＢ
層の組成を異なるようにすると、第２の窒化物半導体層
を素子構造内の層として設けるものであるから、素子構
造における機能を損なわない程度としなければならな
い。具体的には、後述する光ガイド層として第２の窒化
物半導体層を設ける場合に、光ガイド層としての機能を
損なわないように第２の窒化物半導体層の組成を決定す
ることである。ここで、第３若しくは第５の窒化物半導
体層が第２の窒化物半導体層に接して形成される場合に
は、前記Ｂ層の膜厚でもって、第４の窒化物半導体層と
第３、５の窒化物半導体層の距離が決定されるため、こ
のＢ層の膜厚を調整して第４の窒化物半導体層を所望の
位置に配置することができる。

【００２６】［第３の窒化物半導体層３］本発明の第３
の窒化物半導体層３は、第２の窒化物半導体層成長後、
反応容器内をＮ₂雰囲気とした後、成長させたものであ
り、Ｉｎを含む窒化物半導体からなるものである。ここ
で、第３の窒化物半導体層の成長時に、Ａｌ源ガスを反
応容器内に供給しないことが好ましく、また組成として
具体的には、Ｉｎ_zＧａ_1-zＮ（０＜ｚ≦１）が好まし
い。これは、上述したように、Ｉｎを含む窒化物半導体
からなる第３の窒化物半導体層を成長させる際に、Ａｌ
が反応容器内に残存していると、Ｉｎを含む窒化物半導
体の結晶成長が阻害され、良好な結晶性の層が得られな
いからである。また、ＩｎＧａＮの３元混晶であると、
４元混晶若しくはそれ以上の場合に比べて、良好な結晶
成長がなされるからである。これは、窒化物半導体にお
いて、Ｉｎは他の元素に比べて良好な混晶が得られがた
く、Ｉｎの析出、Ｉｎの偏在が発生しやすく、半導体膜
の構成元素が多くなると、その現象が極めて高い割合で
発生し、結晶成長が困難になるからである。本発明で
は、第２の窒化物半導体層の成長時に反応容器内に残存
するＡｌが取り込まれることで、Ａｌの存在しない環境
で第３の窒化物半導体層を形成することができ、加え
て、第２の窒化物半導体層とは異なる雰囲気で第３の窒
化物半導体層が成長することで、Ｉｎを含む窒化物半導
体の成長に適した雰囲気を選択することができ、良好な
結晶成長がなされる。また、第３の窒化物半導体層の膜
厚としては、１０Å以上５００Å以下とすることが好ま
しく、更に第３の窒化物半導体層を活性層内に設ける場
合には、３００Å以下とすることが好ましい。

【００２７】［第５の窒化物半導体層５］本発明におい
て、図１，２，４に示すように、第２の窒化物半導体層
２と、第３の窒化物半導体層３との間に、第５の窒化物
半導体層５を設けると好ましい。この時、第５の窒化物
半導体層は、第２の窒化物半導体層、第３の窒化物半導
体層に接して形成すると以下に示す効果が得られるた
め、好ましい。この第５の窒化物半導体層５は、第２の
窒化物半導体層２成長後、反応容器内の雰囲気をＮ₂雰
囲気とした後に成長させる、若しくは第２の窒化物半導
体層２成長後、第５の窒化物半導体層成長時（途中）で
Ｎ₂雰囲気とすると好ましい成長が可能となる。この
時、第５の窒化物半導体層は、第２の窒化物半導体層と
第３の窒化物半導体層、及び雰囲気、の分離層として機
能し、第２の窒化物半導体層、第３の窒化物半導体層の
成長が互いの環境に干渉されないように、隔離させるこ
とができる。第５の窒化物半導体層としては、第３の窒
化物半導体層と同様に、Ａｌを含まない窒化物半導体か
らなることが、上述した第３の窒化物半導体層の成長に
おいて好ましい。また、第３の窒化物半導体層との隔離
を図るには、Ｉｎを含まない窒化物半導体とすること
で、第２の窒化物半導体層と良好な隔離が実現でき、好
ましい。このため、第５の窒化物半導体層として、好ま
しくはＡｌを含まない窒化物半導体としてＩｎ_aＧａ_1-a
Ｎ（０≦ａ≦１）で表されるものであり、更に好ましく
はＩｎをも含まないＧａＮとすることである。この時、
第５の窒化物半導体層の膜厚としては、１０Å以上５０
０Å以下の範囲とすることであり、後述するように障壁
層として用いる場合には３００Å以下の膜厚とすると好
ましい。

【００２８】本発明の成長方法は、有機金属気相成長法
を用いて行われる。本発明において用いることのできる
有機金属気相成長法としては、特に限定されないが、例
えば好ましくは、有機金属化学気相成長法（ＭＯＣＶ
Ｄ）、有機金属気相エピタキシャル成長法（ＭＯＶＰ
Ｅ）等を挙げることができる。

【００２９】本発明において、Ｎ₂、Ｈ₂雰囲気として
は、窒化物半導体の原料となるソースガスの他に、フロ
ーガス、キャリアガスなどとして反応容器内に導入す
る、若しくは原料となるガスを雰囲気ガスとなるものを
適宜選択する、などして所望の雰囲気とする方法などが
挙げられる。また、反応容器内は、減圧下、加圧下、常
圧下でも、適用できる。また、第２の窒化物半導体層中
に、反応容器中のＡｌを取り込んで第４の窒化物半導体
層を形成を制御するには、これら反応条件を変化させる
こと、例えば反応温度、各ガスの供給量、供給比、Ｈ₂
からＮ₂雰囲気にかえるなどの雰囲気の変化、反応容器
内の気圧、等の条件を変えることで可能となる。

【００３０】本発明において、第１の窒化物半導体層、
第２の窒化物半導体層は、Ｈ₂雰囲気で成長させ、第３
の窒化物半導体層、第５の窒化物半導体層は、Ｎ₂雰囲
気で成長させることが好ましい。

【００３１】（窒化物半導体素子）本発明において、受
光素子、発光素子、レーザ素子などの活性層を有する窒
化物半導体素子について以下説明する。

【００３２】本発明の窒化物半導体素子は、活性層を有
するものであり、具体的には、ｐ型窒化物半導体と、ｎ
型窒化物半導体とで、Ｉｎを含む窒化物半導体を有する
活性層を挟み込む構造を有するものである。このことに
より、例えば発光素子において、紫外域から可視光域
（赤色系）までの光を発光する素子が得られる。

【００３３】ここで、活性層は、上述した第３の窒化物
半導体層を用いることができ、具体的には、第１の窒化
物半導体層、第２の窒化物半導体層、第３の窒化物半導
体層を有する活性層が積層された構造となる。従って、
活性層を有する窒化物半導体素子では、好ましくは第１
の窒化物半導体層、第２の窒化物半導体層、活性層が積
層された構造とすることで、活性なＡｌを反応容器から
除去した状態で活性層を形成することができ、良好な結
晶成長が実現される。この時、上述した第５の窒化物半
導体層は、活性層内、外のどちらに設けられていても良
く、第３の窒化物半導体の組成としては、上述したもの
を用いることができる。活性層が単一量子井戸構造、多
重量子井戸構造である場合には、第３の窒化物半導体層
を井戸層とし、更に、第５の窒化物半導体層を障壁層と
すると良い。

【００３４】具体的には、図１，２に示すように、活性
層２０６とし、第５の窒化物半導体層からなる障壁層、
第３の窒化物半導体層からなる井戸層とすることができ
る。この時、第５の窒化物半導体層としては、障壁層と
なるように、第３の窒化物半導体層のバンドギャップエ
ネルギーより大きくなるような窒化物半導体とし、具体
的には第３の窒化物半導体のＩｎ混晶比より低い混晶比
の窒化物半導体、好ましくはＩｎＧａＮ、ＧａＮを用い
ることができる。

【００３５】本発明の窒化物半導体素子は、第２の窒化
物半導体層中に形成される第４の窒化物半導体層がある
こと、すなわち、Ａｌを含む窒化物半導体が第２の窒化
物半導体層に設けられることで、その上に接する活性層
に作用して、素子特性に優れた窒化物半導体が得られ
る。これは、第４の窒化物半導体層と、活性層との距離
が、５００Å以下であると、Ｉｎを含む窒化物半導体を
有する活性層に適度な凹凸が設けられる傾向にあり、こ
のことにより量子ドット、量子細線として働き、発光素
子においては出力の向上などの素子特性の向上が図れ
る。具体的には、活性層中の第３の窒化物半導体層と第
４の窒化物半導体層との距離が５００Å以下とすること
であり、この時、第５の窒化物半導体層がそれらの間に
介在していると、活性層中のＩｎを含む窒化物半導体層
に近づきすぎずに、第４の窒化物半導体層を配置するこ
とができ好ましい。これは、従来、活性層若しくは活性
層中のＩｎを含む窒化物半導体層に接近して、第４の窒
化物半導体層のようなＡｌを含む窒化物半導体層を形成
すると、ＩｎＧａＮなどのＩｎを含む窒化物半導体層の
成長が阻害されて、良好な結晶性とならずに、かえって
素子特性を低下させる傾向にあることによるものであ
る。この時、第４の窒化物半導体層と活性層との距離
は、３００Å以上とすることで、上述したような第４の
窒化物半導体層が活性層に近づくことによる悪影響を回
避でき好ましい。

【００３６】また、本発明の窒化物半導体素子におい
て、活性層と第２の窒化物半導体層が接する場合におい
て、第４の窒化物半導体層と活性層との距離が、５００
Å以上とすると、好ましい素子特性となる。これは、第
４の窒化物半導体層が、活性層若しくは活性層中の第３
の窒化物半導体層に上述のように、近接して配置される
と、上述した量子ドット、量子細線が形成させることが
可能となるものの、第４の窒化物半導体層が近づいて配
置されることで、量子ゆらぎ、量子ショットノイズが現
れる傾向にあり、後述するレーザ素子などにおいては、
問題となる場合がある。第４の窒化物半導体層と第３の
窒化物半導体層との距離を５００Å以上とすることで、
このような量子ゆらぎ、量子ショットノイズの発生を抑
え、なおかつ上述した量子ドット、量子細線が設けられ
る傾向を維持して、窒化物半導体素子を得ることができ
るので、素子特性に優れたものとなる。

【００３７】以上説明したように、本発明の窒化物半導
体素子において、第１の窒化物半導体層、第２の窒化物
半導体層、活性層（第５の窒化物半導体層、第３の窒化
物半導体層）とが積層された構造、好ましくは第２の窒
化物半導体層に接して活性層が設けられることで、素子
特性の向上に寄与する良好な活性層の形成が可能とな
る。また、第２の窒化物半導体層、第５の窒化物半導体
層、第３の窒化物半導体層とが接して設けられること
で、上述した第４の窒化物半導体層と第３の窒化物半導
体層との距離を制御して、様々な素子特性の窒化物半導
体素子が得られる。すなわち、本発明のレーザ素子で
は、第２の窒化物半導体層を光ガイド層とし、その上
に、第３の窒化物半導体層を少なくとも有する活性層が
設けられた構造となる。この時、好ましくは第２の窒化
物半導体層と活性層とを接して形成することであり、更
に好ましくは第３の窒化物半導体層を井戸層とすること
である。また、第５の窒化物半導体層を設ける場合に
は、活性層内の障壁層として形成することが好ましく、
更に、第２の窒化物半導体層と第３の窒化物半導体層と
を接して設けることで、素子特性に優れたレーザ素子を
得ることができる。

【００３８】（レーザ素子の実施形態）以下、本発明に
おける窒化物半導体素子として、レーザ素子の実施形態
について説明する。

【００３９】本発明の窒化物半導体レーザ素子は、下部
クラッド層、活性層、上部クラッド層が積層された構造
を少なくとも有し、前記第１の窒化物半導体層、第２の
窒化物半導体層、第３の窒化物半導体層などが配置され
たものである。

【００４０】本発明の窒化物半導体レーザ素子におい
て、第１の窒化物半導体層は、下部クラッド層内、若し
くは下部クラッド層として設けるものであり、第３の窒
化物半導体層は、活性層内、若しくは活性層として設け
るものである。第２の窒化物半導体層は、下部クラッド
層と活性層との間、若しくは下部クラッド層内であって
第１の窒化物半導体層の上に、設けることができる。こ
れらは、Ａｌを含む窒化物半導体を有する下部クラッド
層、Ｉｎを含む窒化物半導体を有する活性層、とするこ
とができ、紫外域から可視光域（赤色系）までの光を発
振させうる構造となる。

【００４１】本発明のレーザ素子において、第１の窒化
物半導体層は、下部クラッド層内若しくは下部クラッド
層として設けられるものであり、その組成は上述したも
のと同様である。また、下部クラッド層が多層膜で形成
される場合には、Ａｌを含む窒化物半導体からなる第１
の窒化物半導体層を、その内の１層として設けることが
できる。

【００４２】本発明のレーザ素子において、第２の窒化
物半導体層は、下部クラッド層と活性層との間、若しく
は下部クラッド層内にで第１の窒化物半導体層よりも
上、に設けることである。この時、下部クラッド層と活
性層との間の層として、光ガイド層を有するレーザ素子
においては、第２の窒化物半導体層を光ガイド層とし
て、若しくは光ガイド層内に設けることができる。第２
の窒化物半導体層としては、上述した組成の窒化物半導
体を用いることができる。

【００４３】また、本発明のレーザ素子において、第５
の窒化物半導体層、第３の窒化物半導体層としては、上
述した窒化物半導体素子と同様に、活性層として、若し
くは活性層内に設けることが好ましい。

【００４４】以下、本発明における窒化物半導体素子、
レーザ素子における各層の形態を説明する。

【００４５】（クラッド層）本発明の窒化物半導体を用
いたレーザ素子において、下部クラッド層、上部クラッ
ド層として、窒化物半導体を用いたクラッド層を設ける
ことが好ましい。また、このクラッド層に用いられる窒
化物半導体としては、光を閉じ込めるのに十分な屈折率
差が設けられていれば良く、Ａｌを含む窒化物半導体層
が好ましく用いられる。また、この層は、単一若しくは
多層膜であっても良く、具体的には実施例に示すよう
に、ＡｌＧａＮとＧａＮとを交互に積層した超格子構造
であっても良い。さらに、この層は、ｐ型不純物がドー
プされていても良いし、アンドープであっても良く、ｎ
型不純物がドープされて、活性層を挟む下部クラッド
層、上部クラッド層とで、異なる導電型とする。この
時、不純物のドープは、実施例に示すように多層膜層に
おいて、それを構成する少なくとも１つの層にドープし
たものであっても良い。なお、発振波長が長波長の４３
０〜５５０ｎｍのレーザ素子では、このクラッド層は
ｎ，ｐ型不純物をドープしたＧａＮが好ましい。また、
膜厚としては、特に限定されるものではないが、１００
Å以上２μｍ以下で形成すること、好ましくは５００Å
以上１μｍ以下の範囲で形成することで、十分な光の閉
込めとして機能する。

【００４６】また、本発明において、活性層とｐ型クラ
ッド層（上部クラッド層）との間に、後述する電子閉込
め層、光ガイド層を設けても良い。この時、光ガイド層
を設ける場合には、ｎ型クラッド層と活性層との間に
も、光ガイド層を設けて、活性層を光ガイド層と、その
外側のクラッド層とで挟み込む構造とする。

【００４７】（ｐ型電子閉込め層）また、活性層とｐ型
クラッド層との間、好ましくは活性層とｐ型光ガイド層
との間に設けられるｐ型電子閉込め層としては、閾値電
流の低下により容易な発振に寄与し、活性層へのキャリ
アの閉込めとしても機能する層であり、具体的にはＡｌ
ＧａＮを用いる。特に、活性層の上部に、ｐ型クラッド
層、ｐ型電子閉込め層を設ける構成とすることで、この
ような効果が大きくなる傾向にある。このｐ型電子閉込
め層にＡｌＧａＮを用いる場合には、好ましくはｐ型不
純物をドープしたものとすることで上記機能を有し得る
が、ノンドープであっても上記キャリアの閉込めとして
機能する傾向にある。また、膜厚としては、５００Å以
下で形成し、Ａｌ_xＧａ_1-xＮの組成としては、ｘが０以
上、好ましくは０．２以上とする事で上記効果が十分に
期待できる。

【００４８】（光ガイド層）本発明において、活性層を
挟むガイド層をクラッド層より内側に設けて、光導波路
を形成することで、窒化物半導体において優れた導波路
を形成することができる。この時、導波路（活性層とそ
れを挟み込む両ガイド層）の膜厚としては、具体的には
６０００Å以下とし、発振閾値電流の急激な増大を抑制
し、好ましくは４５００Å以下とすることで、低く抑え
られた発振閾値電流で、基本モード、長寿命での連続発
振が可能となる。また、両ガイド層として具体的には、
ほぼ同じ膜厚で、具体的には１００Å以上１μｍ以下の
範囲であり、好ましくは５００Å以上２０００Å以下で
形成するで良好な光導波路を設けることができる。更
に、ガイド層としては、窒化物半導体からなり、その外
側に設けられるクラッド層と比較して、導波路形成に十
分なエネルギーバンドギャップを有していればよく、単
一の膜、多層膜のどちらでも良い。ｐ側、ｎ側光ガイド
層として具体的には、発振波長が３７０〜４７０ｎｍで
はアンドープ若しくは、ｎ，ｐ型不純物をドープしたＧ
ａＮを用い、比較的長波長な領域（４５０μｍ以上）で
は、ＩｎＧａＮ／ＧａＮの多層膜構造を用いることであ
る。ｎ型ガイド層として具体的には、ｐ型ガイド層も同
様に、活性層のエネルギーバンドギャップを考慮して、
ＧａＮ、ＩｎＧａＮを用い、アンドープのＧａＮ、活性
層に近づくに従いＩｎ混晶比を小さくしたＩｎＧａＮと
ＧａＮとを交互に積層した多層膜で設けると好ましい導
波路となる。

【００４９】

【実施例】以下に本発明の一実施の形態である実施例を
示す。しかし本発明はこれに限定されない。

【００５０】［実施例１］実施例１として、図３に示さ
れる本発明の一実施の形態である窒化物半導体レーザ素
子を作製する。

【００５１】但し、第１の窒化物半導体層１、第２の窒
化物半導体層２、第３の窒化物半導体層３、第４の窒化
物半導体層４、第５の窒化物半導体層５は、本発明の成
長方法により成長させる。

【００５２】（素子構造）以下の素子構造を基板１上に
順に成長させる。 １）８０μｍのＧａＮ基板２０１（サファイアＣ面異種
基板上にＧａＮバッファ層、ＧａＮ下地層の上に、Ｓｉ
Ｏ₂からなるストライプ状のマスクを開口部５μｍ幅、
マスク１５μｍ幅で複数形成して、開口部からＧａＮを
選択成長させて、横方向の成長を伴った成長により約１
００μｍのＧａＮ基板を得て、異種基板、バッファ層、
下地層などを除去して得る。） ２）３μｍのｎ型ＧａＮコンタクト層２０２ ３）０．１μｍのｎ型Ｉｎ_0.1Ｇａ_0.86Ｎ層２０３ ４）１．２μｍの超格子ｎ型Ａｌ_0.14Ｇａ_0.86Ｎ／Ｇａ
Ｎクラッド層２０４（第１の窒化物半導体層） ５）０．１５μｍのｎ型ＧａＮガイド層２０５（第２の
窒化物半導体層） ６）５００Åの多重量子井戸構造のＩｎ_0.02Ｇａ_0.98Ｎ
（１５０Åの障壁層）／Ｉｎ_0.1Ｇａ_0.9Ｎ（５０Åの井
戸層）活性層２０６・・・障壁層（第５の窒化物半導体
層）／井戸層（第３の窒化物半導体層）／障壁層／井戸
層／障壁層 ７）１００Åのｐ型Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8Ｎ電子閉じ込め層２
０７ ８）０．１５μｍのｐ型ＧａＮの光ガイド層２０８ ９）０．６μｍの超格子ｐ型Ａｌ_0.14Ｇａ_0.86Ｎ／Ｇａ
Ｎクラッド層２０９ １０）０．０５μｍのｐ型ＧａＮコンタクト層２１０ 以下にｎ型クラッド層２０４、ｎ型ガイド層２０５、活
性層２０６の成長手順を示す。

【００５３】（ｎ型クラッド層２０４；第１の窒化物半
導体層４）反応容器内をＨ₂雰囲気とし、温度を１０５
０℃にして、原料ガスにＴＭＡ（トリメチルアルミニウ
ム）、ＴＭＧ（トリメチルガリウム）及びアンモニアを
用い、アンドープのＡｌ_0.14Ｇａ_0.86ＮよりなるＡ層を
２５Åの膜厚で成長させ、続いて、ＴＭＡを止め、不純
物ガスとしてシランガスを用い、ＳｉをドープしたＧａ
ＮよりなるＢ層を２５Åの膜厚で成長させる。そして、
この操作をそれぞれ２４０回繰り返してＡ層とＢ層を積
層し、総膜厚１．２μｍの多層膜（超格子構造）よりな
るｎ型クラッド層２０４を下部クラッド層として成長さ
せる。この時、第１の窒化物半導体層４は、前記Ａ層の
内の１層として形成するか、この多層膜を単一膜と見な
して、第１の窒化物半導体層を各層の膜厚比からＡｌ
_0.07Ｇａ _0.93Ｎよりなるｎ型クラッド層とする。

【００５４】（ｎ型光ガイド層２０５）その後、同様の
温度で、原料ガスにＴＭＧ及びアンモニアを用い、不純
物ガスとしてシランガスを用い、ＳｉドープのＧａＮよ
りなるｎ型光ガイド層２０５を約０．１μｍの膜厚で成
長させる。この時、ｎ型光ガイド層２０５は下部光ガイ
ド層となり、本発明において第２の窒化物半導体層とな
る。また、形成されたｎ型光ガイド層２０５（第２の窒
化物半導体層２）には、図１に示すように、第４の窒化
物半導体層４が形成される。ここでは、第４の窒化物半
導体層４を形成するために、下部光ガイド層２０５（第
２の窒化物半導体層２）を６００Å成長させたところ
で、反応容器内をＨ₂雰囲気からＮ₂雰囲気に切り換え
て、反応容器内に残存するＡｌを成長層に取り込んで、
第４の窒化物半導体層４を形成し、続いて反応容器内の
雰囲気をＨ₂雰囲気とし、残り約４００Åの下部光ガイ
ド層２０５を成長させる。

【００５５】（反応容器内の雰囲気の切り換え）ｎ型光
ガイド層２０５を成長させた直後に、ＮＨ₃以外の用い
ているガスを止めて、ＮＨ₃だけをそのまま流し続け、
反応容器内の雰囲気をＨ₂雰囲気からＮ₂雰囲気に切り換
え、さらに、そのままの状態でおよそ数分間〜１０分間
程度そのままにしておく。

【００５６】（活性層２０６）ｎ型ガイド層２０５を成
長後に、反応容器内をＮ₂雰囲気に切り換えて、原料ガ
スにＴＭＩ（トリメチルインジウム）、ＴＭＧ及びアン
モニアを用い、不純物ガスとしてシランガスを用い、Ｓ
ｉをドープしたＩｎ_0.02Ｇａ_0.98Ｎよりなる障壁層、ア
ンドープのＩｎ_0.15Ｇａ_0.85Ｎよりなる井戸層を成長さ
せる。この操作を繰り返して多重量子井戸構造（ＭＱ
Ｗ）の活性層２０６を成長させる。

【００５７】以上のようにして得られた窒化物半導体レ
ーザ素子をＳＩＭＳ分析により分析すると、図１に示す
ように活性層（第３の窒化物半導体層３、第５の窒化物
半導体層５）内にＡｌ成分は確認されず、ｎ型光ガイド
層２０５（第２の窒化物半導体層２）内に、第４の窒化
物半導体層４として２０Åの膜厚でＡｌＮからなる層が
成長していると観られ、第４の窒化物半導体層４と活性
層２０６との距離は約４００Åの位置に形成される。

【００５８】このようなレーザ素子は、活性層内に、量
子ドット、量子細線が形成されていると考えられ、従来
のレーザ素子に比べて、閾値電流の低減、出力の向上が
図れる。

【００５９】［実施例２］実施例１において、第４の窒
化物半導体層５を活性層との距離が６００Å離れたとこ
ろに設ける他は、実施例１と同様にしてレーザ素子を得
る。得られるレーザ素子は、実施例１に比べて、第４の
窒化物半導体層４が活性層から離れることで、閾値電
流、光出力が劣る傾向にあるものの、量子ゆらぎが小さ
くなり、それによって量子ショットノイズを低減するこ
とができる。さらに、本発明の量子ゆらぎを小さく抑え
られたレーザ素子は、従来のものに比べて、寿命特性も
良好となる。

【００６０】

【発明の効果】また本発明の素子は、本発明の成長方法
により、活性層と活性層の下部に隣接する層との海面付
近に物性検査装置（ＳＩＭＳ）等により分析しても、Ａ
ｌ成分は確認されず、量子ゆらぎの小さい、寿命特性の
良好な窒化物半導体レーザ素子である。また、活性層に
近接する位置にＡｌを含む窒化物半導体層を設けること
で、活性層若しくは活性層中のＩｎを含む窒化物半導体
層に好適に作用して、量子ドット・量子細線の形成を促
すことが可能となり、閾値電流を低減させ、出力の向上
が可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は、本発明の一実施の形態である成長方法
により得られた窒化物半導体レーザ素子の一部分の素子
構造のＳＩＭＳ分析のＡｌ原子のディプス−プロファイ
ル（Ｄｅｐｔｈ Ｐｒｏｆｉｌｅ）の結果を、縦軸にＡ
ｌ量、横軸に素子の深さ方向を示したＳＩＭＳ分析デー
タの模式的分析図である。

【図２】図２は、本発明の一実施の形態である成長方法
により得られた窒化物半導体レーザ素子の一部分の素子
構造のＳＩＭＳ分析のＡｌ原子のディプス−プロファイ
ル（Ｄｅｐｔｈ Ｐｒｏｆｉｌｅ）の結果を、縦軸にＡ
ｌ量、横軸に素子の深さ方向を示したＳＩＭＳ分析デー
タの模式的分析図である。

【図３】図３は、本発明の一実施の形態である成長方法
により得られた窒化物半導体レーザ素子の素子構造を示
した窒化物半導体レーザ素子の模式的断面図である。

【図４】図４は本発明の一実施形態を説明する模式的断
面図である。

【符号の説明】

１・・・第１の窒化物半導体層 ２・・・第２の窒化物半導体層 ３・・・第３の窒化物半導体層 ４・・・第４の窒化物半導体層 ５・・・第５の窒化物半導体層 ２０１・・・基板 ２０２・・・ｎ型コンタクト層 ２０３・・・ｎ型クラック防止層 ２０４・・・ｎ型クラッド層（第１の窒化物半導体層） ２０５・・・ｎ型ガイド層（第２の窒化物半導体層） ２０６・・・活性層（第３の窒化物半導体層） ２０７・・・ｐ型電子閉じ込め層 ２０８・・・ｐ型ガイド層 ２０９・・・ｐ型クラッド層 ２１０・・・ｐ型コンタクト層

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 5F041 AA40 CA05 CA34 CA40 CA46 CA65 CB11 5F045 AA04 AB14 AB17 AC08 AC12 BB05 BB14 CA10 CA12 CA13 DA53 DA54 DA55 DA56 DA57 EE18 5F049 MB07 NA20 QA16 SS01 5F073 AA43 AA74 AA75 CA07 CB05 DA05 EA05 EA23 EA28

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 有機金属気相成長法により窒化物半導体
   を成長させる方法において、反応容器内をＨ₂雰囲気と
   して、Ａｌを含む窒化物半導体からなる第１の窒化物半
   導体層を成長させた後、Ａｌの原料ガスの供給を停止し
   た状態で、第２の窒化物半導体層を成長させ、続いて反
   応容器内をＮ₂雰囲気として、Ｉｎを含む窒化物半導体
   からなる第３の窒化物半導体層を成長させることを特徴
   とする窒化物半導体の成長方法。
2. 【請求項２】 前記第２の窒化物半導体層が、Ａｌを含
   有する第４の窒化物半導体層を有することを特徴とする
   請求項１記載の窒化物半導体の成長方法。
3. 【請求項３】 前記第２の窒化物半導体層の膜厚が、５
   ００Å以上であることを特徴とする請求項１又は２記載
   の窒化物半導体の成長方法。
4. 【請求項４】 請求項１乃至３記載の前記第１の窒化物
   半導体層、第２の窒化物半導体層、第３の窒化物半導体
   層とを少なくとも有することを特徴とする窒化物半導体
   素子。
5. 【請求項５】 前記第３の窒化物半導体層を含む活性層
   を有することを特徴とする請求項４記載の窒化物半導体
   素子。
6. 【請求項６】 前記第４の窒化物半導体層の膜厚が、１
   ０Å以上１００Å以下の範囲であることを特徴とする請
   求項４又は５記載の窒化物半導体素子。
7. 【請求項７】 前記第２の窒化物半導体層が活性層に接
   して形成され、前記第４の窒化物半導体層と第３の窒化
   物半導体層との距離が、５００Å以下であることを特徴
   とする請求項１乃至６記載の窒化物半導体素子。
8. 【請求項８】 前記第２の窒化物半導体層が活性層に接
   して形成され、前記第４の窒化物半導体層と第３の窒化
   物半導体層との距離が、５００Å以上であることを特徴
   とする請求項１乃至７記載の窒化物半導体素子。
9. 【請求項９】 請求項１乃至８記載の窒化物半導体素子
   が、上部クラッド層、活性層、下部クラッド層が積層さ
   れた構造を有する窒化物半導体レーザ素子において、 前記活性層が前記第３の窒化物半導体層を有し、前記下
   部クラッド層が前記第１の窒化物半導体層を有すると共
   に、前記第２の窒化物半導体層が活性層と下部クラッド
   層との間、若しくは下部クラッド層内であって、に設け
   られていることを特徴とする窒化物半導体レーザ素子。