JP2002141617A - 窒化物半導体発光素子とそれを含む光学装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ４５０ｎｍ未満の発光波長を有する窒化物半
導体発光素子のしきい値電流密度の低減と発光効率の改
善を図る。 【解決手段】 窒化物半導体発光素子は、ｐ型層１０７
〜１１０とｎ型層１０２〜１０５の間においてＩｎ_aＧ
ａ_1-aＮ_1-x-y-zＡＳ_xＰ_yＳｂ_z（０＜ａ≦０．２５；０
＜ｘ＋ｙ＋ｚ≦０．１５）井戸層とこれに接するＩｎ_b
Ｇａ_1-bＮ（１×１０ ^-4≦ｂ≦１．５×１０^-1）障壁層
とを含む発光層１０６を含む窒化物半導体積層構造が窒
化物半導体基板１００または擬似ＧａＮ基板上に形成さ
れてい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】Ｊｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｖｏ
ｌ．３７（１９９８）ｐ．Ｌ１５０８の論文において、
ＧａＮ／ＧａＩｎＮ／ＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＩＮ多重量
子井戸構造を有する発光層が報告されている。この論文
で報告されている構造はｐｎ接合を含む発光素子ではな
いので、フォトルミネッセンス（ＰＬ）測定によって発
光層が評価されている。そのＰＬ測定の結果によれば、
ＧａＮ／ＧａＩｎＮ／ＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＩｎＮ多重
量子井戸層は、従来のＧａＩｎＮ／ＧａＮ多重量子井戸
層に比べてＰＬ発光強度が強くなっている。また、特開
平１１−２０４８８０においては、４５０ｎｍ以上の波
長の光を射出するＩｎＧａＮＡｓ／ＩｎＧａＮの発光層
を含む半導体レーザが開示されている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前述の
Ｊｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．の論文で報告された
ＧａＮ／ＧａＩｎＮ／ＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＩｎＮ多重
量子井戸層においては、約５００ｎｍから６００ｎｍ付
近までの幅広いＰＬスペクトルが観測されている。この
幅広いＰＬスペクトルは、ＧａＩｎＮＡｓの相分離によ
るバンド端発光または多重量子井戸層の層厚揺らぎによ
る複数のＰＬスペクトルが重なっていると考えられる。

【０００４】また、特開平１１−２０４８８０では４５
０ｎｍ以上の波長の光を発する半導体レーザが開示され
ているが、それに含まれる発光層中のＩｎＧａＮＡｓ／
ＩｎＧａＮにおける元素組成比などの詳細は述べられて
いない。

【０００５】現在では、光情報記憶再生装置などの分野
において、高密度の記憶／再生を可能ならしめる短波長
の光を射出する高出力半導体レーザが求められている。
また、白色光源装置などの分野において、蛍光塗料を介
して白色発光を可能ならしめる短波長の光を発する高輝
度発光ダイオードが求められている。すなわち、これら
の半導体レーザや発光ダイオードにおいて、４５０ｎｍ
よりも短い波長の光を射出し得るものが求められてい
る。

【０００６】本発明は、ｐｎ接合を含みかつ４５０ｎｍ
より短い波長の光を発する発光素子（発光層がｐ型層と
ｎ型層との間に挟まれている発光素子）において、Ｉｎ
ＧａＮＡｓ井戸層／ＩｎＧａＮ障壁層を含む発光層中の
ＩｎＧａＮＡｓの相分離を低減するとともに、多重量子
井戸層の層厚揺らぎに起因する井戸層と障壁層との間に
おける界面急峻性の低下を改善することによって、発光
強度（発光効率）の向上としきい値電流密度の低減を図
ることを目的としている。ここで、ＩｎＧａＮＡｓの相
分離とは、平均Ａｓ組成比に比べてＡｓ組成比の高い領
域と低い領域に分離することを意味し、濃度分離とも称
される。

【０００７】なお、上述のような課題はＩｎＧａＮＡｓ
井戸層に限られず、ＩｎＧａＮ中のＮの一部がＡｓ、
Ｐ、またはＳｂの少なくともいずれかで置換された井戸
層についても同様の課題である。

【０００８】

【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、ｐ型層とｎ型層との間においてＩｎ
_aＧａ_1-aＮ_1-x-y-zＡｓ_xＰ_yＳｂ_z（０＜ａ≦０．２５；
０＜ｘ＋ｙ＋ｚ≦０．１５）井戸層とこれに接するＩｎ
_bＧａ_1-bＮ障壁層とを含む発光層を含む窒化物半導体積
層構造が窒化物半導体基板または擬似ＧａＮ基板上に形
成されていて、かつ発光波長が４５０ｎｍより短いこと
を特徴としている。

【０００９】ここで、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。

【００１０】基板の貫通転位密度はエッチピットの測定
で７×１０⁷／ｃｍ²以下であることが好ましい。

【００１１】Ｉｎ_bＧａ_1-bＮ障壁層中でＩＩＩ族元素に
おけるＩｎ組成比ｂは、１×１０^-4以上で１．５×１０
^-1以下であることが好ましい。

【００１２】発光層中において、少なくとも障壁層はＳ
ｉ、Ｏ、Ｓ、Ｃ、Ｇｅ、Ｚｎ、Ｃｄ、およびＭｇから選
択された不純物を１×１０¹⁶／ｃｍ³以上で１×１０²⁰
／ｃｍ³以下の総添加量で含んでいることが好ましい。

【００１３】発光層中で障壁層と交互に積層された井戸
層の数は、２層以上で１０層以下であることが好まし
い。また、井戸層の厚さは、０．４ｎｍ以上で２０ｎｍ
以下であることが好ましい。さらに、障壁層の厚さは、
１ｎｍ以上で３０ｎｍ以下であることが好ましい。

【００１４】Ｉｎ_aＧａ_1-aＮ_1-x-y-zＡｓ_xＰ_yＳｂ_z井戸
層中のＩｎ組成比ａとＩｎ_bＧａ_1-bＮ障壁層中のＩｎ組
成比ｂは、互いにほぼ等しいことが好ましい。

【００１５】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、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。

【００１６】

【発明の実施の形態】まず本発明の原理などについて説
明し、その後に本発明による種々の実施例について説明
する。

【００１７】（本発明の原理）窒化物半導体基板または
擬似ＧａＮ基板以外の他の種類の基板上に窒化物半導体
膜を形成すれば、その膜中の貫通転位密度が高くなる。
たとえば、サファイア基板またはＳｉＣ基板上に成長さ
せた窒化物半導体膜において、エッチピットで測定した
貫通転位密度は、約４×１０⁸／ｃｍ²以上であった。こ
こで、貫通転位密度の測定として、リン酸：硫酸＝１：
３のエッチング液（液温２５０℃）にエピウエハを１０
分間浸し、そのウエハのエピタキシャル層表面に形成さ
れたピット密度が測定された。このような窒化物半導体
基板（擬似ＧａＮ基板をも含む）以外の基板上におい
て、ＩｎＧａＮＡｓ井戸層／ＩｎＧａＮ障壁層を含む発
光層を成長させた場合、以下のような問題が生じる。

【００１８】すなわち、ＩｎＧａＮ障壁層中の貫通転位
密度が高ければ、その転位周辺にＩｎの偏析が生じる。
そして、貫通転位周辺では、偏析したＩｎ組成比がＩｎ
ＧａＮ障壁層中の平均Ｉｎ組成比よりも高くなってしま
う。このようなＩｎの偏析は、ＩｎＧａＮ障壁層中にお
いて、Ｉｎ組成比がその平均よりも高い領域と低い領域
を形成させる。これが、貫通転位によるＩｎの相分離
（濃度分離ともいう）である。

【００１９】このようなＩｎ濃度分離を含むＩｎＧａＮ
障壁層に接してＩｎＧａＮＡｓ井戸層を成長させれば、
その成長の際に供給されるＡｓ原子がＩｎＧａＮ障壁層
中のＩｎ組成比の高い領域に選択的に捕らえられやす
い。このことは、発光層の成長温度が６００℃以上で９
００℃以下ではＩｎとＡｓの結合が形成されやすく、ま
たＧａやＩｎのようなＩＩＩ族原子とＡｓ原子との結合
力がＩＩＩ族原子に対するＮ原子の結合力よりも非常に
強いことに起因していると考えられる。

【００２０】Ｉｎ組成比の高い領域へ選択的にＡｓ原子
が捕らわれれば、ＩｎＧａＮＡｓ井戸層中においてＡｓ
組成比がその平均よりも高い領域と低い領域が形成され
る。このように、Ａｓがある特定領域に凝集することを
Ａｓの偏析と呼び、この偏析効果によってＩｎＧａＮＡ
ｓ井戸層中においてＡｓ組成比がその平均より高い領域
と低い領域が形成されることをＡｓによる相分離と呼ぶ
（濃度分離ともいう）。

【００２１】Ａｓによる偏析効果がさらに強くなれば、
井戸層の結晶系は六方晶系から立方晶系に変化し始め
る。このように結晶系が異なる相分離のことを結晶系分
離と称する。Ａｓによる濃度分離または結晶系分離がＩ
ｎＧａＮＡｓ井戸層中で形成されれば、その濃度分離ま
たは結晶系分離に対応したバンド端発光が生じる。ま
た、Ａｓによる濃度分離または結晶系分離はＩｎＧａＮ
Ａｓ井戸層／ＩｎＧａＮ障壁層の界面急峻性を損ない、
これが発光層の層厚揺らぎをも発生させる。

【００２２】以上のことが、複数の発光スペクトルが重
なった半値幅の広い発光スペクトルの発生原因であり、
さらに、この半値幅の広い発光スペクトルは発光効率の
低下（発光強度の低下）の原因にもなる。

【００２３】次に、ＩｎＧａＮＡｓ井戸層中の貫通転位
によるＩｎの偏析効果を調べたところ、それはＩｎＧａ
Ｎ障壁層中に比較して小さかった。ただし、これは、Ｉ
ｎＧａＮＡｓ井戸層中のＩｎ組成比とＡｓ組成比が後述
の項目（井戸層の組成比）で述べられる範囲内にあるこ
とが前提である。このことは、ＩｎＧａＮＡｓ結晶を成
長させる際に原料として供給されたＩｎ原子が貫通転位
周辺部に偏析しようとしても、同時に供給されたＡｓ原
子と容易に結合して結晶中に取込まれるので、貫通転位
周辺部に偏析しにくくなると考えられる。

【００２４】したがって、ＩｎＧａＮＡｓ井戸層／Ｉｎ
ＧａＮ障壁層の構成において、発光半値幅の低減に伴う
発光強度ピークの向上としきい値電流密度の低減を得る
ためには、ＩｎＧａＮＡｓ井戸層中のＡｓによる濃度分
離または結晶系分離を低減する必要があり、そのために
は、ＩｎＧａＮＡｓ井戸層に接して形成されるＩｎＧａ
Ｎ障壁層のＩｎ偏析（Ｉｎ濃度分離）を低減することが
必要である。

【００２５】なお、以上においては説明を簡略化するた
めにＩｎＧａＮＡｓ井戸層を例にとって述べられたが、
ＩｎＧａＮ中のＮの一部がＡｓ、Ｐ、またはＳｂの少な
くともいずれかで置換された井戸層においても同様であ
る。ただし、ＩｎＧａＮＰ井戸層、ＩｎＧａＮＡｓ井戸
層、およびＩｎＧａＮＳｂ井戸層は、それぞれ以下のよ
うな異なる特徴をも有する。

【００２６】すなわち、ＩｎＧａＮＰ井戸層において
は、Ｐ、Ａｓ、およびＳｂのうちでＮの原子半径（共有
結合半径）に最も近い半径を有するＰを添加しているの
で、ＡｓやＳｂに比べてその井戸層中のＶ族元素格子位
置においてＮの代わりにＰが取込まれやすい。したがっ
て、ＩｎＧａＮ結晶中にＰを添加しても、その井戸層結
晶性を損なうことがない。

【００２７】ＩｎＧａＮＳｂ井戸層中のＳｂ原子はＰ、
Ａｓ、およびＳｂのうちで最も大きな原子半径を有する
ことから、揮発性の高いＮ原子が井戸層中から抜け出る
ことを防止するように作用し得る。このようなＮ原子の
抜けの防止によって、井戸層の結晶性を向上させること
ができる。

【００２８】ＩｎＧａＮＡｓ井戸層においては、Ｐ、Ａ
ｓ、およびＳｂのうちで中間の原子半径を有するＡｓを
添加しているので、ＩｎＧａＮＰ井戸層とＩｎＧａＮＳ
ｂ井戸層との両方の特徴を含んでおり、最も好ましい井
戸層ともいえる。

【００２９】本発明においては、まず、井戸層中のＩｎ
組成比とＡｓ、Ｐ、および／またはＳｂの組成比とを最
適範囲内に調整することによって、井戸層中におけるＩ
ｎの濃度分離とＡｓ、Ｐ、および／またはＳｂによる濃
度分離または結晶系分離を極力低減させる。さらに、Ｉ
ｎＧａＮ障壁層のＩｎ偏析（Ｉｎ濃度分離）を抑制する
ために、第１には、窒化物半導体基板または擬似ＧａＮ
基板を用いることによってエピタキシャル成長層中の貫
通転位密度を低減させて、ＩｎＧａＮ障壁層のＩｎ偏析
を低減させる。第２に、ＩｎＧａＮ障壁層中のＩｎ組成
比を最適範囲内に調整することによって、Ｉｎ偏析の低
減を図る。第３には、ＩｎＧａＮ障壁層内に均一に分布
させた不純物によってＩｎを捕らえ、これによって貫通
転位周辺にＩｎが偏析することを低減させる。

【００３０】（井戸層の組成比）Ｉｎ_aＧａ_1-aＮ
_1-x-y-zＡｓ_xＰ_yＳｂ_z井戸層中のＩｎによる濃度分離
は、それがわずかであれば電子とホールのキャリアを局
在化させて発光効率の向上をもたらす。しかしながら、
Ｉｎ組成比ａが高くなりすぎれば、Ｉｎによる濃度分離
の度合いが大きくなりすぎて、かえって発光効率が低下
する。また、このような過剰のＩｎによる濃度分離は、
Ａｓ、Ｐ、および／またはＳｂによる濃度分離を促進さ
せ、ひいてはＡｓ、Ｐ、および／またはＳｂによる結晶
系分離を引起す。したがって、その井戸層中のＩｎ組成
比ａを最適範囲内に調整することが必要である。

【００３１】すなわち、Ｉｎ_aＧａ_1-aＮ_1-x-y-zＡｓ_xＰ
_yＳｂ_z井戸層のＩＩＩ族元素中でＩｎ組成比ａは０．１
％以上で２５％以下であることが好ましく、０．１％以
上で１０％以下であることがさらに好ましい。Ｉｎ組成
比ａが０．１％未満になれば、電子とホールのキャリア
の局在化による発光効率の向上が期待できなくなる可能
性がある。他方、Ｉｎ組成比ａが２５％以下でさらには
１０％以下になれば、過剰なＩｎによる濃度分離の影響
を小さくすることができる。

【００３２】さらに、Ｉｎ_aＧａ_1-aＮ_1-x-y-zＡｓ_xＰ_y
Ｓｂ_z井戸層中のＡｓ、Ｐ、および／またはＳｂの総和
の組成比ｘ＋ｙ＋ｚは、０．０１％以上で１５％以下で
あることが好ましく、０．１％以上で９％以下であるこ
とがより好ましい。なぜならば、この総和の組成比ｘ＋
ｙ＋ｚが０．０１％よりも小さくなれば、その井戸層に
Ａｓ、Ｐ、および／またはＳｂが含まれたことによる効
果（しきい値電流密度の低減または発光強度向上）が期
待されにくくなるからである。他方、総和の組成比ｘ＋
ｙ＋ｚが１５％よりも高くなれば、Ａｓ、Ｐ、および／
またはＳｂによる濃度分離が生じて、さらには結晶系分
離に移行し得るからである。他方、総和の組成比ｘ＋ｙ
＋ｚが０．１％以上になれば、その井戸層中にＡｓ、
Ｐ、および／またはＳｂが含まれたことによる効果が顕
著に現われ始める。また、総和の組成比ｘ、ｙ＋ｚが９
％以下であれば、井戸層内でＡｓ、Ｐ、および／または
Ｓｂによる相分離が多少生じても、発光素子の発光効率
の低下にそれほど大きく影響しないので好ましい。

【００３３】なお、Ｉｎ_aＧａ_1-aＮ_1-x-y-zＡｓ_xＰ_yＳ
ｂ_z井戸層におけるＡｓ、Ｐ、およびＳｂの組成比ｘ、
ｙ、およびｚはさらに、目的とする発光波長（レーザ発
振波長も含む）に応じてＩｎ組成比ａをも考慮して調整
される。上述のように、本発明は、光情報記録装置や白
色光源装置などへの利用のために、４５０ｎｍより短い
発光波長を有する発光効率の高い窒化物半導体発光素子
（半導体レーザ素子においてはしきい値電流密度が小さ
く、発光ダイオード素子においては発光強度が高い）を
提供することを目的としている。ここで、Ｉｎ_aＧａ_1-a
Ｎ_1-x-y-zＡｓ_xＰ _yＳｂ_z井戸層がたとえば後で示されて
説明される表１または表２における組成近傍で形成され
れば、およそその目的とする発光波長の窒化物半導体発
光素子が作製され得る。

【００３４】（発光素子を成長させる基板について）Ｉ
ｎＧａＮ障壁層中でＩｎが貫通転位周辺部に偏析するこ
とを防止するために、発光層中の貫通転位密度の低減を
試みた。このための具体的な方策として、発光層を成長
させるための基板を選択した。

【００３５】本発明者らが種々の基板を試みた結果の知
見によれば、窒化物半導体基板が好ましく、ＧａＮ基板
が特に好ましい。窒化物半導体基板上に成長させた窒化
物半導体膜の貫通転位密度はエッチピット測定で約５×
１０⁷／ｃｍ²以下であった。これは、従来の窒化物半導
体発光素子の基板として使用されているサファイア基板
やＳｉＣ基板の貫通転位密度の約４×１０⁸／ｃｍ²より
も小さい値である。なお、エッチピット密度はエピウエ
ハのエピタキシャル層表面のピット密度を測定している
ので、厳密には発光層中の欠陥密度を測定しているわけ
ではないが、そのようなエッチピット密度が高ければ発
光層中の欠陥密度もほぼ比例して高くなるので、エッチ
ピット密度の測定は発光層中の欠陥密度の指標となり得
る。

【００３６】窒化物半導体基板の材料としては、Ａｌ_x
Ｇａ_yＩｎ_zＮ（０≦ｘ≦１；０≦ｙ≦１；０≦ｚ≦１；
ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）を好ましく用いることができる。たと
えば、ＧａＮ基板は、その他の窒化物半導体基板に比べ
て製造方法が容易であり、生産性に優れているので好ま
しい。窒化物半導体レーザの場合、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、そのためには
ＡｌＧａＮ基板を用いることが好ましい。また、Ａｌ_x
Ｇａ_yＩｎ_zＮ基板において、窒素元素のうちの約１０％
以下がＡｓ、Ｐ、および／またはＳｂで置換されてもよ
い（ただし、基板の六方晶系が維持されることが前提で
ある）。さらに、基板中には、Ｓｉ、Ｏ、Ｃｌ、Ｓ、
Ｃ、Ｇｅ、Ｚｎ、Ｃｄ、Ｍｇ、および／またはＢｅがド
ーピングされてもよい。ｎ型窒化物半導体基板において
は、これらのドーピング剤のうちで、Ｓｉ、Ｏ、Ｃｌが
特に好ましい。さらにまた、窒化物半導体基板の主面と
なる結晶面方位はＣ面｛０００１｝の他に、Ａ面｛１１
−２０｝、Ｒ面｛１−１０２｝、Ｍ面｛１−１００｝、
または｛１−１０１｝面であってもよい。また、これら
の面方位から２°以内のオフ角度を有する基板であれ
ば、その表面モホロジーが良好であって好ましい。

【００３７】上述のような窒化物半導体基板に次いで好
ましい基板として、擬似ＧａＮ基板を用いることができ
る。この擬似ＧａＮ基板の製造方法などについては、実
施例２において詳細に述べられる。擬似ＧａＮ基板上に
成長した窒化物半導体膜中の貫通転位密度は、最も少な
いエッチピット密度の領域で約７×１０⁷／ｃｍ²以下で
あった。これは、窒化物半導体基板上に成長した窒化物
半導体膜の貫通転位密度と同様の値である。しかし、擬
似ＧａＮ基板は、貫通転位密度の低い領域と高い領域が
混在しているので、窒化物半導体基板を用いた場合に比
べて発光素子の歩留まりを低下させる傾向になる。他
方、擬似ＧａＮ基板は、窒化物半導体基板に比べて大面
積のものを安価に製造しやすいという利点を有してい
る。

【００３８】上述のような窒化物半導体基板または擬似
ＧａＮ基板を用いて成膜することによって、その膜中の
貫通転位密度が従来のサファイア基板またはＳｉＣ基板
上に成長した膜に比べて低減し、Ｉｎ_aＧａ_1-aＮ
_1-x-y-zＡｓ_xＰ_yＳｂ_z（０＜ａ≦０．２５；０＜ｘ＋ｙ
＋ｚ≦０．１５）井戸層／Ｉｎ_bＧａ_1-bＮ障壁層を含む
発光素子の発光半値幅の低減に伴う発光強度の向上とし
きい値電流密度の低減を得ることができる（図１０と図
１１を参照）。

【００３９】（Ｉｎ_bＧａ_1-bＮ障壁層中のＩｎ組成比ｂ
について）窒化物半導体基板または擬似ＧａＮ基板上で
成長させたＩｎ_aＧａ_1-aＮ_{1-x-y- z}Ａｓ_xＰ_yＳｂ_z（０＜
ａ≦０．２５；０＜ｘ＋ｙ＋ｚ≦０．１５）井戸層／Ｉ
ｎ _bＧａ_1-bＮ障壁層を含む発光層におけるＩｎ_bＧａ_1-b
Ｎ障壁層のＩｎ組成比ｂに依存するＩｎ相分離（濃度分
離）の度合いと発光強度の変化について、図９を参照し
つつ説明する。

【００４０】図９において横軸はＩｎ_bＧａ_1-bＮ障壁層
のＩｎ組成比ｂを表わし、左縦軸はＩｎ_bＧａ_1-bＮ障壁
層中のＩｎ相分離の度合い（％）を表わし、そして右縦
軸はＩｎ_bＧａ_1-bＮ障壁層を用いて成長させた発光層の
発光強度を表わしている。ここで、図９における発光層
は、Ｉｎ_0.05Ｇａ_0.95Ｎ_0.98Ａｓ_0.02井戸層／Ｉｎ_bＧ
ａ_1-b障壁層を含んでいる。そして、この発光層の発光
強度はＩｎ_0.05Ｇａ_{0.9 5}Ｎ_0.98Ａｓ_0.02井戸層／ＧａＮ
障壁層を含む発光層の発光強度で規格化されている。な
お、Ｉｎ相分離の度合いとは、障壁層中の単位体積中に
おいて、平均Ｉｎ組成比の領域以外でＩｎ相分離を起こ
している部分の体積割合を表わしている。

【００４１】図９によれば、Ｉｎ組成比ｂが１×１０^-4
〜１×１０^-2程度の範囲ではＩｎ相分離の度合いに変化
がなく、ｂが１×１０²を超えたあたりからＩｎ相分離
が徐々に増え初め、ｂが１．５×１０^-1のときにＩｎ相
分離が約３％程度になり、そしてｂが２．０×１０^-1に
なれば、Ｉｎ相分離が約６％以上になっている。

【００４２】次に、図９の発光強度を参照すれば、Ｉｎ
組成比ｂが１×１０^-4以上で１．５×１０^-1以下の範囲
内であれば、発光強度はＩｎ_0.05Ｇａ_0.95Ｎ_0.98Ａｓ
_0.02井戸層／ＧａＮ障壁層に比べて強い（すなわち規格
化された発光強度が１よりも大きい）。さらに好ましい
Ｉｎ組成比ｂの範囲は、１×１０^-3以上で１×１０^-1以
下である。

【００４３】Ｉｎ組成比ｂが１×１０^-4〜１×１０^-3程
度の範囲では、Ｉｎ相分離がほとんど生じていないにも
かかわらず、ｂが１×１０^-3〜１×１０^-1程度の場合に
比べて発光強度が小さい。しかしながら、この発光強度
は、ＧａＮ障壁層を含む発光層に比べて強い。これに関
しては、その理由が必ずしも明らかではないが、障壁層
中にＩｎが含まれることによって、そのＩｎ原子が揮発
性の高いＮ原子を捕らえ、その障壁層の結晶性がいくぶ
ん向上しているのではないかと考えられる。Ｉｎ組成比
ｂが１×１０^-4以上で１．５×１０^-1以下のＩｎ_bＧａ
_1-bＮ障壁層を含むＩｎ_aＧａ_1-aＮ_1-x-y-zＡｓ_xＰ_yＳｂ
_z／Ｉｎ_bＧａ_b-1Ｎ発光層は、ＧａＮ障壁層を含むＩｎ_a
Ｇａ_1-aＮ_1-x-y-zＡｓ_xＰ_yＳｂ_z／ＧａＮ発光層に比べ
て発光強度の面で優れているといえる。

【００４４】他方、Ｉｎ組成比ｂが１×１０^-1よりも大
きくなれば発光強度が減少し始め、２×１０^-1になれば
発光強度が１以下となる。これは、Ｉｎ組成比ｂが高く
なるにつれて、Ｉｎ相分離の度合いが大きくなって、井
戸層中でのＡｓ、Ｐ、またはＳｂによる相分離（濃度分
離）または結晶系分離のために発光強度が減少するもの
と考えられる。図９から、１よりも大きい発光強度が得
られるＩｎ相分離の度合いは、６．５％よりも小さく、
好ましくは約３％以下であることがわかる。

【００４５】Ｉｎ組成比ｂが１×１０^-4以上で１．５×
１０^-1以下のＩｎ_bＧａ_1-bＮ障壁層を含む発光層の発光
半値幅は、ｂが２×１０^-1の場合に比べて約１０％〜１
５％程度まで減少していた。

【００４６】以上のことから、窒化物半導体基板または
擬似ＧａＮ基板上で成長させたＩｎ _aＧａ_1-aＮ_1-x-y-z
Ａｓ_xＰ_yＳｂ_z井戸層／Ｉｎ_bＧａ_1-bＮ障壁層を含む発
光層において好ましいＩｎ組成比ｂの下限値は１×１０
^-4以上で、好ましくは１×１０ ^-3以上である。他方、Ｉ
ｎ組成比ｂの上限値は２×１０^-1未満で、１．５×１０
^-1以下であることが好ましく、１×１０^-1以下であるこ
とがさらに好ましい。

【００４７】なお、図９においてはＩｎ_0.05Ｇａ_0.95Ｎ
_0.98Ａｓ_0.02井戸層／Ｉｎ_bＧａ_1-bＮ障壁層を含む発光
層について述べられたが、これ以外でも本発明の要件を
満たす発光層であれば、図９に示す障壁層のＩｎ組成比
ｂと発光強度およびＩｎ相分離度合いとの関係と同様の
関係を得ることができる。

【００４８】Ｉｎ_bＧａ_1-bＮ障壁層のＩｎ組成比ｂがＩ
ｎ_aＧａ_1-aＮ_1-x-y-zＡｓ_xＰ_yＳｂ_z井戸層のＩｎ組成比
ａとほぼ等しければ、それは製造方法上で非常に好まし
い。なぜならば、発光層を作製する際に、一定のＩｎ供
給量のもとで、Ａｓ、Ｐ、またはＳｂを添加するだけで
井戸層が作製でき、添加しなければ障壁層が作製できる
からである。このよう作製法は、界面の急峻性がより向
上する方向にも寄与する。

【００４９】（発光層中への不純物の添加について）Ｉ
ｎＧａＮ障壁層中に適当な不純物を添加すれば、その不
純物は障壁層内に均一に分布する。このような不純物
は、貫通転位と同様にＩｎをトラップするように作用す
る。しかし、不純物は均一に分布するので、貫通転位と
異なって、Ｉｎの偏析を弱めることができる。適当な不
純物は、たとえばＳｉ、Ｏ、Ｓ、Ｃ、Ｇｅ、Ｚｎ、Ｃ
ｄ、およびＭｇから選択することができる。また、不純
物の添加量は、その総添加量が１×１０¹⁶〜１×１０²⁰
／ｃｍ³の範囲内であればよく、複数種の不純物が添加
されてもよい。不純物の総添加量が１×１０¹⁶／ｃｍ³
よりも少なければ、不純物の分布密度が小さくなり、十
分にＩｎをトラップすることができないので好ましくな
い。他方、不純物の総添加量が１×１０²⁰／ｃｍ³より
も多ければ、不純物を添加すること自体による結晶欠陥
密度が増大し、逆に発光強度の低下をもたらし始めるの
で好ましくない。

【００５０】なお、不純物は井戸層と障壁層の両方に添
加してもよいし、井戸層と障壁層のどちらか一方のみに
添加してもよい。しかし、本発明者らの知見によれば、
ＩｎＧａＮ障壁層のみに不純物を添加することが最も好
ましい。なぜならば、井戸層中のＡｓ、Ｐ、またはＳｂ
による濃度分離または結晶系分離は、ＩｎＧａＮ障壁層
のＩｎ偏析に起因して生じると考えられるからである。
井戸層と障壁層の両方に不純物を添加する場合、井戸層
中にも不純物を添加することによって確かに井戸層中で
の濃度分離や結晶系分離が弱められるが、その不純物添
加による井戸層中での光吸収（利得損失）の不利益も生
じ始める。したがって、井戸層中に不純物を添加する場
合には、前述の総添加量の範囲内で慎重に調整する必要
がある。

【００５１】（井戸層の層数について）本発明によっ
て、Ｉｎ_aＧａ_1-aＮ_1-x-y-zＡｓ_xＰ_yＳｂ_z井戸層中の濃
度分離と結晶系分離を低減し、Ｉｎ_aＧａ_1-aＮ_1-x-y-z
Ａｓ_xＰ_yＳｂ_z井戸層／Ｉｎ_bＧａ_{1 -b}Ｎ障壁層の界面急
峻性を改善することができる。すなわち、井戸層と障壁
層の複数層からなる良好な多重量子井戸構造を作製する
ことが可能であり、多重量子井戸構造を構成する多層積
層構造によって井戸層と障壁層との間の界面急峻性が損
なわれることはない。したがって、多重量子井戸構造か
ら得られる発光特性も好ましいものである（界面急峻性
が改善されたことによって発光半値幅が減少し、発光強
度が向上する）と期待される。

【００５２】そこで、本発明による発光層を用いた多重
量子井戸レーザダイオードに関して、井戸層の数とレー
ザしきい値電流密度との関係を調べ、それに対する基板
の影響も調べた。

【００５３】図１０は、Ｉｎ_0.05Ｇａ_0.95Ｎ_0.99Ａｓ
_0.01井戸層／Ｉｎ_0.05Ｇａ_0.95Ｎ障壁層を含む発光層中
の井戸層の数とレーザしきい値電流密度との関係を示し
ている。このグラフ中の●印は、ＧａＮ基板（窒化物半
導体基板としての一例）を用いた場合のレーザしきい値
電流密度を表わし、〇印は従来のサファイア基板（窒化
物半導体基板以外の基板としての一例）を用いた場合を
表わしている。

【００５４】図１０によれば、従来のサファイア基板を
用いた場合に比べて、ＧａＮ基板上のレーザダイオード
素子において、しきい値電流密度が低くなっていること
がわかる。これは、ＧａＮ基板を用いたことによって障
壁層中の貫通転位密度が減少してＩｎ偏析が低減された
ことによるＩｎ_0.05Ｇａ_0.95Ｎ_0.99Ａｓ_0.01井戸層／Ｉ
ｎ_0.05Ｇａ_0.95Ｎ障壁層の界面急峻性の改善と、その井
戸層中のＡｓによる濃度分離または結晶系分離が低減さ
れた効果であると考えられる。

【００５５】さらに、図１０からわかるように、ＧａＮ
基板上に成長させられたレーザダイオード素子は、井戸
層の数が１０層以下のときに８ｋＡ／ｃｍ²以下のしき
い値電流密度で室温連続発振が可能である。発振しきい
値電流密度をさらに低減するためには、２層以上で６層
以下であることが好ましい。すなわち、本発明によっ
て、良好な多重量子井戸構造を作製できることがわか
る。

【００５６】なお、擬似ＧａＮ基板を用いた場合におけ
る井戸層の数としきい値電流密度との関係は、図１０中
のＧａＮ基板（窒化物半導体基板の一例）の場合とほぼ
同じである。ただし、擬似ＧａＮ基板は、その貫通転位
密度の低い領域と高い領域が混在しているので、窒化物
半導体基板を用いた場合に比べて発光素子の歩留まりが
少し低下する。しかし、擬似ＧａＮ基板は、窒化物半導
体基板に比べて大面積のものを安価に作製しやすいとい
う利点がある。また、図１０の関係はＩｎ_0.05Ｇａ_0.95
Ｎ_0.99Ａｓ_0.01井戸層／Ｉｎ_0.05Ｇａ_0.95Ｎ障壁層を含
む発光層に限られず、Ｉｎ_aＧａ_1-aＮ_1-x-y-zＡｓ_xＰ_y
Ｓｂ_z（０＜ａ≦０．２５；０＜ｘ＋ｙ＋ｚ≦０．１
５）井戸層／Ｉｎ_bＧａ_1-bＮ（１×１０^-4≦ｂ≦１．５
×１０^-1）障壁層を含む発光層であれば、図１０と同様
の傾向を得ることが可能である。

【００５７】次に、本発明による多重量子井戸を含む発
光層を用いた発光ダイオードにおける井戸層の数と発光
強度との関係を調べ、それに対する基板の影響をも調べ
た。

【００５８】図１１は、Ｉｎ_0.01Ｇａ_0.99Ｎ_0.99Ａｓ
_0.01井戸層／Ｉｎ_0.01Ｇａ_0.99Ｎ障壁層を含む発光層に
おける井戸層の数と発光強度との関係を示している。図
１１中の発光強度は、任意強度（ａｒｂ．ｕｎｉｔｓ）
を表わしている。●印はＧａＮ基板を用いた場合の発光
強度を表わし、○印は従来のサファイア基板を用いた場
合を表わしている。

【００５９】図１１から、従来のサファイア基板よりも
ＧａＮ基板を用いることによって発光強度が向上するこ
とがわかる。これは、ＧａＮ基板を用いたことによって
障壁層中の貫通転位密度が減少してＩｎ偏析が低減され
たことによるＩｎ_0.01Ｇａ_{0. 99}Ｎ_0.99Ａｓ_0.01井戸層／
Ｉｎ_0.01Ｇａ_0.99Ｎ障壁層の界面急峻性の改善と、井戸
層中のＡｓによる濃度分離および結晶系分離が低減され
た効果であると考えられる。

【００６０】さらに、ＧａＮ基板上に成長させた発光ダ
イオード素子の発光強度は井戸層の数が１層以上で１０
層以下のときに強く、２層以上で１０層以下であること
がより好ましいことがわかる。また、発光スペクトルの
半値幅を調べたところ、ＧａＮ基板上に成長させた発光
素子の発光半値幅は、従来のサファイア基板上の発光素
子に比べて３０％以上低減していた。

【００６１】なお、擬似ＧａＮ基板上における井戸層の
数と発光強度の関係は、図１１中のＧａＮ基板の場合と
ほぼ同じであった。ただし、ＧａＮ基板は、その貫通転
位密度の低い領域と高い領域が混在しているので、窒化
物半導体基板を用いた場合に比べて発光素子の歩留まり
が少し低下する。他方、擬似ＧａＮ基板は、窒化物半導
体基板に比べて大面積のものを安価に作製しやすいとい
う利点がある。また、図１１の関係はＩｎ_0.01Ｇａ_0.99
Ｎ_0.99Ａｓ_0.01井戸層／Ｉｎ_0.01Ｇａ_0.99Ｎ障壁層に限
られず、Ｉｎ_aＧａ_1-aＮ_1-x-y-zＡｓ_xＰ_yＳｂ_z（０＜ａ
≦０．２５；０＜ｘ＋ｙ＋ｚ≦０．１５）井戸層／Ｉｎ
_bＧａ_1-bＮ（１×１０^-4≦ｂ≦１．５×１０^-1）障壁層
を含む発光層であれば同様の効果を得ることが可能であ
る。さらに、スーパールミネッセントダイオード素子に
おいても、図１１と同様の効果が得られる。

【００６２】（発光層の厚さについて）Ｉｎ_aＧａ_1-aＮ
_1-x-y-zＡｓ_xＰ_yＳｂ_z井戸層の厚さは０．４ｎｍ以上で
２０ｎｍ以下であることが好ましく、０．４ｎｍ以上で
１０ｎｍ以下であることがさらに好ましい。この井戸層
の厚さが０．４ｎｍよりも薄くなれば量子井戸効果によ
るキャリアの閉じ込め準位が高くなって発光効率が低下
してしまう可能性がある。また、井戸層の厚さが２０ｎ
ｍよりも厚くなれば、界面の急峻性が悪化し始める。こ
の理由については必ずしも明らかではないが、おそら
く、Ｉｎ_aＧａ_1-aＮ _1-x-y-zＡｓ_xＰ_yＳｂ_z井戸層中のＶ
族元素におけるＡｓ、Ｐ、および／またはＳｂの総和の
組成比ｘ＋ｙ＋ｚが１５％以下であってもわずかにＡ
ｓ、Ｐ、またはＳｂによる濃度分離が起きていて、井戸
層の厚さが増すにつれてその濃度分離の領域が徐々に拡
大して井戸層の表面が荒れてしまったか、または結晶系
分離まで進んでしまったためではないかと思われる。Ｉ
ｎ_aＧａ_1-aＮ_1-x-y-zＡｓ_xＰ_yＳｂ_z井戸層の厚さが１０
ｎｍ以下であれば、Ａｓ、Ｐ、またはＳｂによる濃度分
離の影響がより小さくなり、その濃度分離が発光効率の
減少を引き起こしにくくなるので好ましい。

【００６３】他方、Ｉｎ_bＧａ_1-bＮ障壁層の厚さは１ｎ
ｍ以上で３０ｎｍ以下であることが好ましく、１ｎｍ以
上で１５ｎｍ以下であることがさらに好ましい。この障
壁層の厚さが１ｎｍよりも薄くなれば十分にキャリアを
閉じ込めることが難しくなる。また、障壁層の厚さが３
０ｎｍよりも厚くなれば、界面の急峻性が低下し始め
る。この理由についても必ずしも明らかではないが、お
そらく、Ｉｎ_bＧａ_1-bＮ障壁層中のＩＩＩ族元素におけ
るＩｎ組成比ａが１５％以下であってもわずかにＩｎに
よる濃度分離が起きていて、障壁層の厚さが増すにつれ
その濃度分離の領域が徐々に拡大して障壁層の表面が荒
れてしまったか、または過剰な濃度分離が進行したため
ではないかと思われる。Ｉｎ_bＧａ_1-bＮ障壁層の厚さが
１５ｎｍ以下になれば、界面急峻性が向上し得るので好
ましい。

【００６４】（実施例１）図１は、本発明の実施例１に
よる窒化物半導体レーザ素子を模式的な断面図で示して
いる。なお、本願のいくつかの図面において、同一の参
照符号は同一部分または相当部分を表わしている。

【００６５】図１の窒化物半導体レーザ素子は、Ｃ面
（０００１）ｎ型ＧａＮ基板１００、ＧａＮバッファ層
１０１、ｎ型ＧａＮコンタクト層１０２、ｎ型Ｉｎ_0.07
Ｇａ_{0. 93}Ｎクラック防止層１０３、ｎ型Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9
Ｎ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キャリアブロック層
１０７、ｐ型ＧａＮ光ガイド層１０８、ｐ型Ａｌ_0.1Ｇ
ａ_0.9Ｎクラッド層１０９、ｐ型ＧａＮコンタクト層１
１０、ｎ型電極１１１、ｐ型電極１１２、およびＳｉＯ
₂誘電体膜１１３を含んでいる。

【００６６】このようなレーザ素子の作製においては、
まずＭＯＣＶＤ（有機金属気相成長）装置内にｎ型Ｇａ
Ｎ基板１００をセットし、Ｖ族元素用原料のＮＨ₃（ア
ンモニア）とＩＩＩ族元素用原料のＴＭＧａ（トリメチ
ルガリウム）を用いて、比較的低温の５５０℃において
ＧａＮバッファ層１０１を厚さ１００ｎｍに成長させ
る。次に、１０５０℃の成長温度で上記原料にＳｉＨ₄
を加え、ｎ型ＧａＮ層（Ｓｉ不純物濃度：１×１０¹⁸／
ｃｍ³）１０２を３μｍ厚さに形成する。続いて、基板
温度を７００〜８００℃程度に下げ、ＩＩＩ族元素原料
のＴＭＩｎ（トリメチルインジウム）を供給し、ｎ型Ｉ
ｎ_0.07Ｇａ_0.93Ｎクラック防止層１０３を厚さ４０ｎｍ
に成長させる。再び、基板温度を１０５０℃に上げ、Ｉ
ＩＩ族元素原料のＴＭＡｌ（トリメチルアルミニウム）
を用いて、０．８μｍ厚さのｎ型Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎクラ
ッド層（Ｓｉ不純物濃度：１×１０¹⁸／ｃｍ³）１０４
を成長させ、続いてｎ型ＧａＮ光ガイド層（Ｓｉ不純物
濃度：１×１０¹⁸／ｃｍ³）１０５を０．１μｍ厚さに
成長させる。その後、基板温度を８００℃に下げ、厚さ
８ｎｍのＩｎ_0.02Ｇａ_0.98Ｎ障壁層と厚さ４ｎｍのＩｎ
_0.02Ｇａ_0.98Ｎ_0.98Ｐ _0.02井戸層とが交互に積層された
発光層（多重量子井戸構造）１０６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（３周期）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、それらの両方にＳｉＨ₄（Ｓｉ不純物濃度：１
×１０¹⁸／ｃｍ³）が添加された。障壁層と井戸層との
間または井戸層と障壁層との間に１秒以上で１８０秒以
内の結晶成長中断期間を挿入してもよい。このことによ
って、各層の平坦性が向上し、発光半値幅が減少するの
で好ましい。

【００６７】Ｉｎ_aＧａ_1-aＮ_1-x-y-zＡｓ_xＰ_yＳｂ_z（０
＜ａ≦０．２５；０＜ｘ＋ｙ＋ｚ≦０．１５）井戸層に
おいて、Ａｓ、Ｐ、またはＳｂの組成は、目的とする発
光素子の発光波長（または発振波長）に応じて調整する
ことができる。たとえば、井戸層としてＩｎＧａＮＡｓ
系またはＩｎＧａＮＰ系の半導体を用いる場合に目的と
する発光波長（４５０ｎｍ未満の発振波長）を得るため
には、Ｉｎの組成比ａに応じて、表１または表２に示さ
れた数値をＡｓまたはＰの組成比ｘまたはｙの値として
採用すればよい。そうすれば、ほぼ目的とする発光波長
を得ることができる。井戸層としてＩｎＧａＮＳｂ系の
半導体を用いる場合には、そのＶ族元素中のＳｂ含有率
は約２％以下であることが好ましい。なぜならば、Ｉｎ
ＧａＮＳｂ半導体がこれより高い濃度のＳｂを含めば、
Ｓｂ含有領域の高い立方晶系と低い六方晶系とに結晶分
離しやすくなるからである。

【００６８】

【表１】

【００６９】

【表２】

【００７０】表１および表２からわかるように、ＩｎＧ
ａＮ結晶中にＡｓ、Ｐ、またはＳｂを含有させることに
よってＩｎ組成比を低く抑制することができる。これ
は、Ｉｎと同様に、Ａｓ、Ｐ、およびＳｂもその井戸層
のバンドギャップを小さくするように作用するからであ
る。しかも、井戸層中に含まれるＡｓ、Ｐ、ＳｂはＩｎ
と結合しやすいので、Ｉｎが貫通転位周辺部に偏析する
ことを抑制するようにも作用する。そして、井戸層中の
Ｉｎ偏析（Ｉｎ濃度分離）の抑制は、発光効率を向上さ
せるように働く。

【００７１】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キャリアブロック層１０７、厚さ０．１μ
ｍのｐ型ＧａＮ光ガイド層１０８、厚さ０．５μｍのｐ
型Ａｌ_0.1Ｇａ_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。

【００７２】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。

【００７３】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に替えて、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℃の間が好まし
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。

【００７４】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（Ｍｇが活性化
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。これに加えて従来
のｐ型アニールをも組合せれば、Ｍｇの活性化がより向
上することは言うまでもない。

【００７５】なお、本実施例における比較的低温で形成
された低温ＧａＮバッファ層１０１は低温Ａｌ_xＧａ_1-x
Ｎバッファ層（０≦ｘ≦１）であってもよく、このバッ
ファ層自体が省略されてもよい。しかしながら、現在商
業的に供給されつつあるＧａＮ基板はその表面モホロジ
ーが好ましくないので、低温Ａｌ_xＧａ_1-xＮバッファ層
を挿入した方が表面モホロジーが改善されるので好まし
い。ここで、低温バッファ層とは、約４５０℃〜６００
℃の成長温度で形成されたバッファ層を意味する。この
ような比較的低温で成長させられたバッファ層は、多結
晶または非晶質である。

【００７６】本実施例のＩｎ_0.07Ｇａ_0.93Ｎクラック防
止層１０３はそのＩｎ組成比が０．０７以外であっても
よいし、そのクラック防止層自体を省略することもでき
る。しかしながら、クラッド層１０４とＧａＮ基板１０
０との間の格子不整合が大きくなる場合には、ＩｎＧａ
Ｎクラック防止層１０３を挿入する方が好ましい。

【００７７】本実施例の発光層１０６は障壁層で開始し
て障壁層で終了する井戸層／障壁層の繰返し構造を有し
ていたが、井戸層で始まって井戸層で終了する繰返し構
造を有していてもよい。さらに、発光層１０６中の井戸
層の数は前述の３層に限られず、１０層以下であれば低
いしきい値電流密度で室温連続レーザ発振が可能にな
る。特に、井戸層数が２層以上で６層以下のときに、し
きい値電流密度が低くなって好ましい（図１０参照）。

【００７８】本実施例の発光層では井戸層と障壁層の両
方に１×１０¹⁸／ｃｍ³のＳｉが添加されたが、障壁層
のみに不純物が添加されてもよいし、両方ともに不純物
の添加が省略されてもよい。ただし、井戸層と障壁層の
いずれにも不純物が添加されなければ、前述の項目（発
光層中への不純物の添加について）において述べられた
効果が得られない。

【００７９】本実施例のｐ型Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8Ｎキャリア
ブロック層１０７においてはＡｌ組成比が０．２以外の
値であってもよいし、このキャリアブロック層自体が省
略されてもよい。しかしながら、キャリアブロック層１
０７を設けた方が、レーザ発振しきい値電流密度が低く
なる。これは、キャリアブロック層１０７が発光層１０
６中にキャリアを閉じ込める働きを有するからである。
キャリアブロック層１０７中のＡｌ組成比が高いこと
は、キャリアの閉じ込め効果が強くなる点で好ましい。
また、キャリアの閉じ込め効果が保持される範囲内でＡ
ｌ組成比を小さくすれば、キャリアブロック層内のキャ
リア移動度が大きくなり、電気抵抗が低くなる観点から
好ましい。さらに、キャリアブロック層１０７は、Ａｌ
を含んでいるので、発光層１０６中のＩｎと、Ａｓ、Ｐ
および／またはＳｂとがその結晶中から抜け出ることを
防止するように作用するので好ましい。

【００８０】本実施例ではｎ型クラッド層１０４とｐ型
クラッド層１０９としてＡｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎ結晶が用いら
れたが、Ａｌの組成比が０．１以外のＡｌＧａＮ系３元
結晶が用いられてもよい。Ａｌの混晶比を高くすれば、
発光層１０６とのエネルギギャップ差および屈折率差が
大きくなり、キャリアや光が発光層内に効率よく閉じ込
められ、レーザ発振しきい値電流密度の低減を図ること
ができる。また、キャリアおよび光の閉じ込め効果が保
持される範囲内でＡｌ組成比が小さくされれば、クラッ
ド層内でのキャリア移動度が大きくなり、発光素子の動
作電圧を低くすることができる。

【００８１】ＡｌＧａＮクラッド層の厚さに関しては、
０．７〜１．０μｍの範囲内にあることが好ましい。こ
の厚さにおいて、垂直横モードの単峰化と光閉じ込め効
率が高まり、レーザ素子の光学特性の向上としきい値電
流密度の低減を図ることができる。

【００８２】クラッド層はＡｌＧａＮ系の３元混晶に限
られず、ＡｌＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮＰ、またはＡｌＧ
ａＮＡｓなどの４元混晶であってもよい。また、ｐ型ク
ラッド層は、その電気抵抗を低減するために、ｐ型Ａｌ
ＧａＮ層とｐ型ＧａＮ層を含む超格子構造、またはｐ型
ＡｌＧａＮ層とｐ型ＩｎＧａＮ層を含む超格子構造を有
していてもよい。

【００８３】本実施例ではＧａＮ基板のＣ面｛０００
１｝が用いられたが、その基板の主面としての面方位は
Ｃ面の他に、Ａ面｛１１−２０｝、Ｒ面｛１−１０
２｝、Ｍ面｛１−１００｝、または｛１−１０１｝面を
用いてもよい。また、これらの面方位から２°以内のオ
フ角度を有する基板であれば、表面モホロジーが良好で
ある。

【００８４】本実施例では、ＭＯＣＶＤ装置による結晶
成長方法について説明されたが、分子線エピタキシ（Ｍ
ＢＥ）法、またはハイドライド気相成長（ＨＶＰＥ）法
で結晶成長させることも可能である。

【００８５】次に、前述のように結晶成長させられたエ
ピタキシャルウエハをＭＯＣＶＤ装置から取出してレー
ザ素子に加工するプロセスについて説明する。まず、ｎ
型ＧａＮ基板１００の裏面上に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型電極部で
は、ＧａＮ基板の＜１−１００＞方向に沿ってストライ
プ状にエッチングを行ない、リッジストライプ部１Ａ
（図１参照）を形成する。このリッジストライプ部１Ａ
は、幅が２μｍになるように作製する。その後、ＳｉＯ
₂誘電体膜１１３を蒸着し、ｐ型ＧａＮコンタクト層１
１０を露出させ、Ｐｄ／Ｍｏ／Ａｕの順序の積層を蒸着
してｐ型電極１１２を形成する。ｐ型電極の材料として
は、Ｐｄ／Ｐｔ／Ａｕ、Ｐｄ／Ａｕ、またはＮｉ／Ａｕ
などの積層を用いることもできる。

【００８６】最後に、ＧａＮ基板のへき開面を利用し
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１０
００μｍ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基板のＭ面｛１−１００｝が端面にな
るように形成される（図５参照）。へき開とレーザ素子
のチップ分割は、図５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。ただし、ミラー
端面を形成するためのへき開２Ａは、ウエハ全面にスク
ライバによる罫書き傷をつけてからへき開するのではな
く、ウエハの一部、たとえばウエハの両端にのみスクラ
イバによる罫書き傷をつけてへき開する。こうすること
によって、端面の急峻性やスクライブによる削りかすが
エピタキシャル表面に付着することを防止できて歩留ま
りが良好になる。

【００８７】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
用い得ることは言うまでもない。

【００８８】ファブリ・ベ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。このようにして、窒化物半導体レーザチップが作
製される。

【００８９】なお、前述のｎ型電極１１１はｎ型ＧａＮ
基板１００の裏面上に形成されたが、ドライエッチング
方法を利用してｎ型ＧａＮ層１０２の一部を露出させて
その露出領域上にｎ型電極を形成してもよい（たとえば
図４参照）。

【００９０】次に、上述のような半導体レーザチップを
パッケージに実装する方法について述べる。高密度記録
用光ディスクに適した青紫色（波長４００〜４１０ｎ
ｍ）の高出力（３０ｍＷ以上）レーザチップとして用い
る場合、放熱対策に注意を払わなければならない。たと
えば、Ｉｎはんだ材を用いて、半導体接合を上側にして
もよいが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、Ａｌ
Ｎ、ダイヤモンド、Ｍｏ、ＣｕＷ、ＢＮ、Ａｕ、Ｃｕ、
またはＦｅなどのサブマウントを介して接続させてもよ
い。以上のようにして、本発明による窒化物半導体レー
ザ素子およびレーザ装置を作製することができる。

【００９１】（実施例２）実施例２においては、図１の
ＧａＮ基板１００を図２または図３（ｂ）の擬似ＧａＮ
基板に置き換え、さらに図４に示されているようにｎ型
ＧａＮコンタクト層１０２の部分的な露出領域上にｎ型
電極１１１を形成した以外は、実施例１の場合と同様で
ある。すなわち、以下においては、図２の擬似ＧａＮ基
板２００と図３（ｂ）の擬似ＧａＮ基板２００ａとの２
種類の擬似ＧａＮ基板が説明される。

【００９２】図２の擬似ＧａＮ基板２００は、種基板２
０１、低温バッファ層２０２、ｎ型ＧａＮ膜２０３、成
長抑制膜２０４、およびｎ型ＧａＮ厚膜２０５を含んで
いる。種基板２０１は、ｎ型ＧａＮ厚膜２０５を成長さ
せるための基礎部分として使用される。また、成長抑制
膜とは、窒化物半導体膜が直接にはその上に結晶成長し
ない膜を意味する。このような擬似ＧａＮ基板は、図２
で示された構成を有するものに限られず、少なくとも種
基板と成長抑制膜を含んでＧａＮ厚膜が形成されている
ものであればよい。

【００９３】図３の擬似ＧａＮ基板２００ａは、種基板
２０１、低温バッファ層２０２、第１のｎ型ＧａＮ膜２
０３ａ、第２のｎ型ＧａＮ膜２０３ｂを含んでいる。こ
こで、図３（ａ）は擬似ＧａＮ基板２００ａを作製する
途中の工程を表わし、図３（ｂ）はその完成図を表わし
ている。

【００９４】図３（ａ）に示されているように、まず第
１のｎ型ＧａＮ膜２０３ａが低温バッファ層２０２上に
積層された後に、ドライエッチング法またはウエットエ
ッチング法によってその第１のｎ型ＧａＮ膜の表面を溝
状に加工する。その後、種基板が再び結晶成長装置内へ
搬送され、第２のｎ型ＧａＮ膜２０３ｂを積層し、こう
して擬似ＧａＮ基板２００ａを完成させる（図３（ｂ）
参照）。なお、図３（ａ）では第１のｎ型ＧａＮ膜２０
３の厚さの途中までしか溝を形成していないが、低温バ
ッファ層２０２または種基板２０１に至る深さまで溝を
形成してもよい。

【００９５】こうして作製された擬似ＧａＮ基板２００
または２００ａ上に窒化物半導体膜を成長させれば、そ
の窒化物半導体膜の貫通転位密度（エッチピット密度で
約７×１０⁷／ｃｍ²以下）が、サファイア基板やＳｉＣ
基板上に成長させられた窒化物半導体膜の貫通転位密度
（エッチピット密度で約４×１０⁸／ｃｍ²以上）に比べ
て低くなる。ただし擬似ＧａＮ基板は成長抑制膜または
溝の形成位置に依存して貫通転位密度の低い領域と高い
領域が混在するので、窒化物半導体基板に比べて発光素
子の歩留りが低くなる。他方、擬似ＧａＮ基板は、窒化
物半導体基板に比べて安価に大面積のものが作製され得
る点で好ましい。

【００９６】貫通転位密度の低い領域は、図２において
は結晶成長抑制膜２０４の幅の中央直上２０６と成長抑
制膜２０４が形成されていない部分の幅の中央直上２０
７とを除く領域であり、図３（ｂ）においては溝の幅の
中央直上２０８と溝が形成されていない部分（丘）の幅
の中央直上２０９とを除く領域である。すなわち、図２
中の破線２０６と２０７の間の中央付近および図３
（ｂ）中の破線２０８と２０９の間の中央付近において
転位密度が低く、破線２０６、２０７、２０８、および
２０９の部分では逆に貫通転位密度が高い。したがっ
て、擬似ＧａＮ基板上に発光素子を形成する場合は、上
述の貫通転位密度の低い領域上に形成すればよい。

【００９７】なお、上述のｎ型ＧａＮ厚膜２０５、第１
のｎ型ＧａＮ膜２０３ａ、第２のｎ型ＧａＮ膜２０３ｂ
の材料はＧａＮに限られず、Ａｌ_xＧａ_yＩｎ_zＮ（０≦
ｘ≦１；０≦ｙ≦１；０≦ｚ≦１；ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）を
用いることができる。窒化物半導体レーザの場合、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、ＡｌＧａＮを用いることはこの観点から好ましい。
また、Ａｌ_xＧａ_yＩｎ_zＮ（０≦ｘ≦１；０≦ｙ≦１；
０≦ｚ≦１；ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）の窒素原子のうちで約１
０％以下が、Ａｓ、Ｂ、またはＳｂで置換されてもよい
（ただし、六方晶系が維持されることが条件である）。
さらに、Ａｌ_xＧａ_yＩｎ_zＮ膜中には、Ｓｉ、Ｏ、Ｃ
ｌ、Ｓ、Ｃ、Ｇｅ、Ｚｎ、Ｃｄ、Ｍｇ、および／または
Ｂｅがドーピングされてもよい。ｎ型窒化物半導体膜と
しては、これらのドーピング材のうちのＳｉ、Ｏ、Ｃｌ
が特に好ましい。

【００９８】種基板２０１の具体例としては、Ｃ面、Ｍ
面，Ａ面、もしくはＲ面を主面として有するサファイア
を用いることができ、この他にもＧａＡｓ、ＺｎＯ、Ｍ
ｇＯ、スピネル、Ｇｅ、Ｓｉ、６Ｈ−ＳｉＣ、ＧａＮ、
４Ｈ−ＳｉＣ、または３Ｃ−ＳｉＣなどが用いられ得
る。また、成長抑制膜２０４の具体例としては、ＳｉＯ
₂、ＳｉＮ_x、ＴｉＯ₂、もしくはＡｌ₂Ｏ₃などの誘電体
膜、またはタングステンなどの金属膜が用いられ得る。
また、図２に示された成長抑制膜２０４の位置に、その
代りに空洞部が設けられてもよい。ｎ型ＧａＮ厚膜２０
５中に空洞部が設けられれば、その空洞部の上方では結
晶歪が緩和され、結果的に発光素子の発光効率の向上に
寄与するので好ましい。

【００９９】種基板２０１として導電性のＳｉＣやＳｉ
が用いられる場合には、図１に示されているように、基
板の裏面側上にｎ型電極を形成してもよいことは言うま
でもない。ただし、その場合には低温バッファ層２０２
の代わりに高温バッファ層を用いる必要がある。ここ
で、高温バッファ層とは、少なくとも７００℃以上の温
度で堆積されたバッファ層を意味する。また、高温バッ
ファ層は少なくともＡｌを含んでいなければならない。
なぜならば、それがＡｌを含んでいなければ、ＳｉＣま
たはＳｉの基板上に結晶性の良好な窒化物半導体膜を成
長させることができないからである。最も好ましい高温
バッファ層として、ＩｎＡｌＮが用いられ得る。

【０１００】本実施例の種基板の主面として用いられる
面方位は、Ｃ面｛０００１｝、Ａ面｛１１−２０｝、Ｒ
面｛１−１０２｝、Ｍ面｛１−１００｝、または｛１−
１０１｝面を用いることができる。また、これらの面方
位から２°以内のオフ角度を有する基板主面であれば、
その表面モホロジーが良好である。

【０１０１】次に、擬似ＧａＮ基板を用いた窒化物半導
体発光素子（レーザダイオード）について、図４を参照
して説明する。図４の発光素子は、基板３００、低温Ｇ
ａＮバッファ層１０１、ｎ型ＧａＮコンタクト層１０
２、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キ
ャリアブロック層１０７、ｐ型ＧａＮ光ガイド層１０
８、ｐ型Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎクラッド層１０９、ｐ型Ｇａ
Ｎコンタクト層１１０、ｎ型電極１１１、ｐ型電極１１
２、およびＳｉＯ₂誘電体膜１１３を含んでいる。ここ
で、基板３００としては、前述の擬似ＧａＮ基板が用い
られている。このレーザダイオードのその他の詳細な製
造条件は、実施例１の場合と同様である。ただし、その
パッケージ実装については、種基板の熱伝導率が低い
（たとえばサファイア基板）場合には、半導体接合を下
にして実装することが好ましい。またレーザダイオード
は、図４に示されたリッジストライプ部１Ａが、少なく
とも図２中の破線部２０６と２０７および図３（ｂ）中
の破線部２０８と２０９を含まないように形成される。

【０１０２】なお、低温バッファ層１０１は低温Ａｌ_x
Ｇａ_1-xＮ（０≦ｘ≦１）バッファ層であってもよく、
その低温バッファ層自体が省略されてもよい。しかしな
がら、擬似ＧａＮ基板の表面モホロジーが良好でない場
合には、低温Ａｌ_xＧａ_1-xＮバッファ層を挿入した方が
表面モホロジーを改善し得る点で好ましい。

【０１０３】（実施例３）実施例３においては、実施例
１の光ガイド層の材料が種々に変えられた。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のいずれかで置換さ
れてもよい。すなわち、ＧａＮＡｓ_xＰ_yＳｂ_zＮ_1-x-y-z
（０≦ｘ≦０．０３；０≦ｙ≦０．０６；０≦ｚ≦０．
０１；ｘ＋ｙ＋ｚ≠０）の光ガイド層を用いることがで
きる。

【０１０４】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
ネルギバンド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。

【０１０５】ＧａＮＡｓ_xＰ_yＳｂ_zＮ_1-x-y-z（０≦ｘ≦
０．０３；０≦ｙ≦０．０６；０≦ｚ≦０．０１；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
４１０ｎｍ）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３
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。

【０１０６】（実施例４）実施例４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６において、こ
の実施例４の窒化物半導体発光ダイオード素子の模式的
な縦断面図が示されている。

【０１０７】図６の発光ダイオード素子は、Ｃ面（００
０１）を有するｎ型ＧａＮ基板６００、低温ＧａＮバッ
ファ層６０１（膜厚１００ｎｍ）、ｎ型ＧａＮ層６０２
（膜厚３μｍ、Ｓｉ不純物濃度１×１０¹⁸／ｃｍ³）、
発光層６０３、ｐ型Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎキャリアブロック
層６０４（膜厚２０ｎｍ、Ｍｇ不純物濃度６×１０¹⁹／
ｃｍ³）、ｐ型ＧａＮコンタクト層６０５（膜厚０．１
μｍ、Ｍｇ不純物濃度１×１０²⁰／ｃｍ³）、透光性電
極６０６、ｐ型電極６０７、およびｎ型電極６０８を含
んでいる。なお、このような窒化物半導体発光ダイオー
ド素子は、実施例１の場合と同様の製造方法で作製する
ことができる。

【０１０８】本実施例のｎ型電極６０８としては、ｎ型
ＧａＮ基板６００の裏面側からＨｆ／Ａｕの順の積層が
形成された。この他に、ｎ型電極材料としては、Ｔｉ／
Ａｌ、Ｔｉ／Ｍｏ、Ｈｆ／Ａｌなどを用いることもでき
る。特に、ｎ型電極にＨｆを用いることは、その電極の
コンタクト抵抗が下がるので好ましい。また、本実施例
のｎ型電極６０８はｎ型ＧａＮ基板６００の裏面側上に
形成されたが、図７に示されているように、ドライエッ
チングを利用した部分的なエッチングによってエピウエ
ハのｐ型電極側からｎ型ＧａＮコンタクト層６０２の一
部を露出させ、その露出部上にｎ型電極６０８を形成し
てもよい。

【０１０９】他方、ｐ型コンタクト層６０５上には、厚
さ７ｎｍのＰｄ透光性電極６０６を形成し、その上にｐ
型電極６０７としてＡｕが蒸着された。なお、この透光
性電極材料として、たとえばＮｉ、Ｐｄ／Ｍｏ、Ｐｄ／
Ｐｔ、Ｐｄ／Ａｕ、Ｎｉ／Ａｕなどを用いてもよい。

【０１１０】最後に、ｎ型ＧａＮ基板６００の裏面側か
らスクライバを用いてチップ分割が行なわれた。スクラ
イブを基板の裏面側から行なうのは、スクライブによる
削りかすが光射出面となる透光性電極側に付着しないよ
うにするためである。直交する２方向のスクライブ方向
のうちで、一方の方向は窒化物半導体基板のへき開面に
平行になるようにチップ分割を行なった。このことによ
り、チップ分割時におけるチッピング、クラッキングな
どによるチップ形状の異常を防止し、ウエハあたりの歩
留りを向上させることができる。以上のようにして、本
発明による窒化物半導体発光ダイオード素子を作製する
ことができる。

【０１１１】なお、窒化物半導体（ＧａＮ）基板６００
の代わりに、実施例２で説明された擬似ＧａＮ基板が用
いられてもよい。そのような擬似ＧａＮ基板上に成長さ
せられた窒化物半導体発光ダイオード素子においても、
その特性は窒化物半導体基板上のダイオード素子とほぼ
同じである。ただし、擬似ＧａＮ基板では、貫通転位密
度の低い領域と高い領域が混在しているので、窒化物半
導体基板に比べて発光素子の歩留りが少し低下する。他
方、擬似ＧａＮ基板は、窒化物半導体基板に比べて安価
に大面積のものが作製され得るという利点を有してい
る。

【０１１２】擬似ＧａＮ基板の種基板が絶縁性である場
合は、図７に示されているように、基板の片面側におい
てｎ型電極とｐ型電極の双方を形成すればよい。図７の
発光ダイオード素子は、基板３００、低温ＧａＮバッフ
ァ層６０１、ｎ型ＧａＮコンタクト層６０２（膜厚３μ
ｍ、Ｓｉ不純物濃度１×１０¹⁸／ｃｍ³）、発光層６０
３、ｐ型Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎキャリアブロック層６０４
（膜厚２０ｎｍ、Ｍｇ不純物濃度６×１０¹⁹／ｃ
ｍ³）、ｐ型ＧａＮコンタクト層６０５（膜厚０．１μ
ｍ、Ｍｇ不純物濃度１×１０²⁰／ｃｍ³）、透光性電極
６０６、ｐ型電極６０７、ｎ型電極６０８、および誘電
体膜６０９を含んでいる。ここで、基板３００として
は、擬似ＧａＮ基板が用いられている。

【０１１３】（実施例５）実施例５では、本発明による
発光層を窒化物半導体スーパールミネッセントダイオー
ド素子に適用したことを除けば、実施例１から４の場合
と同様である。この発光素子の発光強度についても、発
光ダイオード素子と同様であった（図１１参照）。

【０１１４】（実施例６）実施例６においては、実施例
１〜５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。

【０１１５】（実施例７）実施例７においては、実施例
１〜５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／ｃｍ³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。

【０１１６】（実施例８）実施例８では、本発明による
窒化物半導体レーザが光学装置に適用された例について
説明する。

【０１１７】本発明における井戸層には、少なくともＡ
ｓ、Ｐ、またはＳｂのいずれかが含まれている。これら
の元素が井戸層中に含まれることによって、井戸層中の
電子とホールの有効質量を小さくすることができ、それ
らの移動度を大きくすることができる。電子とホールの
有効質量が小さいことは少ない電流注入量でレーザ発振
のためのキャリア反転分布が得られることを意味し、電
子とホールの移動度が大きいことは発光層中で電子とホ
ールが発光再結合によって消滅しても新たな電子とホー
ルが拡散によって高速で注入され得ることを意味する。
すなわち、現在報告されているような井戸層内にＡｓ、
Ｐ、またはＳｂのいずれをも含有しないＩｎＧａＮ系窒
化物半導体レーザ素子に比べて、これらの元素を含む井
戸層を利用すればしきい値電流密度が低くかつ自励発振
特性に優れた（雑音特性に優れた）半導体レーザを作製
できると考えられた。しかし、ＩｎＧａＮＡｓＰＳｂ井
戸層／ＩｎＧａＮ障壁層を含む窒化物半導体発光素子に
おいては、前述のように、ＩｎＧａＮ障壁層中のＩｎに
よる貫通転位周辺部の偏析効果によってその障壁層上の
井戸層中にＡｓ、ＰまたはＳｂの偏析を生じさせ、その
ことによる濃度分離または結晶系分離による結晶性の低
下が生じるとともに井戸層と障壁層との間の界面急峻性
が損なわれていた。したがって、従来の技術では井戸層
がＡｓ、Ｐ、またはＳｂを含んでいても発光素子におけ
る十分な特性改善が得られなかった。

【０１１８】本発明では、Ｉｎ_aＧａ_1-aＮ_1-x-y-zＡｓ_x
Ｐ_yＳｂ_z（０＜ａ≦０．２５；０＜ｘ＋ｙ＋ｚ≦０．１
５）井戸層／Ｉｎ_bＧａ_1-bＮ（１×１０^-4≦ｂ≦１．５
×１０^-1）障壁層を含む発光層を窒化物半導体基板また
は擬似ＧａＮ基板上で成長させることによって、Ａｓ、
Ｐ、またはＳｂによる濃度分離および結晶系分離を低減
するとともに発光層内における井戸層と障壁層との界面
急峻性を改善することができた。このことによって、発
光半値幅の低減による発光強度の向上と多重量子井戸構
造の作製が可能になり、半導体レーザの低しきい値電流
密度とそれに付随する高出力かつ高寿命を実現するとと
もに、雑音特性の優れた半導体レーザを作製することが
可能である。たとえば、本発明によって青紫色（４００
〜４１０ｎｍ）の発振波長の窒化物半導体レーザを作製
すれば、現在報告されているＩｎＧａＮ系窒化物半導体
レーザに比べてレーザ発振しきい値電流密度が低く、レ
ーザ光中の自然放出光が減少して雑音にも強い半導体レ
ーザを得ることが可能である。また、そのようなレーザ
素子は高温雰囲気中でも高出力（５０ｍＷ）で安定して
動作するので、高密度記録再生用光ディスクに適したレ
ーザ素子である。

【０１１９】図８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
介して検出器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。

【０１２０】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、バーコードリーダなどに利用し得る。

【０１２１】（実施例９）実施例９においては、本発明
による発光層を利用して作製した窒化物半導体発光ダイ
オードを含む発光装置（たとえば、表示装置、白色光源
装置等）について説明する。

【０１２２】本発明による発光層に含まれているＡｓ、
Ｐ、またはＳｂは、Ｉｎと同様に井戸層のバンドギャッ
プエネルギを小さくする働きがある。したがって、従来
からもＡｓ、Ｐ、またはＳｂを井戸層に含有させること
によって井戸層のＩｎ組成比を抑制できるので好ましい
と考えられていた。しかしながら、ＩｎＧａＮＡｓＰＳ
ｂ井戸層／ＩｎＧａＮ障壁層を含む窒化物半導体発光素
子では、以前に述べたように、ＩｎＧａＮ障壁層中の貫
通転位周辺部におけるＩｎの偏析効果によってその障壁
層上の井戸層中にＡｓ、Ｐ、またはＳｂの偏析を生じさ
せ、そのことによる濃度分離または結晶系分離による結
晶性の低下と、井戸層と障壁層との間の界面急峻性の低
下を招いていた。そのために、Ａｓ、Ｐ、またはＳｂを
井戸層に添加することの優位性が十分には活かされてい
なかった。

【０１２３】しかし、本発明では、Ｉｎ_aＧａ_1-aＮ
_1-x-y-zＡｓ_xＰ_yＳｂ_z（０＜ａ≦０．２５；０＜ｘ＋ｙ
＋ｚ≦０．１５）井戸層／ＩｎＧａＮ障壁層を含む発光
層を窒化物半導体基板または擬似ＧａＮ基板上で成長さ
せることによって、Ａｓ、Ｐ、またはＳｂによる濃度分
離や結晶系分離を低減して発光層中の井戸層と障壁層と
の間における急峻性の改善をすることができた。このこ
とによって、発光半値幅の低減による発光強度の向上と
良好な界面急峻性を有する多重量子井戸構造の作製が可
能になり、色むらの少ない短波長色の発光ダイオードま
たはスーパールミネッセントダイオードを得ることがで
きる（表１参照）。

【０１２４】また、発光波長が３８０〜４３０ｎｍの領
域にある本発明の発光ダイオードに蛍光塗料を塗布する
ことによって白色光源として利用することも可能であ
る。このような白色光源を用いることによって、従来の
液晶ディスプレイに用いられてきたハロゲン光源に代わ
って、低消費電力で高輝度のバックライトの実現が可能
となる。これは、携帯ノートパソコンや携帯電話におけ
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も利用することができ、小型で高鮮
明な液晶ディスプレイを提供することができる。

【０１２５】

【発明の効果】以上のように、本発明によれば、Ｉｎ_a
Ｇａ_1-aＮ_1-x-y-zＡｓ_xＰ_yＳｂ_z（０＜ａ≦０．２５；
０＜ｘ＋ｙ＋ｚ≦０．１５）井戸層／Ｉｎ_bＧａ_1-bＮ
（１×１０ ^-4≦ｂ≦１．５×１０^-1）障壁層を含む窒化
物半導体発光層を窒化物半導体基板または擬似ＧａＮ基
板上で成長させることによって、井戸層中の濃度分離お
よび結晶系分離を低減して井戸層と障壁層との間の界面
急峻性を改善して発光効率の高い窒化物半導体発光素子
を提供することができるとともに、その発光素子を含む
種々の光学装置を提供することもできる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明による窒化物半導体レーザ素子構造の
一例を示す模式的な断面図である。

【図２】 擬似ＧａＮ基板の一例を示す模式的な断面図
である。

【図３】 擬似ＧａＮ基板の他の例における作製工程を
示す模式的な断面図である。

【図４】 本発明による窒化物半導体レーザ構造の他の
例を示す模式的な断面図である。

【図５】 図１のレーザ構造を含むウエハのチップ分割
を図解する模式的な上面図である。

【図６】 本発明による発光ダイオード構造の一例を示
す模式的な断面図である。

【図７】 本発明による発光ダイオード構造の他の例を
示す模式的な断面図である。

【図８】 本発明による発光素子を含む光ディスク装置
を示す模式的なブロック図である。

【図９】 窒化物半導体基板または擬似ＧａＮ基板上で
成長させられた発光層中の障壁層におけるＩｎ組成比に
依存するＩｎ相分離の度合と発光層の発光強度とを示す
グラフである。

【図１０】 本発明によるレーザダイオードにおける井
戸層の数としきい値電流密度との関係を示すグラフであ
る。

【図１１】 本発明による発光ダイオードにおける井戸
層の数と発光強度との関係を示すグラフである。

【符号の説明】

１００ ｎ型ＧａＮ基板、１０１ ＧａＮバッファ層、
１０２ ｎ型ＧａＮ（コンタクト）層、１０３ ｎ型Ｉ
ｎ_0.07Ｇａ_0.93Ｎクラック防止層、１０４ ｎ型Ａｌ
_0.1Ｇａ_0.9Ｎクラッド層、１０５ ｎ型ＧａＮ光ガイド
層、１０６ 発光層、１０７ ｐ型Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8Ｎキ
ャリアブロック層、１０８ ｐ型ＧａＮ光ガイド層、１
０９ ｐ型Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎクラッド層、１１０ ｐ型
ＧａＮコンタクト層、１１１ ｎ型電極、１１２ ｐ型
電極、１１３ 誘電体膜、２００擬似ＧａＮ基板、２０
０ａ 擬似ＧａＮ基板、２０１ 種基板、２０２ 低温
バッファ層、２０３ ｎ型ＧａＮ膜、２０３ａ 第１の
ｎ型ＧａＮ膜、２０３ｂ第２のｎ型ＧａＮ膜、２０４
成長抑制膜、２０５ ｎ型ＧａＮ厚膜、２０６成長抑制
膜の幅の中央直上部、２０７ 成長抑制膜が形成されて
いない部分の幅の中央直上部、２０８ 溝の幅の中央直
上部、２０９ 溝が形成されていない部分（丘）の幅の
中央直上部、３００ 基板、６００ ｎ型ＧａＮ基板、
６０１低温ＧａＮバッファ層、６０２ ｎ型ＧａＮ層、
６０３ 発光層、６０４ ｐ型Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎキャリ
アブロック層、６０５ ｐ型ＧａＮコンタクト層、６０
６ 透光性電極、６０７ ｐ型電極、６０８ ｎ型電
極、６０９ 誘電体膜。

フロントページの続き Ｆターム(参考） 5F041 AA03 CA04 CA05 CA34 CA40 CA65 5F073 AA74 AA83 BA04 CA07 CB02 CB05 CB20 DA05 DA22 DA24 DA32 DA33 EA07 EA23 FA01 FA13 GA02 GA12

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ｐ型層とｎ型層との間においてＩｎ_aＧ
   ａ_1-aＮ_1-x-y-zＡｓ_xＰ_yＳｂ_z（０＜ａ≦０．２５；０
   ＜ｘ＋ｙ＋ｚ≦０．１５）井戸層とこれに接するＩｎ_b
   Ｇａ_1-bＮ障壁層とを含む発光層を含む窒化物半導体積
   層構造が窒化物半導体基板または擬似ＧａＮ基板上に形
   成されていて、かつ発光波長が４５０ｎｍより短いこと
   を特徴とする窒化物半導体発光素子。
2. 【請求項２】 前記基板の貫通転位密度はエッチピット
   の測定で７×１０⁷／ｃｍ²以下であ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。
3. 【請求項３】 前記Ｉｎ_bＧａ_1-bＮ障壁層中でＩＩＩ族
   元素におけるＩｎ組成比ｂが１×１０^-4以上で１．５×
   １０^-1以下であ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。
4. 【請求項４】 前記発光層中において、少なくとも前記
   障壁層はＳｉ、Ｏ、Ｓ、Ｃ、Ｇｅ、Ｚｎ、Ｃｄ、および
   Ｍｇから選択された不純物を１×１０¹⁶／ｃｍ³以上で
   １×１０²⁰／ｃｍ³以下の総添加量で含んでいることを
   特徴とする請求項１から３のいずれかの項に記載の窒化
   物半導体発光素子。
5. 【請求項５】 前記発光層中で前記障壁層と交互に積層
   された前記井戸層の数が２層以上で１０層以下であるこ
   とを特徴とする請求項１から４のいずれかの項に記載の
   窒化物半導体発光素子。
6. 【請求項６】 前記井戸層の厚さが０．４ｎｍ以上で２
   ０ｎｍ以下であ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。
7. 【請求項７】 前記障壁層の厚さが１ｎｍ以上で３０ｎ
   ｍ以下であることを特徴とする請求項１から６のいずれ
   かの項に記載の窒化物半導体発光素子。
8. 【請求項８】 前記Ｉｎ_aＧａ_1-aＮ_1-x-y-zＡｓ_xＰ_yＳ
   ｂ_z井戸層中のＩｎ組成比ａと前記Ｉｎ_bＧａ_1-bＮ障壁
   層中のＩｎ組成比ｂがほぼ等しいことを特徴とする請求
   項１から７のいずれかの項に記載の窒化物半導体発光素
   子。
9. 【請求項９】 前記請求項１から８のいずれかの項に記
   載された窒化物半導体発光素子を利用した光学装置。