JP2002151795A - 窒化物半導体発光素子、光ピックアップ装置、白色光源装置および表示装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 井戸層と障壁層との界面急峻性を改善し、閾
値電流密度が低く、あるいは発光強度の強い、窒化物半
導体発光素子を提供する。 【解決手段】 井戸層と前記井戸層に接した障壁層とか
ら構成されている発光層１０６を基板上に形成した窒化
物半導体発光素子であって、井戸層は、Ｇａ、Ｎおよび
元素Ｘから構成された窒化物半導体であるとともに、元
素Ｘは、Ａｓ、ＰもしくはＳｂから少なくとも一つ選択
される元素であって、かつ、井戸層における、Ｘ／（Ｎ
＋Ｘ）の原子分率は、３０％以下であり、障壁層は、Ｇ
ａ、Ｎおよび元素Ｙから構成された窒化物半導体である
とともに、元素Ｙは、Ａｓ、ＰもしくはＳｂから少なく
とも一つ選択される元素である、窒化物半導体発光素
子。

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その光ピックアップ装置、その白色
光源装置およびその表示装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】特開平１０−２７０８０４において、Ｇ
ａＮＡｓ（またはＧａＮＰ、またはＧａＮＳｂ）井戸層
／ＧａＮ障壁層を発光層とする窒化物半導体発光素子が
報告された。

【０００３】しかしながら、上述の窒化物半導体発光素
子は、ＧａＮＡｓ井戸層とＧａＮ障壁層との界面におい
て急峻性が損なわれていた。このため発光半値幅の増大
を招き、さらには、色むらの増大、発光強度の低下（ま
たは利得の減少）を引き起こしていた。また、該井戸層
と該障壁層との界面の急峻性が損なわれていたというこ
とは、これら複数層からなる多重量子井戸構造の作製が
困難であったことも示唆していた。しかも、ＧａＮＡｓ
井戸層／ＧａＮ障壁層における問題は、ＧａＮＰ井戸層
／ＧａＮ障壁層や、ＧａＮＳｂ井戸層／ＧａＮ障壁層に
ついても同様であった。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、井戸層と障
壁層との界面急峻性を改善し、前記窒化物半導体発光素
子における、閾値電流密度の低減または発光強度の向上
を目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明に係る窒化物半導
体発光素子は、井戸層と前記井戸層に接した障壁層とか
ら構成されている発光層を基板上に形成した窒化物半導
体発光素子であって、前記井戸層は、Ｇａ、Ｎおよび元
素Ｘから構成された窒化物半導体であるとともに、前記
元素Ｘは、Ａｓ、ＰもしくはＳｂから少なくとも一つ選
択される元素であって、かつ、前記井戸層における、Ｘ
／（Ｎ＋Ｘ）の原子分率は、３０％以下であり、前記障
壁層は、Ｇａ、Ｎおよび元素Ｙから構成された窒化物半
導体であるとともに、前記元素Ｙは、Ａｓ、Ｐもしくは
Ｓｂから少なくとも一つ選択される元素である、窒化物
半導体発光素子である。

【０００６】前記発光層とは、井戸層と前記井戸層に接
した障壁層から構成された層である。ここで、前記井戸
層と前記障壁層のバンドギャップエネルギーの関係は、
井戸層のバンドギャップエネルギーの方が障壁層のバン
ドギャップエネルギーよりも小さい関係にある。たとえ
ば、発光層が単一量子井戸構造の場合は、障壁層／井戸
層／障壁層から構成される。また、たとえば、発光層が
多重量子井戸構造の場合は、障壁層／井戸層／障壁層…
／井戸層／障壁層、あるいは、井戸層／障壁層／井戸層
…／障壁層／井戸層から構成される。

【０００７】前記元素Ｘと前記元素Ｙとが同じ元素であ
れば好適である。前記元素Ｙの添加量が１×１０¹⁶／ｃ
ｍ³以上であれば好ましい。

【０００８】前記基板が、窒化物半導体基板であること
が可能である。前記窒化物半導体基板とは、Ａｌ_xＧａ_y
Ｉｎ_zＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１、ｘ＋
ｙ＋ｚ＝１）で構成された基板である。前記窒化物半導
体基板は、前記窒化物半導体基板を構成している窒素元
素の１０％以下（ただし、六方晶系であること）が、Ａ
ｓ、ＰもしくはＳｂの元素群のうち少なくともいずれか
の元素で置換されても構わない。また、前記窒化物半導
体基板は、Ｓｉ、Ｏ、Ｃｌ、Ｓ、Ｃ、Ｇｅ、Ｚｎ、Ｃ
ｄ、ＭｇもしくはＢｅの不純物群のうち、少なくともい
ずれかの不純物が添加されても構わない。前記窒化物半
導体基板がｎ型導電性を有するための不純物は、前記不
純物群のうち、Ｓｉ、ＯおよびＣｌのいずれかが特に好
ましい。

【０００９】前記基板が、擬似ＧａＮ基板であることが
可能である。ここで、擬似ＧａＮ基板とは、たとえば図
２の擬似ＧａＮ基板２００のように、窒化物半導体膜が
結晶成長するための種基板２０１と、窒化物半導体膜が
結晶成長されにくい成長抑制膜２０４とを有して構成さ
れた基板であり、あるいは、図３（ｂ）の擬似ＧａＮ基
板２００ａのように、基板もしくは窒化物半導体膜が溝
状にエッチングされ、その後、前記溝が窒化物半導体で
被覆された基板である。

【００１０】前記基板のエッチピット密度が７×１０⁷
／ｃｍ²以下であることが好適である。ここで、エッチ
ピット密度とは、燐酸：硫酸＝１：３のエッチング液
（温度２５０℃）にエピウエハー（発光素子）を１０分
間浸し、該ウエハーの表面に形成されたピット密度を測
定したものである。

【００１１】前記井戸層の厚みが０．４ｎｍ以上２０ｎ
ｍ以下であることが好適である。また、前記障壁層の厚
みが１ｎｍ以上４０ｎｍ以下であることが好適である。

【００１２】また、前記発光層に、Ｓｉ、Ｏ、Ｓ、Ｃ、
Ｇｅ、Ｚｎ、ＣｄもしくはＭｇのうち少なくとも一つの
不純物を含有し、かつ、前記不純物の添加量が１×１０
¹⁶／ｃｍ³以上１×１０²⁰／ｃｍ³以下であることが好適
である。

【００１３】また、前記井戸層の層数が１０層以下であ
ることが好適である。また、本発明に係る光ピックアッ
プ装置は、本発明に係る窒化物半導体発光素子を有し、
発振波長が３８０ｎｍ以上４２０ｎｍ以下である窒化物
半導体レーザ素子を用いた光ピックアップ装置である。

【００１４】また、本発明に係る白色光源装置は、本発
明に係る窒化物半導体発光素子を有し、発光波長が３８
０ｎｍ以上４２０ｎｍ以下である発光ダイオード素子も
しくはスーパールミネッセントダイオード素子を用いた
白色光源装置である。

【００１５】また、本発明に係る表示装置は、本発明に
係る窒化物半導体発光素子を有し、発光波長が４５０ｎ
ｍ以上４８０ｎｍ以下である発光ダイオード素子の発光
半値幅が、４０ｎｍ以下であり、かつ、エネルギー換算
で０．２５ｅＶ以下である表示装置である。

【００１６】

【発明の実施の形態】まず、従来の発光層と本発明の発
光層とを比較しながら本発明に至った過程について説明
し、その後、本発明を用いた実施の形態について述べ
る。

【００１７】（従来の発光層）特開平１０−２７０８０
４における従来のＧａＮＡｓ井戸層／ＧａＮ障壁層の問
題点を知るために、同構造をＳＩＭＳ（２次イオン質量
分析）による分析を行った。前記井戸層と前記障壁層を
ともにＧａＮＡｓ井戸層の適正成長温度範囲（６００℃
〜８００℃）で作製した場合、ＧａＮＡｓ井戸層／Ｇａ
Ｎ障壁層界面ではＡｓは急峻に変化したが、ＧａＮ障壁
層／ＧａＮＡｓ井戸層の界面ではＡｓの急峻性が顕著に
損なわれていた。

【００１８】一方、前記井戸層はＧａＮＡｓ井戸層の適
正成長温度範囲内（６００℃〜８００℃）で作製し、前
記障壁層はＧａＮの適正成長温度（９００℃以上）で作
製した場合、上記とは逆に、ＧａＮ障壁層／ＧａＮＡｓ
井戸層の界面ではＡｓは急峻に変化し、ＧａＮＡｓ井戸
層／ＧａＮ障壁層の界面では急峻性が顕著に損なわれて
いた。

【００１９】前述から、従来のＧａＮＡｓ井戸層／Ｇａ
Ｎ障壁層を用いた発光素子では、成長条件（成長温度）
をコントロールしたとしても、ＧａＮＡｓ井戸層／Ｇａ
Ｎ障壁層界面の急峻性とＧａＮ障壁層／ＧａＮＡｓ井戸
層界面の急峻性を共に改善することが困難であった。す
なわち、従来の発光層では、界面の悪化による発光半値
幅の増大（発光素子における色むらの増大に繋がる）
や、発光効率の低下（閾値電流密度の増大または発光強
度の低下に繋がる）を招いていた。また、該井戸層と該
障壁層との界面の急峻性が損なわれるということは、こ
れらの複数層からなる多重量子井戸構造の作製が困難で
あったことも示唆していた。以上の説明は、ＧａＮＡｓ
井戸層／ＧａＮ障壁層に限らず、ＧａＮＰ井戸層／Ｇａ
Ｎ障壁層やＧａＮＳｂ井戸層／ＧａＮ障壁層についても
同様であった。

【００２０】（本発明による発光層）前述の従来の発光
層における課題（界面の急峻性）を解決するために、本
発明では、ＧａＮＸ井戸層（Ｘは、Ａｓ、ＰもしくはＳ
ｂから選ばれる１種類以上の元素であって、Ｘ／（Ｎ＋
Ｘ）の原子分率は３０％以下である。以後、このような
井戸層をＧａＮＸ井戸層と表記する）に接するＧａＮ障
壁層に、Ａｓ、ＰもしくはＳｂから選ばれる１種類以上
の元素を含有する。以後、前記本発明の障壁層を、Ｇａ
ＮＹ障壁層と表記する。ここで、Ｙは、Ａｓ、Ｐもしく
はＳｂから選ばれる１種類以上の元素である。

【００２１】本発明の発光層（ＧａＮＡｓ井戸層／Ｇａ
ＮＡｓ障壁層）のＳＩＭＳ測定を行った結果を図１２に
示す。図１２は、井戸層と障壁層をともに同じ成長温度
（８００℃）で作製したときのＳＩＭＳ結果である。こ
の図からもわかるように、本発明の障壁層を用いること
によって、界面の急峻性が改善されていることがわか
る。このことは、これら複数層からなる多重量子井戸構
造の作製が可能であることを示している。

【００２２】また、本発明の発光層はＩｎを含有しない
ため、Ｉｎによる相分離の影響が無く、Ｉｎの相分離に
よる発光素子の色むらや発光強度の低下に関しても無関
係である、という特徴も有する。

【００２３】以上の本発明による効果はＧａＮＡｓ井戸
層／ＧａＮＡｓ障壁層に関するものだけではなく、Ｇａ
ＮＸ井戸層であれば同様の効果を得ることができる。た
とえば、ＧａＮＸ井戸層は、ＧａＮＰであり、ＧａＮＳ
ｂであり、ＧａＮＡｓＰであり、ＧａＮＡｓＰＳｂなど
である。同様に、障壁層がＧａＮＹ障壁層であれば本発
明の効果を得ることができる。たとえば、ＧａＮＹ障壁
層は、ＧａＮＡｓであり、ＧａＮＰであり、ＧａＮＳｂ
であり、ＧａＮＡｓＰであり、ＧａＮＡｓＰＳｂなどで
ある。

【００２４】上記結晶のうち、ＧａＮＡｓ、ＧａＮＰ、
またはＧａＮＳｂの３元混晶は、ＧａＮＡｓＰの４元混
晶やＧａＮＡｓＰＳｂの５元混晶に比べて、組成比の制
御が容易であるため、目的とする発光波長を再現性よく
製造できるという特徴を有する。

【００２５】さらに、前記３元混晶のうちＧａＮＰは、
Ｐ、Ａｓ、Ｓｂのうち、最もＮの原子半径（ファンデル
ワールス半径もしくは共有結合半径）に近いＰが添加さ
れているため、ＡｓやＳｂに比べて該混晶中のＮの一部
とＰが置換されやすい。したがって、ＧａＮ中にＰを添
加したことによって結晶性が損なわれにくい。これは、
ＧａＮＰ中のＰの組成比が高くなっても該混晶中の結晶
性が低下しにくいことを意味し、ＧａＮＰを井戸層とし
て用いる場合、発光素子における紫外発光から赤色発光
までの幅の広い発光波長帯域をＧａＮＰ結晶で賄うこと
ができる。

【００２６】また、ＧａＮＳｂは、Ｐ、Ａｓ、Ｓｂのう
ち、Ｎの原子半径（ファンデルワールス半径もしくは共
有結合半径）に比べて最も大きいＳｂが添加されている
ため、揮発性の高いＮが該混晶中から抜け出てしまうこ
とを防止することができる。このＮの抜けの防止は結晶
性を向上させるために好ましい。

【００２７】また、ＧａＮＡｓ井戸層は、Ｐ、Ａｓ、Ｓ
ｂのうち中間の原子半径を持つＡｓが添加されているた
め、上記ＧａＮＰとＧａＮＳｂの両方の特性を有してい
て好ましい。

【００２８】（障壁層について）図１１の（ａ）と
（ｂ）に、本発明の発光層のバンドギャップ構造を示
す。図１１（ａ）は本発明の発光層の、障壁層始まり障
壁層終わりの場合のバンドギャップ構造を、図１１
（ｂ）は本発明の発光層の、井戸層始まり井戸層終わり
の場合のバンドギャップ構造を、それぞれ表している。
また、図１１の（ｃ）は、従来（特開平１０−２７０８
０４）の発光層によるバンドギャップ構造を表してい
る。

【００２９】本発明の障壁層は、ＧａＮＹで構成されて
いるため、ＧａＮ光ガイド層のバンドギャップエネルギ
ーよりも障壁層のそれを小さくすることができる（図１
１（ａ）と（ｂ））。このことにより、従来の発光層
（図１１（ｃ））に比べてサブバンドによる多重量子井
戸効果が得やすく、かつ光ガイド層よりも屈折率が大き
くなるので光閉じ込め効率もあがり、垂直横モードの特
性（単峰化）が良くなるという特徴も有する。

【００３０】（ＧａＮＸ井戸層における元素Ｘの添加量
について）本発明のＧａＮＸ井戸層は、Ｇａ、Ｎおよび
元素Ｘで構成されていて、Ｘ／（Ｎ＋Ｘ）の原子分率
（以後、元素Ｘの原子分率と呼ぶことにする）は３０％
以下であり、好ましくは２０％以下である。なぜなら
ば、元素Ｘの原子分率が２０％よりも高くなると、井戸
層内のある領域ごとに元素Ｘの原子分率が異なる相分離
が次第に起き始め、さらに前記元素Ｘの原子分率が３０
％よりも高くなると、今度は相分離から六方晶系と立方
晶系が混在する結晶系分離に移行し始めるからである。
そして、このような結晶系分離は、井戸層と障壁層との
間の界面急峻性を大きく損なう。また、井戸層中の結晶
系分離を起こした領域の比率が、およそ５０％以上を占
めると井戸層としての結晶性も大きく低下する。

【００３１】前記元素Ｘの原子分率の下限値は０．０１
％以上、好ましくは０．１％以上である。元素Ｘの原子
分率が０．０１％よりも小さくなると、井戸層に元素Ｘ
を添加したことによる効果（閾値電流密度の低減または
発光強度の向上）が得られにくくなるためである。一
方、元素Ｘの原子分率が０．１％以上になると、井戸層
に元素Ｘを添加したことによる効果（閾値電流密度の低
減または発光強度の向上）が顕著に現れ始めるため好ま
しい。

【００３２】（ＧａＮＹ障壁層における元素Ｙの添加量
について）前述の界面急峻性が得られるための、ＧａＮ
Ｙ障壁層中の元素Ｙの添加量を知るために、ＧａＮ障壁
層中に元素Ｙを添加して、その添加量に対する井戸層と
障壁層との界面急峻性について調べた。

【００３３】図１３は、ＧａＮ障壁層／ＧａＮＡｓ井戸
層構造の、前記ＧａＮ障壁層に元素Ｙを添加したときの
界面揺らぎを測定したものである。図１３で示される具
体的な前記元素Ｙは、Ａｓ、ＰもしくはＳｂである。

【００３４】図１４は、ＧａＮ障壁層／ＧａＮＰ井戸層
構造の、前記ＧａＮ障壁層に元素Ｙを添加したときの界
面揺らぎを測定したものである。図１４で示される具体
的な前記元素Ｙは、Ａｓ、ＰもしくはＳｂである。

【００３５】ここで、界面揺らぎとは、ＳＩＭＳ測定の
２次イオン強度の最大値から最小値に至る深さ（層厚）
を表わしたのものである（図１２参照）。また、図１３
と図１４の界面ゆらぎは、図１２で示される両界面の界
面ゆらぎを平均した値である。また、図中の黒印はサフ
ァイア基板（窒化物半導体基板以外の基板の一例）上に
成長した発光層の、元素Ｙの添加量に対する界面揺らぎ
の関係を、一方、図中の白印はＧａＮ基板（窒化物半導
体基板の一例）上に成長した発光層の、元素Ｙの添加量
に対する界面揺らぎの関係を、それぞれ表している。

【００３６】図１３と図１４とをみると、元素Ｙは、Ａ
ｓ、ＰもしくはＳｂの種類に依らず、元素Ｙの添加量が
１×１０¹⁶／ｃｍ³以上（元素Ｙの原子分率に換算する
と、２×１０^-5％以上である）であれば、界面揺らぎを
抑制することができる。また、上記効果が現れる元素Ｙ
の添加量は、Ａｓ、ＰもしくはＳｂの種類によらず、１
×１０¹⁶／ｃｍ³以上であったことから、元素ＹがＡ
ｓ、ＰもしくはＳｂから選ばれる１種類以上の元素であ
るとき、その添加量もまた１×１０¹⁶／ｃｍ³以上であ
れば良いことがわかる。

【００３７】前記添加量の上限値（元素Ｙの原子分率）
は、１５％以下である。ただし、井戸層のエネルギーギ
ャップが、障壁層のエネルギーギャップよりも小さくな
ければならない。さらに好ましくは、障壁層のバンドギ
ャップエネルギーは井戸層のそれよりも０．１ｅＶ以上
である。元素Ｙの原子分率が１５％以下であれば、結晶
性は良好である。

【００３８】ＧａＮ基板（窒化物半導体基板の一例）上
に結晶成長した本発明の発光層の界面揺らぎは、サファ
イア基板（窒化物半導体基板以外の基板の一例）上に結
晶成長したそれと比べて、界面揺らぎがさらに小さかっ
た。この理由については、下記の「発光素子を成長する
基板について」で詳細に説明する。なお、擬似ＧａＮ基
板を用いた場合の、元素Ｙの添加量に対する界面揺らぎ
の関係は、前記ＧａＮ基板のそれとほぼ同じであった。
ただし、擬似ＧａＮ基板は欠陥密度の高い部分と低い部
分が混在しているために、歩留まりを低下させる傾向に
ある。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。前述の図１３、図１４が示す効果は、井戸層
がＧａＮＸであっても同様の効果を得ることが可能であ
る。

【００３９】（発光層の層厚について）ＧａＮＸ井戸層
の層厚は０．４ｎｍ以上２０ｎｍ以下が好ましい。Ｇａ
ＮＸ井戸層の層厚が０．４ｎｍよりも薄くなると量子井
戸効果によるキャリアの閉じ込め準位が高くなり過ぎて
発光効率が低下してしまう可能性がある。また、ＧａＮ
Ｘ井戸層の層厚が２０ｎｍよりも厚くなると、該井戸層
中の元素Ｘの原子分率にも依存するが、界面の急峻性が
悪化し始める。これは、ＧａＮＸ井戸層中の、元素Ｘの
原子分率が２０％以下でも僅かに元素Ｘによる相分離が
起きていて、該井戸層の層厚が増すについれて前記相分
離の領域が徐々に拡大して該井戸層の表面が荒れてしま
ったか、もしくは、結晶系分離まで転移してしまったた
めではないかと思われる。

【００４０】次に、本発明のＧａＮＹ障壁層の層厚は１
ｎｍ以上４０ｎｍ以下が好ましく、さらに好ましくは、
１ｎｍ以上２０ｎｍ以下である。ＧａＮＹ障壁層の層厚
が１ｎｍよりも薄くなると十分にキャリアを閉じ込める
ことが難しくなる。また、ＧａＮＹ障壁層の層厚が４０
ｎｍよりも厚くなると、界面の急峻性が低下し始める。
これは、前述のＧａＮＸ井戸層の場合と同様であると思
われる。ＧａＮＹ障壁層の層厚の上限値が前述のＧａＮ
Ｘ井戸層に比べて２０ｎｍ程厚いのは、ＧａＮＹ障壁層
はＧａＮＸ井戸層に比べて元素Ｙの添加量が少ないため
である。

【００４１】（ＧａＮＸ井戸層とＧａＮＹ障壁層の組合
せについて）発光層は、ＧａＮＸ井戸層の元素Ｘと、Ｇ
ａＮＹ障壁層の元素Ｙが、同じ構成元素であると、より
好ましい。前記元素Ｘと前記元素Ｙが同じ構成元素であ
れば、Ｖ族原料を切り替える必要がなく（原料切り替え
に要するタイムラグがない）製造も容易である。また、
前記元素Ｘと前記元素Ｙが同じ構成元素であれば、井戸
層と障壁層の成長温度は、ほぼ同じ温度で作製され得
る。これらの製造方法は、界面の急峻性がより向上する
方向に寄与する。

【００４２】前述に該当する具体的なＧａＮＸ井戸層と
ＧａＮＹ障壁層の組合せは、ＧａＮＡｓ井戸層／ＧａＮ
Ａｓ障壁層であり、ＧａＮＰ井戸層／ＧａＮＰ障壁層で
あり、ＧａＮＳｂ井戸層／ＧａＮＳｂ障壁層であり、Ｇ
ａＮＡｓＰ井戸層／ＧａＮＡｓＰ障壁層であり、ＧａＮ
ＡｓＰＳｂ井戸層／ＧａＮＡｓＰＳｂ障壁層などであ
る。

【００４３】（発光素子を成長する基板について）本発
明者らは、発光層の、ＧａＮＸ井戸層とＧａＮＹ障壁層
との間の界面揺らぎが、前記発光層が成長される基板に
よって変化することを見出した。本発明者らの知見によ
れば、Ａｓ、ＰもしくはＳｂは、結晶中に発生した欠陥
付近に偏析し易かった。このことから、基板を選択する
ことによって結晶中の前記欠陥密度が減少し、井戸層と
障壁層との間の界面揺らぎが改善されるものと考えられ
る。これは、欠陥周辺部に偏析したＡｓ、ＰもしくはＳ
ｂが、界面揺らぎに悪影響を与えていると考えられる。

【００４４】さらに、本発明者らによる知見によれば、
最も好ましい基板は、ＧａＮ基板（窒化物半導体基板の
一例）であった。ＧａＮ基板上に成長した窒化物半導体
膜のエッチピット密度は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
使用されていたサファイア基板やＳｉＣ基板（窒化物半
導体基板以外の基板の一例）のエッチピット密度（４×
１０⁸／ｃｍ²以上）よりも小さい値である。ここで、エ
ッチピット密度とは、燐酸：硫酸＝１：３のエッチング
液（温度２５０℃）にエピウエハー（発光素子）を１０
分間浸し、該ウエハーの表面に形成されたピット密度を
測定したものである。このエッチピット密度はエピウエ
ハー表面のピット密度を測定しているため、厳密には発
光層の欠陥を測定しているわけではない。しかしなが
ら、エッチピット密度が高ければ発光層中の欠陥密度も
同時に高くなるため、エッチピット密度の測定は、発光
層中に欠陥が多いかどうかの指標と成り得る。

【００４５】窒化物半導体基板の次に好ましい基板は、
擬似ＧａＮ基板である。擬似ＧａＮ基板の製造方法など
については、実施の形態１で詳細に述べる。擬似ＧａＮ
基板上に成長した窒化物半導体膜のエッチピット密度
は、最も少ないエッチピット密度の領域で７×１０⁷／
ｃｍ²以下であった。これは、ＧａＮ基板上に成長した
窒化物半導体膜のそれらと近い値であった。しかしなが
ら、擬似ＧａＮ基板は、エッチピット密度（欠陥密度）
の低い領域と高い領域が混在しているため、ＧａＮ基板
（窒化物半導体基板）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。

【００４６】ＧａＮ基板上に成長した発光層について、
再び図１３と図１４を用いて説明する。図１３および図
１４をみると明らかなように、ＧａＮ基板（窒化物半導
体基板の一例）上に成長した発光層の方が、サファイア
基板（窒化物半導体基板以外の基板の一例）上に成長し
たそれと比較して界面揺らぎが小さかった。

【００４７】一方、ＧａＮ基板を利用したことによる界
面揺らぎの抑制効果が、本発明の窒化物半導体発光素子
としてどのように寄与するかは、以下の「井戸層の層数
について」で詳細に述べられる。簡潔に結果だけを示す
と、図９と図１０をみるとわかるように、発光素子が窒
化物半導体レーザ素子の場合は、閾値電流密度の低減効
果に、発光素子が発光ダイオードの場合は、発光強度の
増大にそれぞれ寄与していた。なお、擬似ＧａＮ基板に
おける、元素Ｙの添加量と界面揺らぎとの関係は、図１
３および図１４中のＧａＮ基板とほぼ同様であった。

【００４８】（井戸層の層数について）本発明に係る窒
化物半導体発光素子は、従来のＧａＮＡｓ井戸層／Ｇａ
Ｎ障壁層などの界面急峻性を改善することができた。す
なわち、井戸層と障壁層との界面急峻性が良好であると
いうことは、これら複数層からなる多重量子井戸構造を
作製することが可能であり、前記多重量子井戸構造から
得られる特性も好ましいものであると期待される。

【００４９】そこで、本発明の窒化物半導体発光素子を
用いた多重量子井戸窒化物半導体レーザ素子の、井戸層
の層数とレーザ閾値電流密度との関係、および、前記窒
化物半導体レーザ素子を作製した基板の依存性について
説明する。図９に発光層（多重量子井戸構造）を構成し
ている井戸層の層数とレーザ閾値電流密度との関係を示
す。図９で用いた発光層は、ＧａＮ_0.97Ｐ_0.03井戸層／
ＧａＮ_0.99Ｐ_0.01障壁層であった。図中の白丸印はサフ
ァイア基板（窒化物半導体基板以外の基板の一例）を、
黒丸印はＧａＮ基板（窒化物半導体基板の一例）を用い
たときのレーザ閾値電流密度をそれぞれ表している。Ｇ
ａＮ基板上に作製した窒化物半導体レーザ素子は、以下
の「窒化物半導体レーザの実施の形態」と同様にして作
製される。一方、サファイア基板上に作製した窒化物半
導体レーザ素子は、以下の実施の形態２と同様にして作
製される。

【００５０】図９によると、基板に依らず、井戸層の層
数が１０層以下のときに閾値電流密度が１０ｋＡ／ｃｍ
²以下になり、室温連続発振が可能であった。発振閾値
電流密度を更に低減するためには、２層以上６層以下が
好ましかった。本発明の窒化物半導体発光素子における
障壁層を用いたこと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った。さらに、図９によれば、サ
ファイア基板上の窒化物半導体レーザ素子よりもＧａＮ
基板上のそれの方が、閾値電流密度が低くなることがわ
かった。なお、擬似ＧａＮ基板における井戸層の層数と
閾値電流密度との関係は、図９中のＧａＮ基板（窒化物
半導体基板の一例）とほぼ同じであった。

【００５１】上記（図９）は、ＧａＮ_0.97Ｐ_0.03井戸層
／ＧａＮ_0.99Ｐ_0.01障壁層の発光層について述べられた
が、上記発光層以外にも、本発明の要項を満足する発光
層であれば、図９に示す井戸層数と閾値電流密度との関
係を得ることができる。

【００５２】続いて、本発明の窒化物半導体発光素子に
おける発光層を用いた多重量子井戸発光ダイオードの、
井戸層の層数と発光強度との関係、および、前記発光ダ
イオードを作製した基板の依存性について説明する。図
１０に発光層を構成している井戸層の層数と発光強度と
の関係を示す。図１０で用いた発光層は、ＧａＮ_0.94Ｐ
_0.06井戸層／ＧａＮ_0.995Ｐ_0.005障壁層であった。図１
０中の発光強度は、従来の窒化物半導体発光素子におけ
る発光層の構成であるＧａＮ_0.94Ｐ_0.06単一量子井戸層
の発光強度で規格化されている（破線）。また、図中の
白丸印はサファイア基板（窒化物半導体基板以外の基板
の一例）を、黒丸印はＧａＮ基板（窒化物半導体基板の
一例）を、それぞれ用いたときの発光強度について表し
ている。ＧａＮ基板上に作製した発光ダイオード素子お
よびサファイア基板上に成長した発光ダイオード素子
は、以下に記す実施の形態３と同様にして作製される。

【００５３】従来の窒化物半導体発光素子における発光
層（ＧａＮ_0.94Ｐ_0.06井戸層／ＧａＮ障壁層）の井戸層
数を１層から２０層まで振ってその発光強度を測定した
ところ、最大発光強度は、図１０の規格化された発光強
度でいうところの１．４程度であった。このことから、
従来の窒化物半導体発光素子における発光層に比べて、
本発明の窒化物半導体発光素子における発光層の方が好
ましいことがわかる。

【００５４】また、図１０から、発光強度の強い本発明
の窒化物半導体発光素子における井戸層の層数は、基板
に依存せず１０層以下が好ましく、さらに好ましくは２
層以上６層以下である。また、サファイア基板（窒化物
半導体基板以外の基板の一例）よりもＧａＮ基板（窒化
物半導体基板の一例）を用いることによって発光強度が
向上する。なお、擬似ＧａＮ基板における井戸層の層数
と発光強度との関係は、図１０中のＧａＮ基板とほぼ同
じであった。スーパールミネッセントダイオード素子に
ついても図１０と同様の結果を得ることができる。

【００５５】上記（図１０）は、ＧａＮ_0.94Ｐ_0.06井戸
層／ＧａＮ_0.995Ｐ_0.005障壁層の発光層について述べた
が、上記発光層以外にも、本発明の要項を満足する発光
層であれば、図１０に示す井戸層数と発光強度との関係
を得ることができる。

【００５６】（発光層への不純物添加について）本発明
の窒化物半導体発光素子における発光層への、不純物添
加について述べる。フォトルミネッセンス（ＰＬ）測定
によれば、発光層中（障壁層と井戸層の両方）にＳｉを
添加した方が、ＰＬ発光強度が１．２倍から１．４倍程
度強くなった。このことから、発光層中に不純物を添加
することによって発光素子の特性を向上させることがで
きた。

【００５７】本発明の発光層を構成している要素がＩｎ
を含まない結晶であり、Ｉｎによる局在準位が形成され
ないために、発光強度は井戸層（井戸層の結晶性を良好
にするためには井戸層に接する障壁層も結晶性が良好で
なければならない）の結晶性に強く依存する。そのた
め、Ｓｉなどの不純物の添加によって発光層の結晶性が
向上したのではないかと考えられる。

【００５８】Ｓｉ以外にＯ、Ｓ、Ｃ、Ｇｅ、Ｚｎ、Ｃｄ
もしくはＭｇのうち少なくとも一つ以上の不純物が添加
されても同様の効果が得られる。また、前記不純物の添
加量は、１×１０¹⁶／ｃｍ³〜１×１０²⁰／ｃｍ³であれ
ば良い。不純物の添加量が１×１０¹⁶／ｃｍ³よりも少
ないと発光強度の優位性が得られにくく、不純物の添加
量が１×１０²⁰／ｃｍ³よりも多いと不純物を添加した
ことによる欠陥密度が増大し、発光強度の低下を招いて
しまう。

【００５９】特に、窒化物半導体基板以外の基板、たと
えばサファイア基板などの上に結晶成長を行う場合は、
欠陥（エッチピット密度４×１０⁸／ｃｍ²以上）が多
く、上記不純物の添加による効果が顕著であった。

【００６０】（発光層の発光波長について）本発明の窒
化物半導体発光素子における発光層を用いた発光素子の
発光波長は、ＧａＮＸ井戸層中の元素Ｘの原子分率を調
整することによって得ることができる。たとえば、紫外
の３８０ｎｍ近傍の発光波長を得るためには、ＧａＮ
_1-xＡｓ_xの場合はｘ＝０．００５、ＧａＮ_1-yＰ_yの場合
はｙ＝０．０１、ＧａＮ_1-zＳｂ_zの場合はｚ＝０．００
２である。青紫色の４１０ｎｍ近傍の発光波長を得るた
めには、ＧａＮ_1-xＡｓ_xの場合はｘ＝０．０２、ＧａＮ
_1-yＰ_yの場合はｙ＝０．０３、ＧａＮ_1-zＳｂ_zの場合は
ｚ＝０．０１である。また、青色の４７０ｎｍ近傍の波
長を得るためには、ＧａＮ_1-xＡｓ_xの場合はｘ＝０．０
３、ＧａＮ_1-yＰ_yの場合はｙ＝０．０６、ＧａＮ_1-zＳ
ｂ_zの場合はｚ＝０．０２である。さらに、緑色の５２
０ｎｍ近傍の波長を得るためには、ＧａＮ_1-xＡｓ_xの場
合はｘ＝０．０５、ＧａＮ_1-yＰ_yの場合はｙ＝０．０
８、ＧａＮ_1-zＳｂ_zの場合はｚ＝０．０３である。さら
にまた、赤色の６５０ｎｍ近傍の波長を得るためには、
ＧａＮ_1-xＡｓ_xの場合はｘ＝０．０７、ＧａＮ_1-yＰ_yの
場合はｙ＝０．１２、ＧａＮ _1-zＳｂ_zの場合はｚ＝０．
０４である。上記原子分率の近傍でＧａＮＸ井戸層を作
製するれば、ほぼ目的とする発光波長を得ることができ
る。

【００６１】（発光層の発光半値幅について）本発明の
発光層を用いて、下記に示す実施の形態３の発光ダイオ
ードを作製したときの、発光半値幅について述べる。こ
こで、発光半値幅とは、室温雰囲気中において、発光素
子（発光ダイオード）の最大発光強度が５０％になる発
光波長の幅を指すものとする。

【００６２】前述のように、本発明の窒化物半導体発光
素子における発光層は、従来の窒化物半導体発光素子に
おける発光層と比較して、井戸層と障壁層との界面急峻
性が改善されたことにより、発光素子の発光半値幅を小
さくする事ができる。このことにより色むらが小さく、
シャープな色合いの発光素子（発光ダイオード）を作製
することができる。具体的には、青色の発光色を示す４
５０ｎｍから４８０ｎｍ付近での、従来の窒化物半導体
発光素子における発光層（井戸層はＧａＮＡｓで、障壁
層はＧａＮ）による発光半値幅は、６０ｎｍ、エネルギ
ーに換算すると０．３５ｅＶであった。一方、同じく前
記波長付近での、本発明の窒化物半導体発光素子におけ
る発光層（井戸層はＧａＮＡｓで、障壁層もＧａＮＡ
ｓ）による発光半値幅は、４０ｎｍ、エネルギーに換算
すると０．２５ｅＶであった。

【００６３】上記に示した発光半値幅は、井戸層がＧａ
ＮＡｓから構成された発光素子であったが、本発明の窒
化物半導体発光素子における発光層の要件を満足してい
れば、上記の発光層に限るものではない。

【００６４】（窒化物半導体レーザ）以下に、本発明に
よる発光層を用いた窒化物半導体レーザ素子の製造方法
が、「結晶成長」、その「プロセス工程」およびその
「パッケージ実装」に分けて順次説明される。

【００６５】（結晶成長）図１の窒化物半導体レーザ素
子は、Ｃ面（０００１）ｎ型ＧａＮ基板１００、低温Ｇ
ａＮバッファ層１０１、ｎ型ＧａＮ層１０２、ｎ型Ｉｎ
_0.07Ｇａ_0.93Ｎクラック防止層１０３、ｎ型Ａｌ_0.1Ｇ
ａ_0.9Ｎクラッド層１０４、ｎ型ＧａＮ光ガイド層１０
５、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Ａ
ｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎクラッド層１０９、ｐ型ＧａＮコンタク
ト層１１０、ｎ電極１１１、ｐ電極１１２、ＳｉＯ₂誘
電体膜１１３から構成されている。

【００６６】まず、ＭＯＣＶＤ装置（有機金属気相成長
法）に、ｎ型ＧａＮ基板１００がセットされ、Ｖ族原料
のＮＨ₃（アンモニア）とＩＩＩ族原料のＴＭＧａ（ト
リメチルガリウム）またはＴＥＧａ（トリエチルガリウ
ム）が用いられ、５５０℃の成長温度で低温ＧａＮバッ
ファ層１０１が１００ｎｍ成長される。次に、１０５０
℃の成長温度で前記原料にＳｉＨ₄（シラン）が添加さ
れ、ｎ型ＧａＮ層１０２（Ｓｉ不純物濃度１×１０¹⁸／
ｃｍ³）が３μｍ形成される。続いて、成長温度が７０
０℃〜８００℃程度に下げられ、ＩＩＩ族原料の１つで
あるＴＭＩｎ（トリメチルインジウム）が供給されて、
ｎ型Ｉｎ_0.07Ｇａ_0.93Ｎクラック防止層１０３が４０ｎ
ｍ成長される。再び、基板温度が１０５０℃に上げら
れ、ＴＭＡｌ（トリメチルアルミニウム）またはＴＥＡ
ｌ（トリエチルアルミニウム）のＩＩＩ族原料が用いら
れて、０．８μｍ厚のｎ型Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎクラッド層
１０４（Ｓｉ不純物濃度１×１０¹⁸／ｃｍ³）が成長さ
れ、続いてｎ型ＧａＮ光ガイド層１０５（Ｓｉ不純物濃
度１×１０¹⁸／ｃｍ³）が０．１μｍ成長される。その
後、基板温度が８００℃に下げられ、Ｐ原料としてＰＨ
₃またはＴＢＰ（ターシャリブチルホスフィン）が添加
され、３周期の、厚さ４ｎｍのＧａＮ_0.97Ｐ_{0. 03}井戸層
と厚さ８ｎｍのＧａＮ_0.99Ｐ_0.01障壁層から構成される
発光層（多重量子井戸構造）１０６が、障壁層／井戸層
／障壁層／井戸層／障壁層／井戸層／障壁層の順序で成
長された。その際、障壁層と井戸層の両方にＳｉＨ
₄（Ｓｉ不純物濃度は１×１０¹⁸／ｃｍ³）が添加され
た。障壁層と井戸層、または井戸層と障壁層との間に、
１秒以上１８０秒以内の成長中断を行っても良い。この
ことにより、各層の平坦性が向上し、発光半値幅が減少
する。

【００６７】発光層にＡｓを添加する場合はＡｓＨ₃ま
たはＴＢＡｓ（ターシャリブチルアルシン）を、発光層
にＳｂを添加する場合はＴＭＳｂ（トリメチルアンチモ
ン）またはＴＥＳｂ（トリエチルアンチモン）をそれぞ
れ添加すると良い。また、発光層を形成する際に、Ｎ原
料として、ＮＨ₃以外にＮ₂Ｈ₄（ジメチルヒドラジン）
が用いられても構わない。

【００６８】次に、基板温度が再び１０５０℃まで昇温
されて、厚み２０ｎｍのｐ型Ａｌ_{0. 2}Ｇａ_0.8Ｎキャリア
ブロック層１０７、０．１μｍのｐ型ＧａＮ光ガイド層
１０８、０．５μｍのｐ型Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎクラッド層
１０９と０．１μｍのｐ型ＧａＮコンタクト層１１０が
成長された。前記ｐ型不純物としてＭｇ（ＥｔＣＰ₂Ｍ
ｇ：ビスエチルシクロペンタジエニルマグネシウム）が
５×１０¹⁹／ｃｍ³〜２×１０²⁰／ｃｍ³で添加された。
ｐ型ＧａＮコンタクト層１１０のｐ型不純物濃度は、ｐ
電極１１２の形成位置に向かって、ｐ型不純物濃度を多
くした方が好ましい。このことによりｐ電極形成による
コンタクト抵抗が低減する。また、ｐ型不純物であるＭ
ｇの活性化を妨げているｐ型層中の残留水素を除去する
ために、ｐ型層成長中に微量の酸素が混入させてもよ
い。

【００６９】この様にして、ｐ型ＧａＮコンタクト層１
１０を成長後、ＭＯＣＶＤ装置のリアクター内が全窒素
キャリアガスとＮＨ₃の雰囲気に変えられ、６０℃／分
で温度が下げられた。基板温度が８００℃に達した時点
で、ＮＨ₃の供給量が停止され、５分間、前記基板温度
で待機されてから、室温まで降下された。上記基板の保
持温度は６５０℃から９００℃の間が好ましく、待機時
間は、３分以上１０分以下が好ましかった。また、降下
温度の到達速度は、３０℃／分以上が好ましい。このよ
うにして作製された成長膜をラマン測定によって評価し
た結果、従来の窒化物半導体発光素子で利用されている
ｐ型化アニールを行わなくとも、成長後すでにｐ型化の
特性を示していた（Ｍｇが活性化していた）。また、ｐ
電極形成によるコンタクト抵抗も低減していた。上記に
加えて従来のｐ型化アニールを組み合わせれば、Ｍｇの
活性化率がより向上して好ましかった。

【００７０】本実施の形態の低温ＧａＮバッファ層１０
１は、低温Ａｌ_xＧａ_1-xＮバッファ層（０≦ｘ≦１）で
あれば良く、また、前記低温バッファ層自体が形成され
なくても構わない。しかしながら、現在、供給されてい
るＧａＮ基板は表面モフォロジーが好ましくないため、
低温Ａｌ_xＧａ_1-xＮバッファ層（０≦ｘ≦１）を挿入し
た方が、表面モフォロジーが改善されて好ましい。ここ
で、低温バッファ層とは、４５０℃〜６００℃の成長温
度で形成されたバッファ層である。これらの成長温度範
囲で作製したバッファ層は多結晶もしくは非晶質であ
る。

【００７１】本実施の形態のＩｎ_0.07Ｇａ_0.93Ｎクラッ
ク防止層１０３は、Ｉｎ組成比０．０７以外であっても
構わないし、ＩｎＧａＮクラック防止層自体がなくても
構わない。しかしながら、クラッド層とＧａＮ基板との
格子不整合が大きくなる場合は、前記ＩｎＧａＮクラッ
ク防止層を挿入した方が好ましい。

【００７２】前記発光層は、障壁層で始まり障壁層で終
わる構成（図１１（ａ））であったが、井戸層で始まり
井戸層で終わる構成（図１１（ｂ））であってもよい。
また、発光層の層数（井戸層の層数）は、前述の３層に
限らず、１０層以下であれば閾値電流密度が低く、室温
連続発振が可能であった。特に２層以上６層以下のとき
閾値電流密度が低くて好ましかった（図９）。

【００７３】本実施の形態の発光層は、井戸層と障壁層
との両層にＳｉ（ＳｉＨ₄）を１×１０¹⁸／ｃｍ³添加し
たが、障壁層のみに不純物を添加しても良いし、両層と
もに不純物を添加しなくても構わない。これは、窒化物
半導体基板を用いた場合、欠陥密度は減少しているので
不純物を添加することによって結晶性が向上するより
も、不純物の添加による発光層中での光吸収（利得損
失）の方が大きくなる可能性があるからである。この場
合、発光層に添加すべき不純物の添加量は１×１０¹⁶／
ｃｍ³〜１×１０¹⁹／ｃｍ³程度が好ましく、不純物は前
記Ｓｉ以外に、Ｏ、Ｓ、Ｃ、Ｇｅ、Ｚｎ、Ｃｄもしくは
Ｍｇが好ましい。

【００７４】本実施の形態のｐ型Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8Ｎキャ
リアブロック層１０７は、Ａｌ組成比０．２以外であっ
ても構わないし、キャリアブロック層自体が無くても構
わない。しかしながら、前記キャリアブロック層を設け
た方が閾値電流密度は低かった。これは、キャリアブロ
ック層が発光層中にキャリアを閉じ込める働きがあるか
らである。前記キャリアブロック層のＡｌ組成比が高く
なると、キャリアの閉じ込めが強くなって好ましい。ま
た、キャリアの閉じ込めが保持される程度までＡｌ組成
比が低くなると、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って好ましい。また、
キャリアブロック層１０７はＡｌを含んでいるため、発
光層中の元素Ｘと元素Ｙが結晶中から抜け出ることを防
止し得る。

【００７５】本実施の形態では、ｐ型クラッド層とｎ型
クラッド層として、Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎ結晶を用いたが、
Ａｌの組成比が０．１以外のＡｌＧａＮ３元結晶であっ
てもよい。Ａｌの混晶比が高いと発光層とのエネルギー
ギャップ差及び屈折率差が大きくなり、キャリアや光が
該発光層に効率良く閉じ込められ、レーザ発振閾値電流
密度の低減が図られる。また、キャリアおよび光の閉じ
込めが保持される程度までＡｌ組成比を低くすると、ク
ラッド層でのキャリア移動度が大きくなり、素子の動作
電圧を低くすることができる。

【００７６】ＡｌＧａＮクラッド層厚は、０．７μｍ〜
１．０μｍが好ましい。このことにより、垂直横モード
の単峰化と光閉じ込め効率が増し、レーザの光学特性の
向上とレーザ閾値電流密度の低減が図れる。

【００７７】前記クラッド層はＡｌＧａＮ３元混晶に限
らず、ＡｌＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮＰ、またはＡｌＧａ
ＮＡｓなどの４元混晶であっても良い。さらに、前記ｐ
型クラッド層は、電気抵抗を低減するために、ｐ型Ａｌ
ＧａＮ層とｐ型ＧａＮ層からなる超格子構造、またはｐ
型ＡｌＧａＮ層とｐ型ＩｎＧａＮ層からなる超格子構造
であっても良い。

【００７８】上述では、ＧａＮ基板のＣ面｛０００１｝
について記載されたが、該基板の主面となる面方位は前
記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
いても良い。また、上記面方位から２度以内のオフ角度
を有する基板であれば表面モフォロジーが良好であっ
た。

【００７９】上述ではＧａＮ基板を使用したが、ＧａＮ
基板以外の窒化物半導体基板を用いても構わない。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該クラッド層の外
側に接している方が好ましく、ＡｌＧａＮ基板を用いる
のが好適である。

【００８０】上述では、ＭＯＣＶＤ装置による結晶成長
方法について説明されたが、分子線エピタキシー法（Ｍ
ＢＥ）、ハイドライド気相成長法（ＨＶＰＥ）で行って
も構わない。

【００８１】（プロセス工程）続いて、前述の「結晶成
長」で作製されたエピウエハーをＭＯＣＶＤ装置から取
り出し、レーザ素子にするためのプロセス工程が、以下
で説明される。

【００８２】ｎ電極１１１は、ｎ型ＧａＮ基板１００の
裏面側からＨｆ／Ａｕの順序で形成された。前記ｎ電極
材料の他に、Ｔｉ／Ａｌ、Ｔｉ／ＭｏまたはＨｆ／Ａｌ
などが用いられても構わない。ｎ電極にＨｆを用いると
ｎ電極のコンタクト抵抗が下がるため好ましい。

【００８３】ｐ電極部分は、窒化物半導体結晶の＜1−
１００＞方向に沿ってストライプ状にエッチングされ、
図１のリッジストライプ部が形成された。このリッジス
トライプ部は、ストライプ幅が２μｍになるように作製
された。その後、ＳｉＯ₂誘電体膜１１３が蒸着され、
ｐ型ＧａＮコンタクト層１１０が露出されて、Ｐｄ／Ｍ
ｏ／Ａｕの順序で蒸着されてｐ電極１１２が形成され
た。前記ｐ電極材料の他に、Ｐｄ／Ｐｔ／Ａｕ、Ｐｄ／
ＡｕまたはＮｉ／Ａｕが用いられても構わない。

【００８４】最後に、ＧａＮ基板のへき開面を利用し
て、共振器長５００μｍのファブリ・ペロー共振器が作
製された。共振器長は一般に３００μｍから１０００μ
ｍが好ましい。該共振器のミラー端面は、ＧａＮ基板の
Ｍ面（｛１−１００｝面）が端面になるように形成され
た（図５参照）。ミラー端面を形成するためのへき開お
よびレーザ素子のチップ分割は、図５の破線に沿って基
板側からスクライバーを用いて行われた。ただし、ミラ
ー端面が形成されるためのへき開は、ウエハー全面にス
クライバーによる罫書き傷がつけられてからへき開され
るのではなく、ウエハーの一部、たとえば、ウエハーの
両端にのみスクライバーによる罫書き傷がつけられてか
らへき開される。これらのことにより、端面の急峻性や
スクライバーによる削りカスがエピ表面に付着されにく
くなるため、歩留まりが向上し得る。前記レーザ共振器
の帰還手法以外に、一般に知られているＤＦＢ（Ｄｉｓ
ｔｒｉｂｕｔｅｄ Ｆｅｅｄｂａｃｋ）、ＤＢＲ（Ｄｉ
ｓｔｒｉｂｕｔｅｄ Ｂｒａｇｇ Ｒｅｆｌｅｃｔｏ
ｒ）が用いられても構わない。前記ファブリ・ペロー共
振器のミラー端面が形成された後、該ミラー端面に７０
％の反射率を有するＳｉＯ₂とＴｉＯ₂の誘電体膜が交互
に蒸着され、誘電体多層反射膜が形成された。前記誘電
体材料以外に、ＳｉＯ₂／Ａｌ₂Ｏ₃が誘電多層反射膜と
して用いられても構わない。このようにして、窒化物半
導体レーザ素子が作製された。

【００８５】前述のｎ電極１１１の形成にあたり、ｎ型
ＧａＮ基板１００の裏面側から電極形成が行われたが、
ドライエッチング法を用いて、エピウエハーの表側から
ｎ型ＧａＮ層１０２を露出して、ｎ電極が形成されても
構わない（図４参照）。

【００８６】（パッケージ実装）次に、上記窒化物半導
体レーザチップ（素子）がパッケージに実装される方法
について述べられる。前記窒化物半導体レーザ素子が、
高出力（３０ｍＷ以上）レーザ素子として用いられる場
合、Ｉｎはんだ材を用いて、Ｊｕｎｃｔｉｏｎｕｐ、よ
り好ましくはＪｕｎｃｔｉｏｎ ｄｏｗｎでパッケージ
本体に接続される。または、前記窒化物半導体レーザ素
子が直接パッケージ本体やヒートシンク部に取り付けら
れるのではなく、Ｓｉ、ＡｌＮ、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良い。上述のようにして本発明
の窒化物半導体レーザ素子チップが作製される。

【００８７】（実施の形態１）本実施の形態は、実施の
形態（図１）のＧａＮ基板１００を図２の擬似ＧａＮ基
板２００または図３（ｂ）の擬似ＧａＮ基板２００ａに
置き換え、図４のように片面側からｎ電極が形成された
こと以外は図１に示される実施の形態と同じである。

【００８８】まず、擬似ＧａＮ基板について図２と図３
を用いて説明され、次に擬似ＧａＮ基板を用いた窒化物
半導体発光素子（窒化物半導体レーザ素子）が説明され
る。本実施の形態では、図２の擬似ＧａＮ基板２００と
図３（ｂ）の擬似ＧａＮ基板２００ａの、２種類の擬似
ＧａＮ基板が説明される。

【００８９】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、ｎ型ＧａＮ厚膜２０５から構成されて
いる。擬似ＧａＮ基板２００は、種基板２０１を有して
いて、この種基板２０１はｎ型ＧａＮ厚膜２０５を成長
するための母材として使用される。また、前記成長抑制
膜とは、窒化物半導体膜が結晶成長されにくい膜のこと
である。上記で述べられた擬似ＧａＮ基板２００は、図
２で示された構成に限られるものではなく、少なくとも
前記種基板と成長抑制膜とを有しているものであればよ
い。

【００９０】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から構成されてい
る。ここで、図３（ａ）は擬似ＧａＮ基板２００ａを作
製するための、途中の工程を表し、図３（ｂ）は擬似Ｇ
ａＮ基板２００ａの完成図を表している。

【００９１】擬似ＧａＮ基板２００ａは、図３（ａ）に
示すように、まず、第１のｎ型ＧａＮ膜２０３ａを積層
後、ドライエッチング法またはウエットエッチング法に
よって該ＧａＮ膜表面を溝状に加工する。その後、再び
結晶成長装置に搬送し、第２のｎ型ＧａＮ膜２０３ｂを
積層して、擬似ＧａＮ基板２００ａを完成する（図３
（ｂ））。図３（ａ）では、第１のｎ型ＧａＮ膜の途中
までしか溝を形成していないが、低温バッファ層２０２
あるいは種基板２０１まで掘って溝を形成しても構わな
い。

【００９２】このようにして作製された擬似ＧａＮ基板
２００または擬似ＧａＮ基板２００ａ上に、窒化物半導
体膜を成長すると、該窒化物半導体膜の欠陥密度（エッ
チピット密度７×１０⁷／ｃｍ²以下）は、サファイア基
板やＳｉＣ基板上に成長したそれ（エッチピット密度４
×１０⁸／ｃｍ²以上）と比べて低かった。ただし、欠陥
密度の低い部分は、図２においては成長抑制膜の幅の中
央直上２０６と成長抑制膜が形成されていない部分の幅
の中央直上２０７以外、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以外である。つまり、図２の２０６と
２０７の間の中央、図３（ｂ）においては、２０８と２
０９の間の中央付近が欠陥密度が低く、上記２０６、２
０７、２０８と２０９の部分では逆に欠陥密度が高い。
したがって、擬似ＧａＮ基板上に発光素子を形成する場
合は、上記の欠陥密度の低い領域に形成するとよい。

【００９３】上記種基板２０１の具体例として、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、ＭｇＯ、スピネル、Ｇｅ、
Ｓｉ、ＧａＮ、６Ｈ−ＳｉＣ、４Ｈ−ＳｉＣもしくは３
Ｃ−ＳｉＣなどが挙げられる。

【００９４】また、上記成長抑制膜２０４の具体例とし
て、ＳｉＯ₂膜、ＳｉＮ_x膜、ＴｉＯ ₂膜もしくはＡｌ₂Ｏ
₃膜などの誘電体膜、またはタングステン膜などの金属
膜が挙げられる。さらに、図２で示された成長抑制膜２
０４の位置に、前記成長抑制膜２０４の代わりに、空洞
部が設けられても構わない。ｎ型ＧａＮ厚膜２０５中に
空洞部が設けられると、前記空洞部の上方では、結晶歪
みが緩和され、結果的に発光素子の発光効率向上に寄与
するため好ましい。

【００９５】本実施の形態の種基板としてＳｉＣ基板や
Ｓｉ基板を使用する場合は、これらは導電性基板である
ため、実施の形態の図１のように基板の裏面側からｎ電
極を形成しても構わない。ただし、低温バッファ層２０
２の替わりに、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９００℃以上の
成長温度で作製するバッファ層を指す。また、前記高温
バッファ層は、少なくともＡｌを含有していなければな
らない。なぜならば、高温バッファ層中に少なくともＡ
ｌを含有していなければ、ＳｉＣ基板上またはＳｉ基板
上に結晶性の良い窒化物半導体膜を作製することができ
ないからである。最も好ましい高温バッファ層の構成は
ＩｎＡｌＮである。

【００９６】本実施の形態の種基板（六方晶系の場合）
の主面となる面方位は、Ｃ面｛０００１｝、Ａ面｛１１
−２０｝、Ｒ面｛１−１０２｝、Ｍ面｛１−１００｝も
しくは｛１−１０１｝面が好ましい。また、上記面方位
から２度以内のオフ角度を有する基板であれば表面モフ
ォロジーは良好であった。

【００９７】次に、前記擬似ＧａＮ基板を用いた窒化物
半導体発光素子（レーザ素子）について図４を用いて説
明される。図４の窒化物半導体レーザ素子は、基板３０
０、低温ＧａＮバッファ層１０１、ｎ型ＧａＮ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電極１１１、ｐ電極１１２、
ＳｉＯ₂誘電体膜１１３から構成される。ここで、基板
３００は、前述の擬似ＧａＮ基板である。上記窒化物半
導体レーザ素子の製造方法は実施の形態と同様である。
ただし、パッケージ実装については、種基板が熱伝導率
の悪い、たとえばサファイア基板などを用いている場合
は、以下の実施の形態２のように実装するのが好まし
い。

【００９８】前記窒化物半導体レーザ素子は、図１で示
されたリッジストライプ部分が、少なくとも図２の２０
６と２０７、または図３の２０８と２０９を含まないよ
うに形成される。

【００９９】本実施の形態の低温ＧａＮバッファ層１０
１は、低温Ａｌ_xＧａ_1-xＮバッファ層（０≦ｘ≦１）で
あれば良く、また、前記低温バッファ層自体が形成され
なくても構わない。しかしながら、擬似ＧａＮ基板の表
面モフォロジーが好ましくない場合は、低温Ａｌ_xＧａ
_1-xＮバッファ層（０≦ｘ≦１）を挿入した方が、表面
モフォロジーが改善されて好ましい。

【０１００】前記基板３００は、研磨機で種基板２０１
を剥ぎ取って、前記窒化物半導体レーザ素子が作製され
ても構わない。さらに、基板３００は低温バッファ層２
０１以下の層を全て研磨機で剥ぎ取って、前記窒化物半
導体レーザ素子が作製されても構わない。さらにまた、
基板３００は成長抑制膜２０４以下の層を全て研磨機で
剥ぎ取って、前記窒化物半導体レーザ素子が作製されて
も構わない。種基板２０１を剥ぎ取った場合、窒化物半
導体レーザ素子の、種基板を剥ぎ取った側からｎ電極１
１１が形成されても構わない。また、前記種基板２０１
は窒化物半導体レーザ素子が作製された後に剥ぎ取って
も構わない。

【０１０１】（実施の形態２）本実施の形態は、窒化物
半導体基板以外の基板上に、窒化物半導体バッファ層を
介して窒化物半導体レーザ素子が作製されたことと、図
４のように片面側からｎ電極が形成されたこと以外は図
１に示される実施の形態と同様である。

【０１０２】図４の窒化物半導体レーザ素子は、基板３
００、低温ＧａＮバッファ層１０１（膜厚２５ｎｍ）、
ｎ型ＧａＮ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１０
４、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Ｇ
ａＮ光ガイド層１０８、ｐ型Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎクラッド
層１０９、ｐ型ＧａＮコンタクト層１１０、ｎ電極１１
１、ｐ電極１１２、ＳｉＯ₂誘電体膜１１３から構成さ
れている。本実施の形態の基板３００は、たとえばＣ面
（０００１）サファイア基板である。

【０１０３】図４の窒化物半導体レーザ素子は、上述し
た、結晶成長方法およびプロセス工程を用いて作製され
る。前記窒化物半導体レーザ素子をパッケージ実装する
場合は、サファイア基板は熱伝導率が低いので、たとえ
ば、Ｉｎはんだ材を用いて、Ｊｕｎｃｔｉｏｎ ｄｏｗ
ｎでパッケージ本体に接続すると良い。または、前記窒
化物半導体レーザ素子を直接パッケージ本体やヒートシ
ンク部に取り付けるのではなく、Ｓｉ、ＡｌＮ、ダイヤ
モンド、Ｍｏ、ＣｕＷ、ＢＮ、Ａｕ、ＣｕまたはＦｅの
サブマウントを介して接続しても良い。ただし、基板３
００がＳｉＣ基板や、Ｓｉ基板のように熱伝導率の高い
材料である場合は、Ｊｕｎｃｔｉｏｎｕｐで実装するこ
とも可能である。

【０１０４】本実施の形態では、基板３００としてサフ
ァイア基板が用いられたが、６Ｈ−ＳｉＣ、４Ｈ−Ｓｉ
Ｃ、３Ｃ−ＳｉＣ、Ｓｉまたはスピネル（ＭｇＡｌ
₂Ｏ₄）などが用いられても構わない。ただし、前記Ｓｉ
Ｃ基板やＳｉ基板は導電性基板であるため、実施の形態
の図１のように基板の裏面側からｎ電極が形成されても
構わない。また、ＳｉＣ基板やＳｉ基板上に結晶性の良
い窒化物半導体膜を成長するためのバッファ層は、実施
の形態１と同じく高温バッファ層である。

【０１０５】本実施の形態では、Ｃ面｛０００１｝基板
について説明したが、基板の主面となる面方位がＡ面
｛１１−２０｝、Ｒ面｛１−１０２｝、Ｍ面｛１−１０
０｝または｛１−１０１｝面であっても構わない。ま
た、上記面方位から２度以内のオフ角度を有する基板で
あれば表面モフォロジーが良好である。

【０１０６】（実施の形態３）本実施の形態では、本発
明の発光層が窒化物半導体発光ダイオード素子に適用さ
れた場合について説明される。図６は、窒化物半導体発
光ダイオード素子の断面図を表している。

【０１０７】図６の窒化物半導体発光ダイオード素子
は、Ｃ面（０００１）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１×１０
¹⁸／ｃｍ³）、発光層６０３（たとえば、５周期のＧａ
Ｎ_0.97Ａｓ_0.03井戸層（３ｎｍ）／ＧａＮ_0.99Ａｓ_0.01
障壁層（６ｎｍ））、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６×１
０¹⁹／ｃｍ³）、ｐ型ＧａＮコンタクト層６０５（膜厚
０．１μｍ、Ｍｇ不純物濃度１×１０²⁰／ｃｍ³）、透
光性電極６０６、ｐ電極６０７、ｎ電極６０８から構成
される。

【０１０８】本実施の形態のｎ電極は、ｎ型ＧａＮ基板
１００の裏面側からＨｆ／Ａｕの順序でｎ電極６０８が
形成された。前記ｎ電極材料の他に、Ｔｉ／Ａｌ、Ｔｉ
／ＭｏまたはＨｆ／Ａｌなどが用いられてもよい。特
に、ｎ電極にＨｆが用いられるとｎ電極のコンタクト抵
抗が下がるため好ましい。本実施の形態のｎ電極６０８
は、ｎ型ＧａＮ基板６００の裏面側から電極形成が行わ
れたが、図７のように、ドライエッチング法を用いて、
エピウエハーのｐ電極側からｎ型ＧａＮ層６０２が露出
されてｎ電極が形成されても構わない。

【０１０９】ｐ電極形成は、透光性電極６０６として厚
み７ｎｍのＰｄを、ｐ電極６０７としてＡｕを蒸着し
た。前記透光性電極材料の他に、たとえばＮｉ、Ｐｄ／
Ｍｏ、Ｐｄ／Ｐｔ、Ｐｄ／Ａｕ、またはＮｉ／Ａｕが用
いられても構わない。

【０１１０】最後に、ｎ型ＧａＮ基板６００の裏面側
（透光性電極６０６を蒸着した面の反対側）からスクラ
イバーを用いてチップ分割が行われた。スクライブの方
向は少なくとも一辺が窒化物半導体基板のへき開面を含
むようにチップ分割が行われた。このことにより、チッ
ピングやクラッキングなどによるチップ形状の異常が防
止され、ウエハー当たりの歩留まりが向上した。上述の
ようにして本発明の窒化物半導体発光ダイオード素子が
作製された。

【０１１１】なお、窒化物半導体基板（ＧａＮ基板６０
０）の替わりに実施の形態１で説明された擬似ＧａＮ基
板が用いられても構わない。擬似ＧａＮ基板上に成長さ
れた窒化物半導体発光ダイオード素子の特性は、窒化物
半導体基板上のそれとほぼ同じであった（図１０）。た
だし、擬似ＧａＮ基板は、エッチピット密度（欠陥密
度）の低い領域と高い領域が混在しているため、窒化物
半導体基板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。擬似ＧａＮ基板の種基板が絶縁性である
場合は、図７のように片面側からｎ電極とｐ電極を形成
すると良い。

【０１１２】また、窒化物半導体基板以外の基板上に、
窒化物半導体バッファ層を介して窒化物半導体発光ダイ
オード素子が作製されても構わない。具体的な構造は図
７を用いて説明される。図７の窒化物半導体発光ダイオ
ード素子は、基板３００、低温ＧａＮバッファ層６０１
（膜厚２５ｎｍ）、ｎ型ＧａＮ層６０２（膜厚３μｍ、
Ｓｉ不純物濃度１×１０¹⁸／ｃｍ³）、本発明の発光層
６０３（たとえば、５周期のＧａＮ_0.94Ｐ_0.06井戸層／
ＧａＮ_0.99Ｐ_0.01障壁層）、ｐ型Ａｌ_0.1Ｇａ_{0 .9}Ｎ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０．１μｍ、Ｍｇ不純物濃度１×１０²⁰／ｃ
ｍ³）、透光性電極６０６、ｐ電極６０７、ｎ電極６０
８、誘電体膜６０９から構成される。ここで、基板３０
０はサファイア基板である。基板３００がＳｉＣ基板や
Ｓｉ基板のように導電性基板である場合は、図６のよう
に両面側からｎ電極とｐ電極が形成されても構わない。
また、ＳｉＣ基板やＳｉ基板上に結晶性の良い窒化物半
導体膜を成長するためのバッファ層は、実施の形態１と
同じく高温バッファ層である。

【０１１３】（実施の形態４）本実施の形態は、本発明
の発光層が窒化物半導体スーパールミネッセントダイオ
ード素子に適用されたこと以外は上述の実施の形態と同
じである。該発光素子の発光強度は窒化物半導体発光ダ
イオード素子とほぼ同様の結果を得ることができる（図
１０）。

【０１１４】（実施の形態５）本実施の形態では、本発
明の窒化物半導体レーザが光学装置に適用された場合に
ついて説明される。本発明のＧａＮＸ井戸層には、Ａ
ｓ、ＰもしくはＳｂのうち少なくとも１種類以上の元素
Ｘが含有されている。この元素Ｘが井戸層中に含有され
ることによって、井戸層の電子とホールの有効質量が小
さく、また、電子とホールの移動度が大きくなり得る。
前者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、後者は発光層で電子
とホールが発光再結合によって消滅しても新たに電子・
ホールが拡散により高速に注入されることを意味する。
すなわち、現在報告されている、元素Ｘを全く井戸層に
含有しないＩｎＧａＮ系窒化物半導体レーザ素子と比べ
ると、元素Ｘを含有する窒化物半導体レーザ素子は、閾
値電流密度が低く、自励発振特性の優れた（雑音特性に
優れた）半導体レーザであると考えられる。しかしなが
ら、従来の、井戸層に元素Ｘが含有された窒化物半導体
発光素子は、井戸層と障壁層との間の界面急峻性が損な
われていたために、前記優位性が十分に発揮されていな
かった。

【０１１５】本発明では、ＧａＮＸ井戸層に接する障壁
層に、ＧａＮＹ障壁層を用いることによって、前記界面
の急峻性を改善することができた。このことによって多
重量子井戸構造の作製が可能となった。また、前記優位
性である半導体レーザの低閾値電流密度とそれに付随し
た高出力、高寿命化が実現され得るとともに、雑音特性
の優れた半導体レーザが作製され得る。たとえば、本発
明による青紫色（３８０〜４２０ｎｍの発振波長）窒化
物半導体レーザを作製すると、現在報告されているＩｎ
ＧａＮ系窒化物半導体レーザと比較して、レーザ発振閾
値電流密度が低く、雑音にも強い半導体レーザを得るこ
とができる。また、高出力（５０ｍＷ）、高温雰囲気中
（６０℃）で安定して動作するため、高密度記録再生用
光ディスクに適したレーザである（発振波長が短いほ
ど、より高密度に記録再生が可能となる）。

【０１１６】図８に、本発明の窒化物半導体半導体レー
ザ素子が用いられた光ディスク装置の概略図が示され
る。図８のレーザ光は、入力情報に応じて光変調器で変
調され、レンズを通してディスク上に記録される。再生
時は、ディスク上のピット配列によって光学的に変化を
受けたレーザ光がスプリッターを通して光検出器で検出
され、再生信号となる。これらの動作は制御回路にて制
御される。レーザ出力については、通常、記録時は３０
ｍＷで、再生時は５ｍＷ程度である。

【０１１７】上記光ディスクの他に、レーザプリンタ
ー、バーコードリーダー、本発明の発光層を用いた光の
三原色（青色、緑色、赤色）窒化物半導体レーザ素子に
よるプロジェクターなどにも利用可能である。

【０１１８】（実施の形態６）本実施の形態では、本発
明の窒化物半導体発光ダイオードが発光装置（たとえ
ば、表示装置と白色光源装置）に適用された場合につい
て説明される。本発明の窒化物半導体発光ダイオード
は、少なくとも光の三原色（赤色、緑色、青色）の一つ
に利用されたディスプレイ表示装置として利用できる。
たとえば、現在報告されているＩｎＧａＮ系窒化物半導
体を用いた琥珀色発光ダイオードは、Ｉｎ組成比が極め
て高く、Ｉｎによる相分離が顕著になり過ぎて、信頼性
と発光強度の観点から商品化レベルには達していなかっ
た。本発明の発光層（特に井戸層）に含有する元素Ｘ
は、Ｉｎと同様に、井戸層のバンドギャップエネルギー
を小さくする働きがある。したがって、元素Ｘを井戸層
に含有することによってＩｎ自体を井戸層から排除する
ことができるため、好ましい発光層であると考えられ
る。しかしながら、井戸層に元素Ｘが含有されると、窒
化物半導体発光素子は、井戸層と障壁層の間の界面急峻
性が損なわれやすく、前記優位性を十分に発揮すること
が困難であった。

【０１１９】本発明では、ＧａＮＸ井戸層に接する障壁
層に、ＧａＮＹ障壁層を用いることによって、前記界面
の急峻性を改善することができた。このことによって、
多重量子井戸構造の作製が可能となった。また、色むら
が少なく発光強度の強い長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が作製可能であ
る。その他の発光色についても、実施の形態で示したと
おり作製することができる。

【０１２０】さらに、本発明の窒化物半導体発光ダイオ
ードが、光の三原色を用いた発光ダイオードの１つとし
て用いられ、白色光源装置としても利用され得る。ある
いは、発光波長が紫外領域から紫色領域（３８０ｎｍ〜
４２０ｎｍ程度）である本発明の窒化物半導体発光ダイ
オードに、蛍光塗料を塗布して白色光源装置が作製され
得る。前記白色光源装置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替わ
って、低消費電力かつ高輝度のバックライトとして利用
できる。これは、携帯ノートパソコン、携帯電話による
マン・マシー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、高鮮明な液晶デ
ィスプレイを提供できる。

【０１２１】なお、今回開示された実施の形態はすべて
の点で例示であって制限的なものではないと考えられる
べきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特
許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の
意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意
図される。

【０１２２】

【発明の効果】本発明に係る窒化物半導体発光素子は、
井戸層と前記井戸層に接した障壁層とから構成されてい
る発光層を基板上に形成した窒化物半導体発光素子であ
って、前記井戸層は、Ｇａ、Ｎおよび元素Ｘから構成さ
れた窒化物半導体であるとともに、前記元素Ｘは、Ａ
ｓ、ＰもしくはＳｂから少なくとも一つ選択される元素
であって、かつ、前記井戸層における、Ｘ／（Ｎ＋Ｘ）
の原子分率は、３０％以下であり、前記障壁層は、Ｇ
ａ、Ｎおよび元素Ｙから構成された窒化物半導体である
とともに、前記元素Ｙは、Ａｓ、ＰもしくはＳｂから少
なくとも一つ選択される元素であることにより、前記井
戸層と前記障壁層との間の界面急峻性が改善され、閾値
電流密度が低く、あるいは発光強度の強い、窒化物半導
体発光素子とその装置を提供するものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】 実施の形態で説明したレーザ構造の一例であ
る。

【図２】 擬似ＧａＮ基板の一例である。

【図３】 擬似ＧａＮ基板の一例であり、そのうち
（ａ）は、擬似ＧａＮ基板を作製するためのエッチング
工程で、（ｂ）はその完成図をそれぞれ示している。

【図４】 実施の形態１と２とで説明したレーザ構造の
一例である。

【図５】 実施の形態で説明したレーザ構造の上面図で
ある。

【図６】 実施の形態３で説明した発光ダイオード構造
の一例である。

【図７】 実施の形態３で説明した発光ダイオード構造
の一例である。

【図８】 光ディスク装置の概略図である。

【図９】 窒化物半導体レーザ素子の井戸層数と閾値電
流密度との関係を示した図である。

【図１０】 発光ダイオードの井戸層数と発光強度との
関係を示した図である。

【図１１】 バンドギャップ構造を説明する図であり、
そのうち（ａ）は本発明の発光層（障壁層始まり障壁層
終わり）のバンドギャップ構造であり、（ｂ）は本発明
の発光層（井戸層始まり井戸層終わり）のバンドギャッ
プ構造であり、（ｃ）従来（特開平１０−２７０８０
４）のバンドギャップ構造である。

【図１２】 本発明の窒化物半導体発光素子における、
ＧａＮＡｓ障壁層／ＧａＮＡｓ井戸層／ＧａＮＡｓ障壁
層構造のＡｓに関するＳＩＭＳ測定結果である。

【図１３】 ＧａＮＹ障壁層中の元素Ｙの添加量に対す
る界面揺らぎとの関係（ＧａＮＡｓ井戸層の場合）であ
る。

【図１４】 ＧａＮＹ障壁層中の元素Ｙの添加量に対す
る界面揺らぎとの関係（ＧａＮＰ井戸層の場合）であ
る。

【符号の説明】

１００ ｎ型ＧａＮ基板、１０１ 低温ＧａＮバッファ
層、１０２ ｎ型ＧａＮ層、１０３ ｎ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、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、１０９ ｐ型Ａ
ｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎクラッド層、１１０ ｐ型ＧａＮコンタ
クト層、１１１ ｎ電極、１１２ ｐ電極、１１３ 誘
電体膜、２００，２００ａ 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、２０７ 成
長抑制膜が形成されていない部分の幅の中央直上、２０
８ 溝の幅の中央直上、２０９ 溝が形成されていない
部分（丘）の幅の中央直上、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_0.1
Ｇａ_0.9Ｎキャリアブロック層、６０５ ｐ型ＧａＮコ
ンタクト層、６０６ 透光性電極、６０７ ｐ電極、６
０８ ｎ電極、６０９ 誘電体膜。

フロントページの続き Ｆターム(参考） 5D119 AA33 BA01 FA05 FA06 FA20 5F041 CA05 CA34 CA40 CA53 CA54 CA56 CA57 CA65 CA74 CA76 CA82 CA92 EE25 FF11 FF16 5F073 AA45 AA51 AA55 AA83 BA06 CA07 CB02 CB07 CB20 CB22 DA05 DA32 DA35 EA23 EA24

Claims (13)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 井戸層と前記井戸層に接した障壁層とか
   ら構成されている発光層を基板上に形成した窒化物半導
   体発光素子であって、 前記井戸層は、Ｇａ、Ｎおよび元素Ｘから構成された窒
   化物半導体であるとともに、 前記元素Ｘは、Ａｓ、ＰもしくはＳｂから少なくとも一
   つ選択される元素であって、 かつ、前記井戸層における、Ｘ／（Ｎ＋Ｘ）の原子分率
   は、３０％以下であり、 前記障壁層は、Ｇａ、Ｎおよび元素Ｙから構成された窒
   化物半導体であるとともに、 前記元素Ｙは、Ａｓ、ＰもしくはＳｂから少なくとも一
   つ選択される元素である、 窒化物半導体発光素子。
2. 【請求項２】 前記元素Ｘと前記元素Ｙが同じ元素であ
   る請求項１記載の窒化物半導体発光素子。
3. 【請求項３】 前記元素Ｙの添加量が１×１０¹⁶／ｃｍ
   ³以上である請求項１または２記載の窒化物半導体発光
   素子。
4. 【請求項４】 前記基板が、窒化物半導体基板である請
   求項１〜３のいずれかに記載の窒化物半導体発光素子。
5. 【請求項５】 前記基板が、擬似ＧａＮ基板である請求
   項１〜３のいずれかに記載の窒化物半導体発光素子。
6. 【請求項６】 前記基板のエッチピット密度が７×１０
   ⁷／ｃｍ²以下である請求項４または５記載の窒化物半導
   体発光素子。
7. 【請求項７】 前記井戸層の厚みが０．４ｎｍ以上２０
   ｎｍ以下である請求項１記載の窒化物半導体発光素子。
8. 【請求項８】 前記障壁層の厚みが１ｎｍ以上４０ｎｍ
   以下である請求項１記載の窒化物半導体発光素子。
9. 【請求項９】 前記発光層が、Ｓｉ、Ｏ、Ｓ、Ｃ、Ｇ
   ｅ、Ｚｎ、ＣｄもしくはＭｇのうち少なくとも一つの不
   純物を含有し、 かつ、前記不純物の添加量が、１×１０¹⁶／ｃｍ³以上
   １×１０²⁰／ｃｍ³以下である請求項１記載の窒化物半
   導体発光素子。
10. 【請求項１０】 前記井戸層の層数が１０層以下である
    請求項１、４または５記載の窒化物半導体発光素子。
11. 【請求項１１】 請求項１〜１０のいずれかに記載の窒
    化物半導体発光素子を有し、 発振波長が３８０ｎｍ以上４２０ｎｍ以下である窒化物
    半導体レーザ素子を用いた光ピックアップ装置。
12. 【請求項１２】 請求項１〜１０のいずれかに記載の窒
    化物半導体発光素子を有し、 発光波長が３８０ｎｍ以上４２０ｎｍ以下である発光ダ
    イオード素子もしくはスーパールミネッセントダイオー
    ド素子を用いた白色光源装置。
13. 【請求項１３】 請求項１〜１０のいずれかに記載の窒
    化物半導体発光素子を有するとともに、 発光波長が４５０ｎｍ以上４８０ｎｍ以下である発光ダ
    イオード素子の発光半値幅が、４０ｎｍ以下であり、か
    つ、エネルギー換算で０．２５ｅＶ以下である表示装
    置。