JP2002344089A - 窒化物系半導体発光素子およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 発振閾値電流値が低く、信頼性が向上された
窒化物系半導体発光素子を提供する。 【解決手段】 基板上で、窒化物半導体からなる、クラ
ッド層もしくはガイド層の少なくともいずれか一方に挟
まれ、ＩｎおよびＧａを含む窒化物半導体からなる量子
井戸構造活性層６を有する、窒化物系半導体発光素子に
おいて、前記量子井戸構造活性層６が、結晶成長中にお
けるＩｎ原子およびＧａ原子の表面移動を、量子井戸面
内で一方向に対して抑制するとともにその反対方向には
抑制しないようにした結晶成長により形成されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は窒化物系半導体発光
素子およびその製造方法に関し、特に、ＩｎおよびＧａ
を含む窒化物半導体よりなる量子井戸構造活性層を備え
た窒化物系半導体発光素子およびその製造方法に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】紫外から緑色の波長領域での発光波長を
有する半導体発光素子である半導体レーザ素子（ＬＤ）
や発光ダイオード（ＬＥＤ）の半導体材料として、窒化
物系半導体（ＧａＩｎＡｌＮ）が用いられている。この
窒化物系半導体を用いた半導体レーザ素子は、たとえ
ば、Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｄｉｇｅｓｔ ｏｆ Ｉｎｔ
eｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｗｏｒｋｓｈｏｐ ｏｎ Ｎｉ
ｔｒｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒｓ （ＩＷＮ
２０００） ＷＡ２−１、に記載されている。窒化物系
半導体を用いた半導体レーザ素子の断面図を図１１に示
す。図１１において、１０１は（０００１）ｃ面を有す
るサファイア基板、１０２はＧａＮ層、１０３はｎ−Ｇ
ａＮコンタクト層、１０４はｎ−Ａｌ_0.08Ｇａ_0.92Ｎク
ラッド層、１０５はｎ−ＧａＮガイド層、１０６はＩｎ
_0.10Ｇａ_0.90Ｎ量子井戸層とＩｎ_0.02Ｇａ_0.98Ｎ障壁層
とからなる多重の量子井戸構造活性層、１０７はｐ−Ａ
ｌ_0.16Ｇａ_0.84Ｎ層、１０８はｐ−ＧａＮガイド層、１
０９はｐ−Ａｌ_0.15Ｇａ_0.85ＮとＧａＮが交互に積層さ
れてなるｐ型クラッド層、１１０はｐ−ＧａＮコンタク
ト層、１１１はｐ側電極、１１２はｎ側電極、１１３は
電流狭窄用ＳｉＯ₂膜である。ここで、ＧａＮ層１０２
は、幅２μｍのストライプ状に１２μｍ周期で形成され
ている。また、多重の量子井戸構造活性層１０６は、
３．５ｎｍ厚のＩｎ _0.10Ｇａ_0.90Ｎ量子井戸層と、７．
０ｎｍ厚のＩｎ_0.02Ｇａ_0.98Ｎ障壁層の、３ペアで構成
され、量子井戸層と障壁層が交互に形成されている。

【０００３】この従来例の製造方法においては窒化物系
半導体を形成するために有機金属気相成長法（ＭＯＣＶ
Ｄ法）が用いられている。まずサファイア基板１０１上
にＧａＮ層１０２を形成後、このＧａＮ層１０２をスト
ライプ状に加工し、その上にｎ−ＧａＮコンタクト層１
０３からｐ−ＧａＮコンタクト層１１０までの半導体レ
ーザ素子構造を積層している。

【０００４】さらにこの従来例では注入電流を狭窄する
ためにｐ型クラッド層１０９とｐ−ＧａＮコンタクト層
１１０はリッジストライプ状に形成されている。これに
より電流注入されるストライプ状の領域が活性領域とな
る。その後、サファイア基板１０１を研磨により薄くし
てからへき開技術を用いることにより共振器端面を形成
している。

【０００５】しかしながらこの従来例の窒化物系半導体
レーザ素子では連続的な電流注入によって特性が急速に
劣化するという問題があり、この半導体レーザ素子を実
用化するためには、素子の信頼性を向上することが重要
な課題であった。この急速な劣化の原因としては、活性
層に用いられている窒化物系半導体材料中に存在する欠
陥が電流注入により増殖することが考えられており、こ
の欠陥を低減する試みがなされてきた。

【０００６】たとえば、特開２０００−１５６３４８号
公報では、平坦な表面を持ち欠陥の少ない活性層を得る
ために、半導体レーザ素子構造を形成する基板として用
いるサファイア基板表面の面方位をｃ面から０．３度以
上０．５度以下の範囲内のオフ角度で傾斜させ、その上
に半導体レーザ素子構造を積層する技術が示されてい
る。

【０００７】また、特開２０００−２２３７４３号公報
では、同様の目的で、半導体レーザ素子構造を形成する
基板として窒化ガリウム基板を用い、その表面の面方位
をｃ面から０．０３度以上１０度以下の範囲内のオフ角
度で傾斜させ、その上に半導体レーザ素子構造を積層す
る技術が示されている。

【０００８】一方、これらの欠陥を低減するための技術
とは別に、窒化物系半導体の混晶材料においては非混和
領域の存在の結果として生じる相分離が原因で、空間的
に均一な組成を有する混晶を形成することができず、組
成のゆらぎが生じるということが知られている。特に、
窒化物系半導体発光素子の活性層としてよく用いられて
いるＩｎＧａＮは相分離によってＩｎ組成が空間的にゆ
らぎ、このためＩｎＧａＮ量子井戸構造活性層において
は高いＩｎ組成を有するドット状の領域が形成される。
このドットのサイズは非常に小さいので、量子ドットと
して機能させることが考えられている。

【０００９】たとえば、特開平１０−１４５００２号公
報では、ＩｎＧａＮ活性層を形成する窒化物系半導体層
の表面に三角関数的な波形の凹凸を形成した後に、Ｉｎ
ＧａＮ量子井戸構造活性層を形成する技術が示されてい
る。このようにして凹凸の形状を持って形成されたＩｎ
ＧａＮ量子井戸構造活性層では、凹の領域は凸の領域に
比べてＩｎ組成が高くなり、量子ドットが形成される。
この結果、２次元的な量子井戸構造を活性層に用いる場
合と比較して０次元的な量子ドットではレーザ発振の閾
値電流値を低減できるとしている。

【００１０】この他に、窒化物系半導体を用いた発光ダ
イオードも前記半導体レーザ素子と同様に、ＩｎＧａＮ
量子井戸構造活性層を用いて作製されている。

【００１１】しかし、従来の前記窒化物系半導体を用い
た半導体発光素子は次のような問題点がある。まず、窒
化物系半導体を用いた半導体レーザ素子においては、従
来例のように半導体レーザ素子構造を形成するための基
板の表面をｃ面から１０度以下の範囲内の微少なオフ角
度で傾斜させ、その上に半導体レーザ素子構造を積層し
ても、特性の劣化を生じてしまい、信頼性が十分に改善
された窒化物系半導体レーザ素子を得ることが困難であ
った。

【００１２】さらに、従来の前記窒化物系半導体を用い
た半導体レーザ素子ではＩｎＧａＮ活性層の相分離によ
って生じるＩｎ組成のゆらぎがランダムに存在するため
に、このＩｎ組成ゆらぎの結果生じる光学利得のエネル
ギー的な広がりにより、発振波長において十分に高い光
学利得を得ることができず、発振閾値電流値が増大して
しまうという問題もある。

【００１３】一方、従来の凹凸形状を有して形成された
ＩｎＧａＮ量子井戸構造活性層を有する半導体レーザ素
子においては、この凹凸構造により量子ドットは形成さ
れるものの、この量子ドットの大きさすべてを均一に揃
えることができない。したがってこの大きさのばらつき
のため光学利得のエネルギー的な広がりを生じてしま
い、この場合も発振閾値電流値を低減できないという問
題があった。

【００１４】さらに、窒化物系半導体を用いた発光ダイ
オードにおいても、前記窒化物系半導体を用いた半導体
レーザ素子と同様にＩｎＧａＮ量子井戸構造活性層を用
いているため、相分離によって生じるＩｎ組成のゆらぎ
の影響が特性に現れる。すなわち、この活性層ではＩｎ
組成が均一でなく空間的にゆらぎを生じるため、電流注
入により活性層に入った電子と正孔はまずＩｎ組成が大
きい領域で再結合し、注入電流量を増大するとＩｎ組成
の小さい領域へと広がって再結合する。つまり電流を注
入するにつれて発光波長のピーク値が大きくブルーシフ
トするという問題があった。これは発光ダイオードをフ
ルカラーディスプレーの画素として使用する場合、注入
電流により色合いが変化してしまうことになる。このよ
うな相分離によって生じるＩｎ組成のゆらぎは、Ｉｎお
よびＧａを含む窒化物系半導体材料の量子井戸構造にお
いて特に顕著に見られるため、この量子井戸構造を活性
層として用いる半導体発光素子においてこの課題を解決
する必要がある。

【００１５】

【発明が解決しようとする課題】本発明はこのような事
情に鑑みてなされたものであり、窒化物系半導体レーザ
素子における上述の問題を解決して、発振閾値電流値が
低く、信頼性が向上された窒化物系半導体発光素子およ
びその製造方法を提供することを目的とする。

【００１６】本発明者は窒化物系半導体を用いた半導体
レーザ素子における特性の劣化についてその原因を調査
した結果、相分離によって生じるＩｎ組成の空間的なゆ
らぎが局所的な格子歪みを引き起こして欠陥の増殖を促
進していることを見い出した。

【００１７】したがって、Ｉｎ組成のゆらぎを抑えるこ
ととで窒化物系半導体レーザ素子の発振閾値電流値を低
減できるとともにその信頼性の向上も達成される。さら
に窒化物系半導体発光ダイオードにおいてもＩｎ組成の
ゆらぎを低減すれば電流注入によるブルーシフト量を低
減できる。

【００１８】さらに本発明者が検討した結果、Ｉｎおよ
びＧａを含む窒化物半導体からなる量子井戸構造にみら
れるＩｎ組成の空間的なゆらぎは、相分離によって生じ
る組成の不均一化と、Ｉｎ原子やＧａ原子の拡散による
組成の均一化の、２つの要因が競合して発生しているこ
とを見い出した。

【００１９】したがって、この量子井戸構造における相
分離による組成の不均一化の影響を低減するためには、
拡散による組成の均一化の効果を増大してやればよい。
この拡散の効果を増大するには原子を動きやすくして拡
散係数を大きくすることが考えられるが、このためには
結晶成長の温度を高める必要がある。ところが、このよ
うに成長温度を高めるとＩｎ原子が成長表面から離脱す
るなどの問題が生じるため、欠陥を大幅に増加させてし
まう。

【００２０】そこで、本発明者はこれとは異なり、Ｉｎ
原子やＧａ原子を結晶成長面内で等方的に移動させず
に、ある一方向に対して移動を抑制しその反対方向には
抑制しないようにすることで、拡散係数が同じでも結晶
成長中における拡散の効果を大幅に増大させることがで
きることを新知見として得た。これは原子の移動をある
一方向のみに限定することで、等方的に移動できる場合
と比較して、実効的に拡散が促進されて組成の均一化の
効果が増大しているためである。

【００２１】

【課題を解決するための手段】これらの点を鑑みて、本
発明に係る窒化物系半導体発光素子は以下の発明から構
成されるのである。すなわち、本発明に係る窒化物系半
導体発光素子は、基板上で、窒化物半導体からなる、ク
ラッド層もしくはガイド層の少なくともいずれか一方に
挟まれており、ＩｎおよびＧａを含む窒化物半導体から
なる量子井戸構造活性層を有する、窒化物系半導体発光
素子において、前記量子井戸構造活性層が、結晶成長中
におけるＩｎ原子およびＧａ原子の表面移動を、量子井
戸面内で一方向に対して抑制するとともにその反対方向
には抑制しないようにした結晶成長により形成されてい
ることを特徴とする。

【００２２】また、前記量子井戸構造活性層が、（００
０１）ｃ面から１５度以上６０度以下の範囲内での傾斜
角度を有する表面を持つウルツァイト構造の窒化物半導
体層に接して形成されることが可能である。

【００２３】また、前記基板が、（０００１）ｃ面から
１５度以上６０度以下の範囲内での傾斜角度を有する面
を主面とするウルツァイト構造の窒化ガリウム基板であ
ることが可能である。

【００２４】また、前記量子井戸構造活性層が、２種類
のストライプ状平面の周期構造からなる凹凸を有する表
面を持つ窒化物半導体層に接して形成されており、２種
類のストライプ状平面のうち一方のみが、基板表面と７
０度以上１１０度以下の範囲内の角度でほぼ垂直に交差
していることが可能である。

【００２５】また、前記窒化物半導体層の表面の凹凸を
形成する２種類のストライプ状平面は、周期構造をなす
方向に対する平面の幅が、基板表面と垂直に交差してい
る平面では１０ｎｍ以上であり、もう一方の平面では２
００ｎｍ以下であることが可能である。

【００２６】本発明に係る窒化物系半導体発光素子の製
造方法は、結晶成長中におけるＩｎ原子およびＧａ原子
の表面移動を、量子井戸面内で一方向に対して抑制する
とともにその反対方向には抑制しないようにした結晶成
長により、ＩｎおよびＧａを含む窒化物半導体からなる
量子井戸構造活性層を形成する工程を有することを特徴
とする。

【００２７】また、前記量子井戸構造活性層を、（００
０１）ｃ面から１５度以上６０度以下の範囲内での傾斜
角度を有する表面を持つウルツァイト構造の窒化物半導
体層に接して形成する工程を有することが可能である。

【００２８】また、（０００１）ｃ面から１５度以上６
０度以下の範囲内での傾斜角度を有する面を主面とする
ウルツァイト構造の窒化ガリウム基板上に、窒化物半導
体層を形成する工程と、前記窒化物半導体層に接して、
前記量子井戸構造活性層を形成する工程と、を有するこ
とが可能である。

【００２９】また、基板上に、窒化物半導体層を形成す
る工程と、前記窒化物半導体層の表面に、２種類のスト
ライプ状平面の周期構造からなる凹凸を、この２種類の
平面のうち一方のみが前記基板表面と７０度以上１１０
度以下の範囲内の角度でほぼ垂直に交差するように形成
する工程と、前記窒化物半導体層に接して、前記量子井
戸構造活性層を形成する工程と、を有することが可能で
ある。

【００３０】また、前記窒化物半導体層の表面の凹凸を
形成する２種類のストライプ状平面は、周期構造をなす
方向に対する平面の幅が、基板表面とほぼ垂直に交差し
ている平面では１０ｎｍ以上であり、もう一方の平面で
は２００ｎｍ以下であるように形成される工程を有する
ことが可能である。

【００３１】

【発明の実施の形態】（第１の実施形態）図１は本発明
の第１の実施形態に係る窒化物系半導体レーザ素子を示
す断面図である。図１において、１は（０００１）ｃ面
から２８度の傾斜角度を有する面を主面とするウルツァ
イト構造のｎ−ＧａＮ基板、２はｎ−ＧａＮ層、３はｎ
−Ｉｎ_0.1Ｇａ_0.9Ｎクラック防止層、４はｎ−Ａｌ_0.1
Ｇａ_0.9Ｎｎ型クラッド層、５はｎ−ＧａＮガイド層、
６は２層のＩｎ_0.15Ｇａ_0.85Ｎ量子井戸層と３層のＩｎ
_0.03Ｇａ_0.97Ｎ障壁層とからなる多重の量子井戸構造活
性層、７はＡｌ_0.2Ｇａ_0.8Ｎ蒸発防止層、８はｐ−Ｇａ
Ｎガイド層、９はｐ−Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎｐ型第１クラッ
ド層、１０はｐ−Ｉｎ_0.03Ｇａ_0.97Ｎエッチストップ
層、１１はｐ−Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎｐ型第２クラッド層、
１２はｐ−ＧａＮｐ型コンタクト層、１３はｐ側電極、
１４はｎ側電極、１５は電流狭窄のためのＳｉＯ₂絶縁
膜である。

【００３２】次に、図１を参照して上記窒化物系半導体
レーザ素子の作製方法を説明する。以下の説明ではＭＯ
ＣＶＤ法（有機金属気相成長法）を用いた場合を示して
いるが、窒化物系半導体をエピタキシャル成長できる成
長法であればよく、ＭＢＥ法（分子線エピタキシャル成
長法）やＨＶＰＥ（ハイドライド気相成長法）などの他
の気相成長法を用いることもできる。

【００３３】まず、所定の成長炉内に設置された、（０
００１）ｃ面から２８度の傾斜角度を有する面を主面と
して有する厚さ１００μｍのｎ−ＧａＮ基板１上に、ト
リメチルガリウム（ＴＭＧ）、アンモニア（ＮＨ₃）、
およびシランガス（ＳｉＨ₄）を原料に用いて、成長温
度１０５０℃で厚さ３μｍのＳｉドープｎ−ＧａＮ層２
を成長する。

【００３４】次に、成長温度を７５０℃に下げ、ＴＭＧ
とＮＨ₃とＳｉＨ₄、およびトリメチルインジウム（ＴＭ
Ｉ）を原料に用いて、厚さ０．１μｍのＳｉドープｎ−
Ｉｎ _0.1Ｇａ_0.9Ｎクラック防止層３を成長する。

【００３５】次に、再び成長温度を１０５０℃に上昇し
て、ＴＭＧとＮＨ₃とＳｉＨ₄、およびトリメチルアルミ
ニウム（ＴＭＡ）を原料に用いて、厚さ１．０μｍのＳ
ｉドープｎ−Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎｎ型クラッド層４を成長
する。

【００３６】続けて、ＴＭＡを原料から除いて、成長温
度は１０５０℃のままで厚さ０．１μｍのＳｉドープｎ
−ＧａＮガイド層５を成長する。

【００３７】本実施形態では基板として、（０００１）
ｃ面から２８度の傾斜角度を有する面を主面とするウル
ツァイト構造のｎ−ＧａＮ基板１を使用した結果、ｎ−
ＧａＮガイド層５はウルツァイト構造でありその表面
は、（０００１）ｃ面から２８度の傾斜角度を有する面
となっている。

【００３８】その後、再び、成長温度を７５０℃に下
げ、ＴＭＧとＮＨ₃とＴＭＩを原料に用いて、ｎ−Ｇａ
Ｎガイド層５上に、Ｉｎ_0.03Ｇａ_0.97Ｎ障壁層（厚さ５
ｎｍ）、Ｉｎ_0.15Ｇａ_0.85Ｎ量子井戸層（厚さ３ｎ
ｍ）、Ｉｎ_0.03Ｇａ_0.97Ｎ障壁層（厚さ５ｎｍ）、Ｉｎ
_0.15Ｇａ_0.85Ｎ量子井戸層（厚さ３ｎｍ）、Ｉｎ_0.03Ｇ
ａ_{0. 97}Ｎ障壁層（厚さ５ｎｍ）を順次成長することによ
り多重の量子井戸構造活性層（トータルの厚さ２１ｎ
ｍ）６を作成する。さらに続けてＴＭＧとＴＭＡとＮＨ
₃を原料に用いて、成長温度は７５０℃のままで厚さ１
０ｎｍのＡｌ_0.2Ｇａ_0.8Ｎ蒸発防止層７を成長する。

【００３９】次に、再び成長温度を１０５０℃に上昇し
て、ＴＭＧとＮＨ₃、およびシクロペンタジエニルマグ
ネシウム（Ｃｐ₂Ｍｇ）を原料に用いて、厚さ０．１μ
ｍのＭｇドープｐ−ＧａＮガイド層８を成長させる。

【００４０】さらに続けてＴＭＡを原料に加え、成長温
度は１０５０℃のままで厚さ０．３μｍのＭｇドープｐ
−Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎｐ型第１クラッド層９を成長する。

【００４１】次に成長温度を７５０℃に下げ、ＴＭＧと
ＮＨ₃とＣｐ₂Ｍｇ、およびＴＭＩを原料に用いて、厚さ
２０ｎｍのＭｇドープｐ−Ｉｎ_0.03Ｇａ_0.97Ｎエッチス
トップ層１０を成長させる。

【００４２】次に、再び成長温度を１０５０℃に上昇し
て、ＴＭＧとＮＨ₃とＣｐ₂Ｍｇ、および、ＴＭＡを原料
に用いて、厚さ０．８μｍのＭｇドープｐ−Ａｌ_0.1Ｇ
ａ_0.9Ｎｐ型第２クラッド層１１を成長する。

【００４３】続けて、ＴＭＡを原料から除いて、成長温
度は１０５０℃のままで厚さ０．１μｍのＭｇドープｐ
−ＧａＮｐ型コンタクト層１２を成長して、窒化物系エ
ピタキシャルウェハーを完成する。

【００４４】その後、このウェハーを８００℃の窒素ガ
ス雰囲気中でアニールして、Ｍｇドープのｐ型層を低抵
抗化する。

【００４５】続いて、通常のフォトリソグラフィーとド
ライエッチング技術を用いてｐ−ＧａＮｐ型コンタクト
層１２の最表面に、２μｍ幅のストライプ状にリッジ構
造を形成するようにｐ−ＧａＮｐ型コンタクト層１２と
ｐ−Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎｐ型第２クラッド層１１をエッチ
ングする。この時、エッチングの深さがｐ−Ｉｎ_0.03Ｇ
ａ_0.97Ｎエッチストップ層１０に達すると、エッチング
表面にＩｎ原子が現れるため、このＩｎ原子を元素分析
により検出した時点でエッチングを停止するようにし
て、エッチングする深さを正確に制御することが好適で
ある。なおエッチストップ層１０は、Ａｌ原子とＧａ原
子以外の原子が検出されてエッチングを停止できればよ
いので、他のＩｎ組成を有するＩｎＧａＮ３元混晶や、
ＩｎＧａＡｌＮ４元混晶でも構わない。

【００４６】続いて、リッジの側面とリッジ以外のｐ型
層表面に厚さ２００ｎｍのＳｉＯ₂絶縁膜１５を電流阻
止層として形成し、このＳｉＯ₂絶縁膜１５とｐ−Ｇａ
Ｎｐ型コンタクト層１２の表面にニッケルと金とからな
るｐ側電極１３を形成する。

【００４７】さらに、このウェハーのｎ−ＧａＮ基板１
の裏面を通常の研磨技術により研磨してウェハーの厚さ
を３０μｍとし、ｎ−ＧａＮ基板１の裏面にチタンとア
ルミニウムからなるｎ側電極１４を形成して、窒化物系
半導体レーザ素子ウェハーを完成する。

【００４８】その後、このウェハーをリッジストライプ
と垂直な方向にへき開することによりレーザの共振器端
面を形成し、リッジストライプと平行な方向にレーザ共
振器を形成する。ここでは共振器の長さを５００μｍと
した。さらにこの共振器端面に、ＳｉＯ₂とＴｉＯ₂が交
互に各３層ずつ積層されたλ／４誘電体多層反射膜を形
成し、共振器端面の反射率を６０％とする。

【００４９】続いてこのレーザ素子を個々のレーザチッ
プに分割する。そして、各チップのｎ側電極１４を接着
してステムにマウントし、ワイヤーボンディングにより
ｐ側電極１３とリード端子とを接続して窒化物系半導体
レーザ素子を完成する。

【００５０】このようにして作製された窒化物系半導体
レーザ素子の発振波長は４１０ｎｍ、発振閾値電流は４
０ｍＡであり、良好なレーザ特性が得られた。また、素
子特性の劣化も見られず、信頼性が大幅に改善された。
このように低い発振閾値電流値と高い信頼性を有する窒
化物系半導体レーザ素子が得られるのは、Ｉｎ原子とＧ
ａ原子の結晶成長中の表面移動を量子井戸面内で一方向
に対して抑制し、その反対方向には抑制しないようにし
た結晶成長によりＩｎＧａＮからなる多重の量子井戸構
造活性層６を形成して、Ｉｎ組成の空間的なゆらぎを抑
えたことによるものである。

【００５１】図２に、本実施形態におけるＩｎＧａＮか
らなる多重の量子井戸構造活性層６の成長中の断面を表
わす模式図を示す。本実施形態では基板として、（００
０１）ｃ面から２８度の傾斜角度を有する面を主面とす
るウルツァイト構造のｎ−ＧａＮ基板１を使用した結
果、ｎ−ＧａＮガイド層５もウルツァイト構造でありそ
の表面は（０００１）ｃ面から２８度の傾斜角度を有す
る面となっている。このような（０００１）ｃ面から傾
斜した窒化物半導体の表面は、図２に示されるようにｃ
面を表面とするテラス部分と、ｃ軸方向の１原子層分の
段差を有するステップ部分とからなる周期構造の表面形
状を有している。

【００５２】本実施形態でのｎ−ＧａＮガイド層５の表
面は、ステップ状の段差の大きさはｃ軸方向の１原子層
分の段差０．５２ｎｍであり、テラス部を構成するｃ面
と表面の垂直方向とのなす角度が２８度になっているの
で、テラス部分の幅は０．９８ｎｍである。このような
段差構造を有する表面にＩｎＧａＮ量子井戸構造を結晶
成長すると、気相中から表面に付着したＩｎ原子やＧａ
原子の表面上での移動は、図２中の矢印Ａの方向には自
由に移動できるが、矢印Ｂの方向には１原子層のステッ
プを乗り越える必要があるため移動が抑制される。これ
は原子の移動を矢印Ａで示される方向のみに限定するこ
とになり、そのため等方的に移動できる場合と比較し
て、実効的に拡散が促進されて組成の均一化の効果が増
大している。この結果、結晶成長中における拡散の効果
を大幅に増大させることができた。これによりＩｎＧａ
Ｎからなる多重の量子井戸構造活性層６中における空間
的なＩｎ組成ゆらぎが大幅に改善されて、低い発振閾値
電流値と高い信頼性を有する窒化物系半導体レーザ素子
が得られた。

【００５３】なお、本実施形態では、基板として（００
０１）ｃ面から２８度の傾斜角度を有する面を主面とす
るウルツァイト構造のｎ−ＧａＮ基板１を使用したが、
傾斜角度は本実施形態に限らず、１５度以上６０度以下
の傾斜角度であれば、本実施形態と同等の特性を有する
窒化物系半導体レーザ素子が得られる。

【００５４】図３に、基板の傾斜角度以外は本実施形態
と同様に作製した窒化物系半導体レーザ素子の発振閾値
電流値の、傾斜角度依存性を示す。この図からわかるよ
うに、傾斜角度が１５度より小さいと、テラス部を構成
するｃ面の幅が広くなるため図２中の矢印Ｂの方向への
移動の抑制の効果がなくなり、Ｉｎ組成の空間的ゆらぎ
が大きくなる。一方、傾斜角度が６０度より大きくなる
と、テラス部を構成するｃ面の幅が狭くなるため、矢印
Ａの方向にも原子の移動が抑制されてしまう。この結
果、原子の移動をある一方向のみに限定する効果がなく
なり、やはりＩｎ組成の空間的ゆらぎが大きくなる。

【００５５】また本実施形態では、基板として（０００
１）ｃ面から２８度の傾斜角度を有する面を主面とする
ウルツァイト構造のｎ−ＧａＮ基板１を使用した結果と
して、ｎ−ＧａＮガイド層５もウルツァイト構造であり
その表面は（０００１）ｃ面から２８度の傾斜角度を有
する面となったが、基板の半導体材料はＧａＮに特に限
定されるものではなく、ＩｎＧａＮからなる多重の量子
井戸構造活性層６が、（０００１）ｃ面から１５度以上
６０度以下の範囲内での傾斜角度を有する表面を持つウ
ルツァイト構造の窒化物半導体層に接して形成されるよ
うにすればよい。したがって、ＳｉＣ基板などの、他の
ウルツァイト構造を有する半導体材料からなる基板であ
っても構わない。ただし、窒化物半導体発光素子の基板
としてしばしば用いられるサファイア基板では、窒化物
半導体層との格子定数差を緩和するために、その基板表
面に接して低温バッファ層を形成した後に窒化物半導体
層を積層しているが、この低温バッファ層を形成すると
サファイア基板表面の面方位に係わらず窒化物半導体層
のｃ軸が基板表面と垂直に形成されてしまうため、Ｉｎ
ＧａＮ量子井戸構造を、（０００１）ｃ面から１５度以
上６０度以下の範囲内での傾斜角度を有する表面を持つ
ウルツァイト構造の窒化物半導体層に接して形成させる
ことが困難となる。

【００５６】本実施形態のように、窒化物半導体層のｃ
軸と基板のｃ軸とを平行にして、ステップ状の段差とテ
ラス部とを窒化物系半導体層の表面に形成し、その上に
ＩｎＧａＮ量子井戸構造活性層を形成するためには、低
温バッファ層を形成せずに積層でき、格子定数がよくあ
っているＧａＮ基板が最も好ましい。

【００５７】また、基板の結晶構造としてはウルツァイ
ト構造のほかにジンクブレンド構造も考えられるが、窒
化物系半導体材料ではウルツァイト構造の方が熱的に安
定で、欠陥の少ないものが得られるので、ウルツァイト
構造の基板を用いることが好ましい。

【００５８】ｎ−ＧａＮガイド層５とｐ−ＧａＮガイド
層８は、そのエネルギーギャップが、多重の量子井戸構
造活性層６を構成する量子井戸層のエネルギーギャップ
と、ｎ型クラッド層４やｐ型クラッド層９のエネルギー
ギャップの間の値を持つような材料であればＧａＮにこ
だわらず他の材料、たとえばＩｎＧａＮ３元混晶、Ａｌ
ＧａＮ３元混晶、ＩｎＧａＡｌＮ４元混晶などを用いて
もよい。

【００５９】また、ガイド層全体にわたってドナーまた
はアクセプターをドーピングする必要はなく、多重の量
子井戸構造活性層６側の一部のみをノンドープとしても
よく、さらにはガイド層全体をノンドープとしてもよ
い。この場合、ガイド層に存在するキャリアが少なくな
り、自由キャリアによる光の吸収が低減されて、さらに
発振閾値電流が低減できるという利点がある。

【００６０】多重の量子井戸構造活性層６を構成する２
層のＩｎ_0.15Ｇａ_0.85Ｎ量子井戸層と３層のＩｎ_0.03Ｇ
ａ_0.97Ｎ障壁層は、必要なレーザ発振波長に応じてその
組成を設定すればよく、発振波長を長くしたい場合は量
子井戸層のＩｎ組成を大きくし、短くしたい場合は量子
井戸層のＩｎ組成を小さくする。

【００６１】また、量子井戸層と障壁層は、ＩｎＧａＮ
３元混晶に微量に他の元素を含んだ４元以上の混晶半導
体でもよい。さらに障壁層は単にＧａＮを用いてもよ
い。さらに量子井戸層と障壁層の層数も本実施形態にこ
だわらず他の層数を用いてもよく、単一量子井戸構造活
性層でも構わない。

【００６２】さらには、電流阻止層としてはＳｉＯ₂絶
縁膜１５に限らず、ＳｉＮなどの他の誘電体絶縁膜や、
ｎ型の導電性や半絶縁性を有する半導体材料を用いるこ
ともできる。

【００６３】また、活性領域を形成するためのストライ
プ構造は本実施形態のようなリッジ構造に限らず、リッ
ジを形成する際にｎ型層までエッチングを行う、いわゆ
る埋め込み構造や、電流狭窄層を形成した後に電流注入
を行う領域のみに電流狭窄層のエッチングを行う、いわ
ゆる内部電流狭窄構造、などの他のストライプ構造でも
構わない。

【００６４】（第２の実施形態）図４は本発明の第２の
実施形態に係る窒化物系半導体発光ダイオードを示す断
面図である。この図において、２１は（０００１）ｃ面
から４０度の傾斜角度を有する面を主面とするウルツァ
イト構造のｎ−ＧａＮ基板、２２はｎ−ＧａＮ層、２３
はＩｎ_0.30Ｇａ_0.70Ｎ量子井戸構造活性層、２４はＡｌ
_0.2Ｇａ_0.8Ｎ蒸発防止層、２５はｐ−ＧａＮ層、２６は
ｐ側透明電極、２７はｐ側パッド電極、２８はｎ側電極
である。

【００６５】次に、図４を参照して上記窒化物系半導体
発光ダイオードの作製方法を説明する。以下の説明では
ＭＯＣＶＤ法（有機金属気相成長法）を用いた場合を示
しているが、窒化物系半導体をエピタキシャル成長でき
る成長法であればよく、ＭＢＥ法（分子線エピタキシャ
ル成長法）やＨＶＰＥ（ハイドライド気相成長法）など
の他の気相成長法を用いることもできる。

【００６６】まず、所定の成長炉内に設置された、（０
００１）ｃ面から４０度の傾斜角度を有する面を主面と
して有する厚さ１００μｍのｎ−ＧａＮ基板２１上に、
ＴＭＧ、ＮＨ₃、およびＳｉＨ₄を原料に用いて、成長温
度１０５０℃で厚さ３μｍのＳｉドープｎ−ＧａＮ層２
２を成長する。

【００６７】本実施形態では基板として、（０００１）
ｃ面から４０度の傾斜角度を有する面を主面とするウル
ツァイト構造のｎ−ＧａＮ基板２１を使用した結果、ｎ
−ＧａＮ層２２はウルツァイト構造であり、その表面
は、（０００１）ｃ面から４０度の傾斜角度を有する面
となっている。

【００６８】その後、成長温度を７５０℃に下げ、ＴＭ
ＧとＮＨ₃とＴＭＩを原料に用いて、ｎ−ＧａＮ層２２
上に、厚さ３ｎｍのＩｎ_0.30Ｇａ_0.70Ｎ量子井戸構造活
性層２３を作成する。さらに続けてＴＭＧとＴＭＡとＮ
Ｈ₃を原料に用いて、成長温度は７５０℃のままで厚さ
１０ｎｍのＡｌ_0.2Ｇａ_0.8Ｎ蒸発防止層２４を成長す
る。

【００６９】次に、再び成長温度を１０５０℃に上昇し
て、ＴＭＧとＮＨ₃、およびＣｐ₂Ｍｇを原料に用いて、
厚さ０．５μｍのＭｇドープｐ−ＧａＮ層２５を成長し
て、窒化物系エピタキシャルウェハーを完成する。その
後、このウェハーを８００℃の窒素ガス雰囲気中でアニ
ールして、Ｍｇドープのｐ型層を低抵抗化する。

【００７０】続いて、ｐ−ＧａＮ層２５の表面全体にニ
ッケルと金からなるｐ側透明電極２６を形成し、このｐ
側透明電極の一部に金からなるｐ側パッド電極２７を形
成する。さらに、このウェハーのｎ−ＧａＮ基板２１の
裏面を通常の研磨技術により研磨してウェハーの厚さを
５０μｍとし、ｎ−ＧａＮ基板２１の裏面にチタンとア
ルミニウムからなるｎ側電極２８を形成して、窒化物系
半導体発光ダイオードウェハーを完成する。

【００７１】その後、この発光ダイオードを、正方形状
に個々のチップに分割する。そして、各チップのｎ側電
極２８を接着してステムにマウントし、ワイヤーボンデ
ィングによりｐ側パッド電極２７とリード端子とを接続
して窒化物系半導体発光ダイオードを完成する。

【００７２】このようにして作製された窒化物系半導体
発光ダイオードにおいて、２０ｍＡの電流注入時に発光
波長は４７０ｎｍ、光出力は３ｍＷであり、良好な素子
特性が得られた。また、電流注入によるブルーシフト量
も低減され、６０ｍＡまでの電流注入によるブルーシフ
ト量は、従来では８ｎｍであったものが２ｎｍになっ
た。このようにブルーシフト量が低減された窒化物系半
導体発光ダイオードが得られるのは、Ｉｎ原子とＧａ原
子の結晶成長中の表面移動を量子井戸面内で一方向に対
して抑制し、その反対方向には抑制しないようにした結
晶成長によりＩｎＧａＮ量子井戸構造活性層２３を形成
して、Ｉｎ組成の空間的なゆらぎを抑えたことによるも
のである。

【００７３】なお、本実施形態では、基板として（００
０１）ｃ面から４０度の傾斜角度を有する面を主面とす
るウルツァイト構造のｎ−ＧａＮ基板２１を使用した
が、傾斜角度は本実施形態に限らず、１５度以上６０度
以下の傾斜角度であれば、本実施形態と同等の特性を有
する窒化物系半導体発光ダイオードが得られる。

【００７４】また、本実施形態では、基板として（００
０１）ｃ面から４０度の傾斜角度を有する面を主面とす
るウルツァイト構造のｎ−ＧａＮ基板２１を使用した結
果として、ｎ−ＧａＮ層２２もウルツァイト構造であ
り、その表面は（０００１）ｃ面から４０度の傾斜角度
を有する面となったが、基板の半導体材料はＧａＮに特
に限定されるものではなく、ＩｎＧａＮ量子井戸構造活
性層２３が、（０００１）ｃ面から１５度以上６０度以
下の範囲内での傾斜角度を有する表面を持つウルツァイ
ト構造の窒化物半導体層に接して形成されるようにすれ
ばよい。したがってＳｉＣ基板などの、他のウルツァイ
ト構造を有する半導体材料からなる基板であっても構わ
ない。

【００７５】さらに、量子井戸構造活性層２３を構成す
るＩｎ_0.30Ｇａ_0.70Ｎ量子井戸層は、必要な発光波長に
応じてその組成を設定すればよく、発光波長を長くした
い場合は量子井戸層のＩｎ組成を大きくし、短くしたい
場合は量子井戸層のＩｎ組成を小さくする。

【００７６】図５に、量子井戸構造活性層２３のＩｎ組
成以外は本実施形態と同様に作製した窒化物系半導体発
光ダイオードのブルーシフト量の、発光波長依存性を示
す。

【００７７】なお、比較例として、（０００１）ｃ面を
主面とするウルツァイト構造のｎ−ＧａＮ基板を用いた
従来の窒化物半導体発光ダイオードにおけるブルーシフ
ト量も合わせて示す。図５からわかるように、Ｉｎ組成
を変化させても青色から緑色のすべての波長領域でブル
ーシフト量の低減の効果は得られており、従来の窒化物
半導体発光ダイオードでのブルーシフト量の約３分の１
程度に低減している。

【００７８】（第３の実施形態）図６は本発明の第３の
実施形態に係る窒化物系半導体レーザ素子を示す断面図
である。図６において、３１はｃ面を表面として有する
サファイア基板、３２はＧａＮバッファ層、３３はｎ−
ＧａＮｎ型コンタクト層、３４はｎ−Ｉｎ_0.1Ｇａ_0.9Ｎ
クラック防止層、３５はｎ−Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎｎ型クラ
ッド層、３６はｎ−ＧａＮガイド層、３７は２層のＩｎ
_0.15Ｇａ_0.85Ｎ量子井戸層と３層のＩｎ _0.03Ｇａ_0.97Ｎ
障壁層とからなる多重の量子井戸構造活性層、３８はＡ
ｌ_0.2Ｇａ_0.8Ｎ蒸発防止層、３９はｐ−ＧａＮガイド
層、４０はｐ−Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎｐ型第１クラッド層、
４１はｐ−Ｉｎ_0.03Ｇａ_0.97Ｎエッチストップ層、４２
はｐ−Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎｐ型第２クラッド層、４３はｐ
−ＧａＮｐ型コンタクト層、４４はｐ側電極、４５はｎ
側電極、４６は電流狭窄のためのＳｉＯ₂絶縁膜であ
る。

【００７９】本発明において、ＧａＮバッファ層３２は
その上に窒化物系半導体をエピタキシャル成長させるこ
とができるものであればＧａＮにこだわらず他の材料、
たとえばＡｌＮやＡｌＧａＮ３元混晶を用いてもよい。

【００８０】次に、図６、図７、および、図８を参照し
て上記窒化物系半導体レーザ素子の作製方法を説明す
る。以下の説明ではＭＯＣＶＤ法（有機金属気相成長
法）を用いた場合を示しているが、窒化物系半導体をエ
ピタキシャル成長できる成長法であればよく、ＭＢＥ法
（分子線エピタキシャル成長法）やＨＶＰＥ（ハイドラ
イド気相成長法）などの他の気相成長法を用いることも
できる。

【００８１】まず、所定の成長炉内に設置された、ｃ面
を表面として有する厚さ３５０μｍのサファイア基板３
１上に、ＴＭＧとＮＨ₃を原料に用いて、成長温度５５
０℃でＧａＮバッファ層３２を３５ｎｍ成長させる。

【００８２】次に、成長温度を１０５０℃まで上昇させ
て、ＴＭＧとＮＨ₃、およびＳｉＨ₄を原料に用いて、厚
さ３μｍのＳｉドープｎ−ＧａＮｎ型コンタクト層３３
を成長する。次に、成長温度を７５０℃に下げ、ＴＭＧ
とＮＨ₃とＳｉＨ₄、およびＴＭＩを原料に用いて、厚さ
０．１μｍのＳｉドープｎ−Ｉｎ_0.1Ｇａ_0.9Ｎクラック
防止層３４を成長する。

【００８３】次に、再び成長温度を１０５０℃に上昇し
て、ＴＭＧとＮＨ₃とＳｉＨ₄、およびＴＭＡを原料に用
いて、厚さ１．０μｍのＳｉドープｎ−Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9
Ｎｎ型クラッド層３５を成長する。続けて、ＴＭＡを原
料から除いて、成長温度は１０５０℃のままで、厚さ
０．１μｍのＳｉドープｎ−ＧａＮガイド層３６を成長
する。

【００８４】以上の結晶成長までを終了後、一旦エピタ
キシャルウェハーを成長炉から取り出し、図７に示され
るようなフォトリソマスクを用いたフォトリソグラフィ
ー技術により、図８（ａ）の断面図に示されるようにレ
ジストマスク４７をｎ−ＧａＮガイド層３６の表面に形
成する。この時、図７中での矢印Ａの方向に対して周期
構造を有するフォトマスクにおけるその周期は１５０ｎ
ｍであり、１周期内でのさらに微細なマスクパターンは
フォトリソグラフィー技術の分解能よりも微細であるた
めにレジストパターンの形成には至らず、マスクからの
光の透過率の増大につながるため、図８（ａ）に示され
るような断面を有するレジストマスク４７が形成され
る。

【００８５】このようにレジストマスク４７は２種類の
ストライプ状平面の周期構造からなる凹凸を有する表面
を持ち、この２種類の平面のうち一方のみが基板表面と
９０の角度で垂直に交差している。さらにこのウェハー
全面を通常のドライエッチング技術によりレジストマス
ク４７とｎ−ＧａＮガイド層３６とを一括してエッチン
グを行うと、レジストマスク４７の形状を反映して、図
８（ｂ）に示されるような断面を有する周期構造がｎ−
ＧａＮガイド層３６の表面に形成される。この表面は２
種類のストライプ状平面の周期構造からなる凹凸を有す
る表面を持ち、この２種類の平面のうち一方のみが基板
表面と９０度の角度で垂直に交差している。

【００８６】本実施形態では、周期構造をなす矢印Ａの
方向に対する平面の幅が、基板表面と垂直に交差してい
る平面では２０ｎｍ、もう一方の平面では１５０ｎｍで
ある。すなわち、１５０ｎｍの周期で２０ｎｍの段差が
形成されている。

【００８７】その後、再びこのエピタキシャルウェハー
を成長炉に設置し、成長温度を７５０℃として、ＴＭＧ
とＮＨ₃とＴＭＩを原料に用いて、Ｉｎ_0.03Ｇａ_0.97Ｎ
障壁層（厚さ５ｎｍ）、Ｉｎ_0.15Ｇａ_0.85Ｎ量子井戸層
（厚さ３ｎｍ）、Ｉｎ_0.03Ｇａ_0.97Ｎ障壁層（厚さ５ｎ
ｍ）、Ｉｎ_0.15Ｇａ_0.85Ｎ量子井戸層（厚さ３ｎｍ）、
Ｉｎ_0.03Ｇａ_0.97Ｎ障壁層（厚さ５ｎｍ）を順次成長す
ることにより多重の量子井戸構造活性層（トータルの厚
さ２１ｎｍ）３７を作成する。さらに続けてＴＭＧとＴ
ＭＡとＮＨ₃を原料に用いて、成長温度は７５０℃のま
まで厚さ１０ｎｍのＡｌ_0.2Ｇａ_0.8Ｎ蒸発防止層３８を
成長する。この時、ＩｎＧａＮからなる多重の量子井戸
構造活性層３７を形成する際に、図８（ｃ）に示される
矢印Ａの方向に移動するＩｎ原子やＧａ原子は段差を乗
り越えやすいが、矢印Ｂの方向では基板表面に対して垂
直に形成された段差のために移動が抑制されてしまう。
これは原子の移動を矢印Ａで示される方向のみに限定す
ることになり、そのため等方的に移動できる場合と比較
して、拡散が促進されて組成の均一化の効果が増大して
いる。この結果、結晶成長中における拡散の効果を大幅
に増大させることができ、Ｉｎ組成の空間的なゆらぎを
低減できた。

【００８８】次に、再び成長温度を１０５０℃に上昇し
て、ＴＭＧとＮＨ₃、およびＣｐ₂Ｍｇを原料に用いて、
厚さ０．１μｍのＭｇドープｐ−ＧａＮガイド層３９を
成長する。さらに続けてＴＭＡを原料に加え、成長温度
は１０５０℃のままで厚さ０．２μｍのＭｇドープｐ−
Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎｐ型第１クラッド層４０を成長する。

【００８９】次に、成長温度を７５０℃に下げ、ＴＭＧ
とＮＨ₃とＣｐ₂Ｍｇ、およびＴＭＩを原料に用いて、厚
さ２０ｎｍのＭｇドープｐ−Ｉｎ_0.03Ｇａ_0.97Ｎエッチ
ストップ層４１を成長する。

【００９０】次に、再び成長温度を１０５０℃に上昇し
て、ＴＭＧとＮＨ₃とＣｐ₂Ｍｇ、および、ＴＭＡを原料
に用いて、厚さ０．８μｍのＭｇドープｐ−Ａｌ_0.1Ｇ
ａ_0.9Ｎｐ型第２クラッド層４２を成長する。続けて、
ＴＭＡを原料から除いて、成長温度は１０５０℃のまま
で厚さ０．１μｍのＭｇドープｐ−ＧａＮｐ型コンタク
ト層４３を成長して、窒化物系エピタキシャルウェハー
を完成する。その後、このウェハーを８００℃の窒素ガ
ス雰囲気中でアニールして、Ｍｇドープのｐ型層を低抵
抗化する。

【００９１】続いて、通常のフォトリソグラフィーとド
ライエッチング技術を用いて２００μｍ幅のストライプ
状に、ｐ−ＧａＮｐ型コンタクト層４３の最表面からｎ
−ＧａＮｎ型コンタクト層３３が露出するまでエッチン
グを行ってメサ構造を作製する。その後、同様のフォト
リソグラフィーとドライエッチング技術を用いてｐ−Ｇ
ａＮｐ型コンタクト層４３の最表面に、２μｍ幅のスト
ライプ状にリッジ構造を形成するようにｐ−ＧａＮｐ型
コンタクト層４３とｐ−Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎｐ型第２クラ
ッド層４２をエッチングする。この時、エッチングの深
さがｐ−Ｉｎ_{0. 03}Ｇａ_0.97Ｎエッチストップ層４１に達
すると、エッチング表面にＩｎ原子が現れるため、この
Ｉｎ原子を元素分析により検出した時点でエッチングを
停止するようにして、エッチングする深さを正確に制御
できた。

【００９２】続いて、リッジの側面とリッジ以外のｐ型
層表面に厚さ２００ｎｍのＳｉＯ₂絶縁膜４６を電流阻
止層として形成する。さらに、このＳｉＯ₂絶縁膜４６
とｐ−ＧａＮｐ型コンタクト層４３の表面にニッケルと
金からなるｐ側電極４４を形成し、エッチングにより露
出したｎ−ＧａＮｎ型コンタクト層３３の表面にチタン
とアルミニウムからなるｎ側電極４５を形成して、窒化
物系半導体レーザ素子ウェハーを完成する。

【００９３】その後、このウェハーのサファイア基板３
１の裏面を通常の研磨技術により研磨してウェハーの厚
さを５０μｍとし、このウェハーをリッジストライプと
垂直な方向にへき開することによりレーザの共振器端面
を形成し、リッジストライプと平行な方向にレーザ共振
器を形成する。ここでは、共振器の長さを５００μｍと
した。さらにこの共振器端面に、ＳｉＯ₂とＴｉＯ₂が交
互に各３層ずつ積層されたλ／４誘電体多層反射膜を形
成し、共振器端面の反射率を６０％とする。

【００９４】続いてこのレーザ素子を個々のレーザチッ
プに分割する。そして、各チップをサファイア基板３１
を下にしてステムにマウントし、ワイヤーボンディング
により各電極とリード端子とを接続して、窒化物系半導
体レーザ素子を完成する。

【００９５】このようにして作製された窒化物系半導体
レーザ素子の発振波長は４１０ｎｍ、発振閾値電流は４
０ｍＡであり、良好なレーザ特性が得られた。また素子
特性の劣化も見られず、信頼性が大幅に改善された。こ
のように低い発振閾値電流値と高い信頼性を有する窒化
物系半導体レーザ素子が得られるのは、Ｉｎ原子とＧａ
原子の結晶成長中の表面移動を量子井戸面内で一方向に
対して抑制し、その反対方向には抑制しないようにした
結晶成長によりＩｎＧａＮからなる多重の量子井戸構造
活性層３７を形成して、Ｉｎ組成の空間的なゆらぎを抑
えたことによるものである。

【００９６】なお、本実施形態では、ｎ−ＧａＮガイド
層３６の表面は２種類のストライプ状平面の周期構造か
らなる凹凸を有する表面を持ち、この２種類の平面のう
ち一方のみが基板表面と９０度の角度で垂直に交差して
いるが、この角度は９０度に限らず、７０度以上１１０
度以下であれば表面上でのＩｎ原子やＧａ原子の移動を
ある一方向にのみ移動しやすくする効果が得られる。

【００９７】また、本実施形態では、周期構造をなす矢
印Ａの方向に対する平面の幅が、基板表面と垂直に交差
している平面では２０ｎｍ、もう一方の平面では１５０
ｎｍである。すなわち、１５０ｎｍの周期で２０ｎｍの
段差が形成されているが、これらの幅の値は本実施形態
に限らず、基板表面と垂直に交差している平面では１０
ｎｍ以上、もう一方の平面では２００ｎｍ以下であれば
同様の効果が得られる。

【００９８】図９に、２種類の平面の幅を変えたこと以
外は本実施形態と同様に作製した窒化物系半導体レーザ
素子の発振閾値電流値の、基板表面と垂直に交差してい
る平面の幅に対する依存性を示す。

【００９９】図９からわかるように、基板表面と垂直に
交差している平面の幅が１０ｎｍ以上、かつ、もう一方
の平面の幅が２００ｎｍ以下では、Ｉｎ原子とＧａ原子
の結晶成長中の表面移動を量子井戸面内で一方向に対し
て抑制し、その反対方向には抑制しない効果が十分得ら
れるため、低い発振閾値電流値を有する窒化物系半導体
レーザ素子が得られることがわかる。

【０１００】基板表面と垂直に交差している平面の幅が
１０ｎｍ以下ではこの段差を乗り越えて原子が移動でき
るようになり、また、もう一方の平面の幅が２００ｎｍ
以上になると、段差の効果がなくなる。したがってこの
時はＩｎ原子とＧａ原子の移動を量子井戸面内で一方向
にのみ移動しやすくする効果が得られないため、発振閾
値電流値が増大する。

【０１０１】（第４の実施形態）図１０は本発明の第４
の実施形態に係る窒化物系半導体発光ダイオードを示す
断面図である。図１０において、５１はｃ面を表面とし
て有するサファイア基板、５２はＧａＮバッファ層、５
３はｎ−ＧａＮｎ型コンタクト層、５４はＩｎ_{0. 30}Ｇａ
_0.70Ｎ量子井戸構造活性層、５５はＡｌ_0.2Ｇａ_0.8Ｎ蒸
発防止層、５６はｐ−ＧａＮ層、５７はｐ側透明電極、
５８はｐ側パッド電極、５９はｎ側電極である。

【０１０２】次に、図１０を参照して上記窒化物系半導
体発光ダイオードの作製方法を説明する。以下の説明で
はＭＯＣＶＤ法（有機金属気相成長法）を用いた場合を
示しているが、窒化物系半導体をエピタキシャル成長で
きる成長法であればよく、ＭＢＥ法（分子線エピタキシ
ャル成長法）やＨＶＰＥ（ハイドライド気相成長法）な
どの他の気相成長法を用いることもできる。

【０１０３】まず、所定の成長炉内に設置された、ｃ面
を表面として有する厚さ３５０μｍのサファイア基板５
１上に、ＴＭＧとＮＨ₃を原料に用いて、成長温度５５
０℃でＧａＮバッファ層５２を３５ｎｍ成長させる。次
に、成長温度を１０５０℃まで上昇させて、ＴＭＧとＮ
Ｈ₃、およびＳｉＨ₄を原料に用いて、厚さ３μｍのＳｉ
ドープｎ−ＧａＮｎ型コンタクト層５３を成長する。

【０１０４】以上の結晶成長までを終了後、一旦エピタ
キシャルウェハーを成長炉から取り出し、第３の実施形
態の窒化物系半導体レーザ素子と同様に、２種類のスト
ライプ状平面の周期構造からなる凹凸をｎ−ＧａＮｎ型
コンタクト層５３の表面に形成する。この２種類の平面
のうち一方のみが基板表面と９０度の角度で垂直に交差
している。本実施形態では、周期構造をなす方向に対す
る平面の幅が、基板表面と垂直に交差している平面では
２０ｎｍ、もう一方の平面では１５０ｎｍとなるように
形成した。

【０１０５】その後再びこのエピタキシャルウェハーを
成長炉に設置し、成長温度を７５０℃として、ＴＭＧと
ＮＨ₃とＴＭＩを原料に用いて、厚さ３ｎｍのＩｎ_0.30
Ｇａ_{0 .70}Ｎ量子井戸構造活性層５４を形成する。さらに
続けてＴＭＧとＴＭＡとＮＨ₃を原料に用いて、成長温
度は７５０℃のままで厚さ１０ｎｍのＡｌ_0.2Ｇａ_0.8Ｎ
蒸発防止層５５を成長する。この時、ＩｎＧａＮ量子井
戸構造活性層５４を形成する際には、第３の実施形態と
同様に、原子の移動を一方向のみに限定することにな
り、そのため等方的に移動できる場合と比較して、拡散
が促進されて組成の均一化の効果が増大している。この
結果、結晶成長中における拡散の効果を大幅に増大させ
ることができ、Ｉｎ組成の空間的なゆらぎを低減でき
た。

【０１０６】次に、再び成長温度を１０５０℃に上昇し
て、ＴＭＧとＮＨ₃、およびＣｐ₂Ｍｇを原料に用いて、
厚さ０．５μｍのＭｇドープｐ−ＧａＮ層５６を成長し
て、窒化物系エピタキシャルウェハーを完成する。その
後、このウェハーを８００℃の窒素ガス雰囲気中でアニ
ールして、Ｍｇドープのｐ型層を低抵抗化する。

【０１０７】続いて、通常のフォトリソグラフィーとド
ライエッチング技術を用いて２００μｍ幅のストライプ
状に、ｐ−ＧａＮ層５６の最表面からｎ−ＧａＮｎ型コ
ンタクト層５３が露出するまでエッチングを行ってメサ
構造を作製する。その後、ｐ−ＧａＮ層５６の表面全体
にニッケルと金からなるｐ側透明電極５７を形成し、こ
のｐ側透明電極の一部に金からなるｐ側パッド電極５８
を形成する。さらに、エッチングにより露出したｎ−Ｇ
ａＮｎ型コンタクト層５３の表面にチタンとアルミニウ
ムからなるｎ側電極５９を形成して、窒化物系半導体発
光ダイオードウェハーを完成する。

【０１０８】その後、このウェハーのサファイア基板５
１の裏面を通常の研磨技術により研磨してウェハーの厚
さを５０μｍとし、この発光ダイオードを、正方形状に
個々のチップに分割する。そして、各チップをサファイ
ア基板５１を下にしてステムにマウントし、ワイヤーボ
ンディングにより各電極とリード端子とを接続して、窒
化物系半導体発光ダイオードを完成する。

【０１０９】このようにして作製された窒化物系半導体
発光ダイオードにおいて、２０ｍＡの電流注入時に発光
波長は４７０ｎｍ、光出力は３ｍＷであり、第２の実施
形態と同様に良好な素子特性が得られた。また、電流注
入によるブルーシフト量も低減され、６０ｍＡまでの電
流注入によるブルーシフト量は、従来では８ｎｍであっ
たものが２ｎｍになった。

【０１１０】このようにブルーシフト量が低減された窒
化物系半導体発光ダイオードが得られるのは、Ｉｎ原子
とＧａ原子の結晶成長中の表面移動を量子井戸面内で一
方向に対して抑制し、その反対方向には抑制しないよう
にした結晶成長によりＩｎＧａＮ量子井戸構造活性層５
４を形成して、Ｉｎ組成の空間的なゆらぎを抑えたこと
によるものである。

【０１１１】なお、本実施形態では、ＩｎＧａＮ量子井
戸構造活性層５４に接するｎ−ＧａＮｎ型コンタクト層
５３の表面は２種類のストライプ状平面の周期構造から
なる凹凸を有する表面を持ち、この２種類の平面のうち
一方のみが基板表面と９０度の角度で垂直に交差してい
るが、この角度は９０度に限らず、７０度以上１１０度
以下であれば表面上でのＩｎ原子やＧａ原子の移動をあ
る一方向にのみ移動しやすくする効果が得られる。

【０１１２】また、本実施形態では、周期構造をなす方
向に対する平面の幅が、基板表面と垂直に交差している
平面では２０ｎｍ、もう一方の平面では１５０ｎｍであ
る。すなわち、１５０ｎｍの周期で２０ｎｍの段差が形
成されているが、これらの幅の値は本実施形態に限ら
ず、基板表面と垂直に交差している平面では１０ｎｍ以
上、もう一方の平面では２００ｎｍ以下であれば同様の
効果が得られる。

【０１１３】さらに、量子井戸構造活性層５４を構成す
るＩｎ_0.30Ｇａ_0.70Ｎ量子井戸層は、必要な発光波長に
応じてその組成を設定すればよく、発光波長を長くした
い場合は量子井戸層のＩｎ組成を大きくし、短くしたい
場合は量子井戸層のＩｎ組成を小さくする。このように
Ｉｎ組成を変化させて青色から緑色の波長領域で本実施
形態と同様に窒化物系半導体発光素子を作製しても、ブ
ルーシフト量の低減の効果は得られており、従来の窒化
物半導体発光ダイオードでのブルーシフト量の約３分の
１程度に低減した。

【０１１４】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。

【０１１５】

【発明の効果】上述したように、本発明による窒化物系
半導体発光素子では、窒化物半導体からなる、クラッド
層もしくはガイド層の少なくともいずれか一方に挟ま
れ、ＩｎおよびＧａを含む窒化物半導体からなる量子井
戸構造活性層が、Ｉｎ原子およびＧａ原子の結晶成長中
の表面移動を量子井戸面内で一方向に対して抑制すると
ともにその反対方向には抑制しないようにした結晶成長
により形成されているという独特の構成を採用してい
る。これにより、拡散係数が同じでも結晶成長中におけ
る拡散の効果を大幅に増大させることができることを新
知見として得た。これは原子の移動をある一方向のみに
限定することで、等方的に移動できる場合と比較して、
拡散が促進されて組成の均一化の効果が増大しているた
めと考えられる。

【０１１６】この結果、量子井戸構造活性層におけるＩ
ｎ組成の空間的なゆらぎが低減されて、低い発振閾値電
流値と高い信頼性を有する窒化物系半導体レーザ素子が
得られた。さらに、この量子井戸構造活性層におけるＩ
ｎ組成の空間的なゆらぎの低減により、青色から緑色の
すべての波長領域で、電流注入によるブルーシフト量が
低減された窒化物系半導体発光ダイオードも得られた。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の第１の実施形態に係る窒化物系半導
体レーザ素子を示す断面図である。

【図２】 本発明の第１の実施形態に係る窒化物系半導
体レーザ素子におけるＩｎＧａＮからなる多重の量子井
戸構造活性層６の成長中の断面を表わす模式図である。

【図３】 本発明の第１の実施形態に係る窒化物系半導
体レーザ素子における発振閾値電流値の、基板の傾斜角
度依存性を示す図である。

【図４】 本発明の第２の実施形態に係る窒化物系半導
体発光ダイオードを示す断面図である。

【図５】 本発明の第２の実施形態に係る窒化物系半導
体発光ダイオードと比較例としての従来の窒化物系半導
体発光ダイオードにおけるブルーシフト量の、発光波長
依存性を示す図である。

【図６】 本発明の第３の実施形態に係る窒化物系半導
体レーザ素子を示す断面図である。

【図７】 本発明の第３の実施形態に係る窒化物系半導
体レーザ素子を作製する際に用いたフォトリソグラフィ
ー用のフォトマスクのパターンを示す図である。

【図８】 本発明の第３の実施形態に係る窒化物系半導
体レーザ素子に用いられるＩｎＧａＮからなる多重の量
子井戸構造活性層３７の製造工程を説明する図であっ
て、（ａ）、（ｂ）、（ｃ）はいずれも製造工程の断面
図である。

【図９】 本発明の第３の実施形態に係る窒化物系半導
体レーザ素子における発振閾値電流値の、基板表面と垂
直に交差している平面の幅と、もう一方の平面の幅に対
する依存性を示すを示すグラフ図である。

【図１０】 本発明の第４の実施形態に係る窒化物系半
導体発光ダイオードを示す断面図である。

【図１１】 窒化物系半導体を用いた従来の半導体レー
ザ素子の断面図である。

【符号の説明】

１，２１ ｎ−ＧａＮ基板、２，２２ ｎ−ＧａＮ層、
３，３４ ｎ−Ｉｎ_{0. 1}Ｇａ_0.9Ｎクラック防止層、４，
３５ ｎ−Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎｎ型クラッド層、５，３６
ｎ−ＧａＮガイド層、６，３７ 量子井戸構造活性
層、７，２４，３８，５５ Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8Ｎ蒸発防止
層、８，３９ ｐ−ＧａＮガイド層、９，４０ ｐ−Ａ
ｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎｐ型第１クラッド層、１０，４１ ｐ−
Ｉｎ_0.03Ｇａ_0.97Ｎエッチストップ層、１１，４２ ｐ
−Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎｐ型第２クラッド層、１２，４３
ｐ−ＧａＮｐ型コンタクト層、１３，４４ ｐ側電極、
１４，２８，４５，５９ ｎ側電極、１５，４６ Ｓｉ
Ｏ₂絶縁膜、２３，５４ Ｉｎ_0.30Ｇａ_0.70Ｎ量子井戸
構造活性層、２５，５６ ｐ−ＧａＮ層、２６，５７ｐ
側透明電極、２７，５８ ｐ側パッド電極、３１，５１
サファイア基板、３２，５２ ＧａＮバッファ層、３
３，５３ ｎ−ＧａＮｎ型コンタクト層、４７ レジス
トマスク。

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 基板上で、窒化物半導体からなる、クラ
   ッド層もしくはガイド層の少なくともいずれか一方に挟
   まれており、 ＩｎおよびＧａを含む窒化物半導体からなる量子井戸構
   造活性層を有する、 窒化物系半導体発光素子において、 前記量子井戸構造活性層が、結晶成長中におけるＩｎ原
   子およびＧａ原子の表面移動を、量子井戸面内で一方向
   に対して抑制するとともにその反対方向には抑制しない
   ようにした結晶成長により形成されていることを特徴と
   する窒化物系半導体発光素子。
2. 【請求項２】 前記量子井戸構造活性層が、（０００
   １）ｃ面から１５度以上６０度以下の範囲内での傾斜角
   度を有する表面を持つウルツァイト構造の窒化物半導体
   層に接して形成されていることを特徴とする請求項１記
   載の窒化物系半導体発光素子。
3. 【請求項３】 前記基板が、（０００１）ｃ面から１５
   度以上６０度以下の範囲内での傾斜角度を有する面を主
   面とするウルツァイト構造の窒化ガリウム基板であるこ
   とを特徴とする請求項１または２記載の窒化物系半導体
   発光素子。
4. 【請求項４】 前記量子井戸構造活性層が、２種類のス
   トライプ状平面の周期構造からなる凹凸を有する表面を
   持つ窒化物半導体層に接して形成されており、 ２種類のストライプ状平面のうち一方のみが、基板表面
   と７０度以上１１０度以下の範囲内の角度でほぼ垂直に
   交差していることを特徴とする請求項１記載の窒化物系
   半導体発光素子。
5. 【請求項５】 前記窒化物半導体層の表面の凹凸を形成
   する２種類のストライプ状平面は、周期構造をなす方向
   に対する平面の幅が、基板表面と垂直に交差している平
   面では１０ｎｍ以上であり、もう一方の平面では２００
   ｎｍ以下であることを特徴とする請求項４記載の窒化物
   系半導体発光素子。
6. 【請求項６】 結晶成長中におけるＩｎ原子およびＧａ
   原子の表面移動を、量子井戸面内で一方向に対して抑制
   するとともにその反対方向には抑制しないようにした結
   晶成長により、 ＩｎおよびＧａを含む窒化物半導体からなる量子井戸構
   造活性層を形成する工程を有することを特徴とする窒化
   物系半導体発光素子の製造方法。
7. 【請求項７】 前記量子井戸構造活性層を、（０００
   １）ｃ面から１５度以上６０度以下の範囲内での傾斜角
   度を有する表面を持つウルツァイト構造の窒化物半導体
   層に接して形成する工程を有することを特徴とする請求
   項６記載の窒化物系半導体発光素子の製造方法。
8. 【請求項８】 （０００１）ｃ面から１５度以上６０度
   以下の範囲内での傾斜角度を有する面を主面とするウル
   ツァイト構造の窒化ガリウム基板上に、窒化物半導体層
   を形成する工程と、 前記窒化物半導体層に接して、前記量子井戸構造活性層
   を形成する工程と、 を有することを特徴とする請求項６記載の窒化物系半導
   体発光素子の製造方法。
9. 【請求項９】 基板上に、窒化物半導体層を形成する工
   程と、 前記窒化物半導体層の表面に、２種類のストライプ状平
   面の周期構造からなる凹凸を、この２種類の平面のうち
   一方のみが前記基板表面と７０度以上１１０度以下の範
   囲内の角度でほぼ垂直に交差するように形成する工程
   と、 前記窒化物半導体層に接して、前記量子井戸構造活性層
   を形成する工程と、 を有することを特徴とする請求項６記載の窒化物系半導
   体発光素子の製造方法。
10. 【請求項１０】 前記窒化物半導体層の表面の凹凸を形
    成する２種類のストライプ状平面は、周期構造をなす方
    向に対する平面の幅が、基板表面とほぼ垂直に交差して
    いる平面では１０ｎｍ以上であり、もう一方の平面では
    ２００ｎｍ以下であるように形成される工程を有するこ
    とを特徴とする請求項９記載の窒化物系半導体発光素子
    の製造方法。