JP2003023217A

JP2003023217A - 発光素子

Info

Publication number: JP2003023217A
Application number: JP2001206093A
Authority: JP
Inventors: Tomokimi Hino; 智公日野; Shigetaka Tomitani; 茂隆冨谷
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 2001-07-06
Filing date: 2001-07-06
Publication date: 2003-01-24

Abstract

(57)【要約】【課題】クラッド層とガイド層との間に生じる歪み、
またはコンタクト層とクラッド層との間に生じる歪みを
緩和し、転位などの結晶欠陥の発生を抑制することがで
きる発光素子を提供する。【解決手段】ｎ型ＡｌＧａＮ混晶よりなるクラッド層
１４とｎ型ＧａＮよりなるガイド層１５との間に、アル
ミニウムの組成がクラッド層１４とガイド層１５との間
で、格子定数がクラッド層１４とガイド層１５との間の
中間層２０を備えている。これにより、格子定数差およ
び熱膨張係数差によりクラッド層１４とガイド層１５と
の間に生じる歪みが緩和され、転位などの結晶欠陥の発
生が抑制される。よって、電圧の印加による劣化が起こ
りにくく、使用による動作電流の上昇が抑えられ、素子
寿命を長くすることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、窒化物半導体より
なるクラッド層およびガイド層を有する発光素子、また
は窒化物半導体よりなるコンタクト層およびクラッド層
を有する発光素子に関する。

【０００２】

【従来の技術】ＧａＮ，ＡｌＧａＮ混晶あるいはＡｌＧ
ａＩｎＮ混晶などの窒化物半導体は、可視領域から紫外
領域までの発光を得ることができる発光素子の構成材料
として有望視されている。特に、窒化物半導体を用いた
発光ダイオード（ＬＥＤ；Light Emitting Diode）につ
いては既に実用化が図られており、大きな注目を集めて
いる。また、窒化物半導体を用いた半導体レーザ（Ｌ
Ｄ；Laser Diode ）の実現も報告されており、光ディス
ク装置の光源を初めとした応用が期待されている。

【０００３】ところで、窒化物半導体を用いた従来の発
光素子は、一般に、ＳＣＨ（Separate Confinement Het
erostructure）構造を有している。例えば、半導体レー
ザの場合、基板の上に、ｎ型ＧａＮよりなるコンタクト
層，ｎ型ＡｌＧａＮ混晶よりなるクラッド層，ｎ型Ｇａ
Ｎよりなるガイド層，ＩｎＧａＮ混晶よりなる活性層，
ｐ型ＧａＮよりなるガイド層，ｐ型ＡｌＧａＮ混晶より
なるクラッド層，ｐ型ＧａＮよりなるコンタクト層が順
次積層された構造を有している。

【０００４】このような発光素子を製造する際、基板と
しては通常サファイア（α−Ａｌ₂Ｏ₃）が用いられて
いるが、サファイアと窒化物半導体とでは格子定数差あ
るいは熱膨張係数差が大きく、半導体層中に歪みを緩和
するために貫通転位などの結晶欠陥が発生してしまい、
この結晶欠陥が寿命を悪化させる要因の一つとなってい
る。そこで、近年、貫通転位密度を低減する方法とし
て、横方向成長により半導体層を形成する技術が提案さ
れ、長寿命化が図られている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
方法により製造した発光素子においても、場合によって
は、寿命が延びないという問題があった。そこで、その
原因を調査したところ、寿命の短い発光素子には、クラ
ッド層とガイド層との界面あるいはコンタクト層とのク
ラッド層との界面に格子定数差あるいは熱膨張係数差に
起因する歪みにより発生したと考えられる転位が、ｃ面
内方向に延長させて存在することが分かった。長寿命の
発光素子にはこのような転位は存在しないことから、寿
命の悪化を律速している大きな要因の一つにこの転位な
どの結晶欠陥の存在が考えられる。

【０００６】本発明はかかる問題点に鑑みてなされたも
ので、その目的は、クラッド層とガイド層との間に生じ
る歪み、あるいはコンタクト層とクラッド層との間に生
じる歪みを緩和し、転位などの結晶欠陥の発生を抑制す
ることができる発光素子を提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明による第１の発光
素子は、窒化物半導体よりそれぞれなるクラッド層およ
びガイド層を有するものであって、クラッド層とガイド
層との間に、クラッド層とガイド層との間に生じる歪み
を緩和する中間層を備えたものである。

【０００８】本発明による第２の発光素子は、窒化物半
導体よりそれぞれなるクラッド層およびガイド層を有す
るものであって、クラッド層とガイド層との間に、クラ
ッド層の格子定数とガイド層の格子定数との間の格子定
数を有する中間層を備えたものである。

【０００９】本発明による第３の発光素子は、窒化物半
導体よりそれぞれなるクラッド層およびガイド層を有す
るものであって、クラッド層はアルミニウム（Ａｌ）を
含有すると共に、クラッド層とガイド層との間に、アル
ミニウムの組成がクラッド層よりも小さくガイド層より
も大きい窒化物半導体よりなる中間層を備えたものであ
る。

【００１０】本発明による第４の発光素子は、窒化物半
導体よりそれぞれなるクラッド層およびガイド層を有す
るものであって、クラッド層とガイド層との間に、イン
ジウム（Ｉｎ）を含有する窒化物半導体よりなる中間層
を備えたものである。

【００１１】本発明による第５の発光素子は、窒化物半
導体よりそれぞれなるクラッド層およびガイド層を有す
るものであって、ガイド層は、アルミニウムを含有する
ものである。

【００１２】本発明による第６の発光素子は、窒化物半
導体よりそれぞれなるコンタクト層およびクラッド層を
有するものであって、コンタクト層とクラッド層との間
に、コンタクトとクラッド層との間に生じる歪みを緩和
する中間層を備えたものである。

【００１３】本発明による第７の発光素子は、窒化物半
導体よりそれぞれなるコンタクト層およびクラッド層を
有するものであって、コンタクト層とクラッド層との間
に、コンタクト層の格子定数とクラッド層の格子定数と
の間の格子定数を有する中間層を備えたものである。

【００１４】本発明による第８の発光素子は、窒化物半
導体よりそれぞれなるコンタクト層およびクラッド層を
有するものであって、クラッド層はアルミニウムを含有
すると共に、コンタクト層とクラッド層との間に、アル
ミニウムの組成がコンタクト層よりも大きくクラッド層
よりも小さい窒化物半導体よりなる中間層を備えたもの
である。

【００１５】本発明による第９の発光素子は、窒化物半
導体よりそれぞれなるコンタクト層およびクラッド層を
有するものであって、コンタクト層とクラッド層との間
に、インジウムを含有する窒化物半導体よりなる中間層
を備えたものである。

【００１６】本発明による第１ないし第５の発光素子で
は、クラッド層とガイド層との間に中間層を備えている
ので、またはガイド層がアルミニウムを含有しているの
で、クラッド層とガイド層との間に生じる歪みが緩和さ
れ、転位などの結晶欠陥の発生が抑制される。

【００１７】本発明による第６ないし第９の発光素子で
は、コンタクト層とクラッド層との間に中間層を備えて
いるので、コンタクト層とクラッド層との間に生じる歪
みが緩和され、転位などの結晶欠陥の発生が抑制され
る。

【００１８】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て、図面を参照して詳細に説明する。

【００１９】（第１の実施の形態）図１は、本発明の第
１の実施の形態に係る発光素子である半導体レーザの構
成を表すものである。この半導体レーザは、基板１１の
一面側に、離間して設けられた複数の種結晶層１２と、
これらの種結晶層１２を基礎として順次成長させたコン
タクト層１３、クラッド層１４、ガイド層１５、活性層
１６、ガイド層１７、クラッド層１８およびコンタクト
層１９を有している。また、クラッド層１４とガイド層
１５との間には、中間層２０が設けられている。

【００２０】基板１１は、例えば、積層方向における厚
さ（以下、単に厚さという）が８０μｍ程度のサファイ
ア（α−Ａｌ₂Ｏ₃）により構成されており、種結晶層
１２およびコンタクト層１３などはこの基板１１のｃ面
に形成されている。

【００２１】種結晶層１２，コンタクト層１３，クラッ
ド層１４，中間層２０，ガイド層１５，活性層１６，ガ
イド層１７，クラッド層１８およびコンタクト層１９
は、窒化物半導体によりそれぞれ構成されている。な
お、窒化物半導体というのは、短周期型周期表における
３Ｂ族元素のうちの少なくとも１種と、短周期型周期表
における５Ｂ族元素のうちの少なくとも窒素（Ｎ）とを
含む化合物半導体のことをいう。

【００２２】種結晶層１２は、例えば、不純物が添加さ
れていないｕｎｄｏｐｅ−ＧａＮあるいはｎ型不純物と
してケイ素（Ｓｉ）を添加したｎ型ＧａＮにより構成さ
れている。この種結晶層１２は、例えば、帯状（図１に
おいては紙面に対して垂直な方向に延長された帯状）と
されており、ストライプ状に配置されている。

【００２３】コンタクト層１３は、例えば、厚さが３μ
ｍであり、ｎ型不純物としてケイ素を添加したｎ型Ｇａ
Ｎにより構成されている。このコンタクト層１３は、種
結晶層１２の離間領域に対応して、種結晶層１２の側壁
面を基礎として種結晶層１２の配列方向（横方向）に成
長した横方向成長領域を有している。この横方向成長領
域は、種結晶層１２からの貫通転位が伝播しにくく、転
位密度が低くなっている。これにより、コンタクト層１
３の上に積層されているクラッド層１４からコンタクト
層１９までの半導体層についても、横方向成長領域に対
応する転位密度が低くなっている。

【００２４】クラッド層１４は、例えば、厚さが１μｍ
であり、ｎ型不純物としてケイ素を添加したｎ型ＡｌＧ
ａＮ混晶により構成されている。ガイド層１５は、例え
ば、厚さが０．１μｍであり、ｎ型不純物としてケイ素
を添加したｎ型ＧａＮにより構成されている。このガイ
ド層１５は、クラッド層１４のバンドギャップと活性層
１６のバンドギャップとの間のバンドギャップを有して
いる。

【００２５】活性層１６は、例えば、厚さが３０ｎｍで
あり、組成の異なるＧａ_yＩｎ_1-yＮ（但し、０≦ｙ≦
１）混晶層を積層した多重量子井戸構造を有している。
この活性層１６は、少なくとも一部が発光部として機能
する。

【００２６】ガイド層１７は、例えば、厚さが０．１μ
ｍであり、ｐ型不純物としてマグネシウム（Ｍｇ）を添
加したｐ型ＧａＮにより構成されている。クラッド層１
８は例えば、厚さが０．８μｍであり、ｐ型不純物とし
てマグネシウムを添加したｐ型ＡｌＧａＮ混晶により構
成されている。

【００２７】コンタクト層１９は、例えば、厚さが０．
５μｍであり、ｐ型不純物としてマグネシウムを添加し
たｐ型ＧａＮにより構成されている。コンタクト層１９
およびクラッド層１８の一部は細い帯状（図１において
は紙面に対して垂直な方向に延長された帯状）とされて
いる。これにより、この半導体レーザでは電流狭窄を行
い、活性層１６の、コンタクト層１９に対応する領域が
発光部として機能するようになっている。

【００２８】中間層２０は、例えば、厚さが０．０２μ
ｍであり、ｎ型不純物としてケイ素を添加したｎ型Ａｌ
ＧａＮ混晶により構成されている。中間層２０における
アルミニウムの組成は、クラッド層１４よりも小さく、
ガイド層１５よりも大きくなっている。具体的には、ク
ラッド層１４におけるアルミニウムの組成の例えば半分
であることが好ましい。あるいは、クラッド層１４とガ
イド層１５との間で、クラッド層１４の側からガイド層
１５の側にかけて徐々に減少していてもよい。

【００２９】図２はＡｌ_xＧａ_1-xＮ（但し、０≦ｘ≦
１）混晶におけるアルミニウムの組成ｘと格子定数ｃと
の関係を表すものである（J. Vac. Technol. B, Vol.1
0, No.4, Jul/Aug (1992), 1253より引用）。なお、図
２に示したアルミニウムの組成ｘと格子定数ｃとの関係
は、予想線により表している。図２から分かるように、
ＡｌＧａＮ混晶では、アルミニウムの組成が大きくなる
と格子定数ｃが小さくなる傾向が見られる。なお、Ａｌ
ＧａＮ混晶におけるアルミニウムの組成ｘと格子定数ａ
との関係も、図２に準ずるものと考えられる。

【００３０】すなわち、中間層２０の格子定数は、クラ
ッド層１４の格子定数とガイド層１５の格子定数との間
の値を有している。具体的には、クラッド層１４とガイ
ド層１５との例えば中間値であることが好ましい。ある
いは、クラッド層１４とガイド層１５との間で、クラッ
ド層１４の側からガイド層１５の側にかけて徐々に増加
していてもよい。これにより、この半導体レーザでは、
格子定数差および熱膨張係数差によりクラッド層１４と
ガイド層１５との間に生じる歪みを緩和し、転位などの
結晶欠陥の発生を抑制するようになっている。

【００３１】図１に戻って説明を続けると、この半導体
レーザでは、また、共振器方向に対して垂直な方向にお
けるコンタクト層１３の幅が、クラッド層１４、中間層
２０、ガイド層１５、活性層１６、ガイド層１７、クラ
ッド層１８およびコンタクト層１９の幅よりも広くなっ
ており、コンタクト層１３の一部に、クラッド層１４、
中間層２０、ガイド層１５、活性層１６、ガイド層１
７、クラッド層１８およびコンタクト層１９が積層され
ている。

【００３２】コンタクト層１３からコンタクト層１９の
表面には、例えば二酸化ケイ素（ＳｉＯ₂）よりなる絶
縁膜２１が形成されている。この絶縁膜２１にはコンタ
クト層１３およびコンタクト層１９に対応して開口がそ
れぞれ設けられており、コンタクト層１３およびコンタ
クト層１９の上には、これらの開口に対応してｎ側電極
２２およびｐ側電極２３がそれぞれ形成されている。ｎ
側電極２２は、例えばチタン（Ｔｉ），アルミニウムお
よび金（Ａｕ）を順次積層して熱処理により合金化した
構造を有しており、コンタクト層１３と電気的に接続さ
れている。ｐ側電極２３は、例えばパラジウム（Ｐ
ｄ），白金（Ｐｔ）および金が順次積層された構造を有
しており、コンタクト層１９と電気的に接続されてい
る。

【００３３】更に、この半導体レーザでは、ｐ側電極２
３の延長方向（すなわち共振器方向）において対向する
一対の側面が共振器端面となっており、一対の共振器端
面には図示しない一対の反射鏡膜がそれぞれ形成されて
いる。これら一対の反射鏡膜のうち一方は低反射率とな
るように、他方は高反射率となるように反射率がそれぞ
れ調整されている。これにより、活性層１６において発
生した光は一対の反射鏡膜の間を往復して増幅され、低
反射率側の反射鏡膜からレーザビームとして出射するよ
うになっている。

【００３４】このような構成を有する半導体レーザは、
例えば、次のようにして製造することができる。

【００３５】まず、例えば、厚さ４００μｍのサファイ
アよりなる基板１１を用意し、この基板１１のｃ面上
に、ＭＯＣＶＤ（ Metal Organic Chemical Vapor Depo
sition; 有機金属化学気相成長）法により、ｕｎｄｏｐ
ｅ−ＧａＮよりなる図示しない結晶成長層を成長させ
る。そののち、例えば、この結晶成長層の上に図示しな
いマスク層を形成し、このマスク層を利用してＲＩＥ
（Reactive Ion Etching；反応性イオンエッチング）に
より結晶成長層を選択的に除去し、種結晶層１２を形成
する。

【００３６】その際、結晶成長層と共に基板１１の一部
も選択的に除去し、結晶成長層の除去領域（すなわち種
結晶層１２の離間領域）に対応して、基板１１に凹部を
形成するようにすることが好ましい。後続のコンタクト
層１３の形成工程において、コンタクト層１３が基板１
１に接触して欠陥が発生してしまうことを防止するため
である。そののち、マスク層を除去する。

【００３７】種結晶層１２を形成したのち、例えば、Ｍ
ＯＣＶＤ法により種結晶層１２を基礎としてｎ型ＧａＮ
よりなるコンタクト層１３を成長させる。このとき、コ
ンタクト層１３のうち横方向成長領域では、種結晶層１
２からの貫通転位があまり伝播されず、転位密度が低く
なる。

【００３８】コンタクト層１３を成長させたのち、コン
タクト層１３の上に、例えば、ＭＯＣＶＤ法により、ｎ
型ＡｌＧａＮ混晶よりなるクラッド層１４、ｎ型ＡｌＧ
ａＮ混晶よりなる中間層２０，ｎ型ＧａＮよりなるガイ
ド層１５および不純物を添加しないｕｎｄｏｐｅ−Ｇａ
_xＩｎ_1-xＮ混晶よりなる活性層１６、ｐ型ＧａＮより
なるガイド層１７，ｐ型ＡｌＧａＮ混晶よりなるクラッ
ド層１８およびｐ型ＧａＮよりなるコンタクト層１９を
順次成長させる。

【００３９】なお、ＭＯＣＶＤを行う際、ガリウムの原
料ガスとしては例えばトリメチルガリウム（（ＣＨ₃）
₃Ｇａ）、アルミニウムの原料ガスとしては例えばトリ
メチルアルミニウム（（ＣＨ₃）₃Ａｌ）、インジウム
の原料ガスとしては例えばトリメチルインジウム（（Ｃ
Ｈ₃）₃Ｉｎ）、窒素の原料ガスとしては例えばアンモ
ニア（ＮＨ₃）をそれぞれ用いる。また、ケイ素の原料
ガスとしては例えばモノシラン（ＳｉＨ₃）を用い、マ
グネシウムの原料ガスとしては例えばビス＝シクロペン
タジエニルマグネシウム（（Ｃ₅Ｈ₅）₂Ｍｇ）を用い
る。

【００４０】コンタクト層１９を成長させたのち、コン
タクト層１９の上に図示しないマスク層を形成し、この
マスク層を利用してコンタクト層１９およびクラッド層
１８の一部を選択的に除去して、クラッド層１８の上部
およびコンタクト層１９を細い帯状とする。そののち、
図示しないマスク層を除去し、再び、全面（すなわちク
ラッド層１８およびコンタクト層１９の上）に図示しな
いマスク層を形成し、クラッド層１８，ガイド層１７，
活性層１６，ガイド層１５，中間層２０、クラッド層１
４およびコンタクト層１３の一部を選択的に除去して、
コンタクト層１３の一部を表面に露出させる。

【００４１】コンタクト層１３の一部を表面に露出させ
たのち、図示しないマスク層を除去し、全面（すなわち
コンタクト層１３，クラッド層１８およびコンタクト層
１９の上）に、例えば蒸着法により二酸化ケイ素よりな
る絶縁膜２１を形成する。絶縁膜２１を形成したのち、
絶縁膜２１の上に、図示しないレジスト膜を塗布形成
し、このレジスト膜をマスクとして絶縁膜２１を選択的
に除去し、コンタクト層１３を露出させる。そののち、
全面（すなわちコンタクト層１３および図示しないレジ
スト膜の上）に、例えば真空蒸着法によりチタン，アル
ミニウムおよび金を順次蒸着し、図示しないレジスト膜
をその上に形成された金属と共に除去（リフトオフ）し
て合金化し、ｎ側電極２２を形成する。

【００４２】ｎ側電極２２を形成したのち、全面（すな
わち絶縁膜２１およびｎ側電極２２の上）に図示しない
レジスト膜を塗布形成し、このレジスト膜をマスクとし
て絶縁膜２１を選択的に除去し、コンタクト層１９を露
出させる。そののち、全面（すなわちコンタクト層１９
およびレジスト膜の上）に、例えば、パラジウム，白金
および金を選択的に順次蒸着し、レジスト膜をその上に
積層された金属と共に除去（リフトオフ）し、ｐ側電極
２３を形成する。

【００４３】ｐ側電極２３を形成したのち、基板１１を
例えば８０μｍ程度の厚さとなるように研削する。基板
１１を研削したのち、基板１１を所定の大きさに整え、
ｐ側電極２３の延長方向（すなわち共振器方向）におい
て対向する一対の共振器端面に図示しない反射鏡膜を形
成する。これにより、図１に示した半導体レーザが完成
する。

【００４４】この半導体レーザは、次のように作用す
る。

【００４５】この半導体レーザでは、ｎ側電極２２とｐ
側電極２３との間に所定の電圧が印加されると、活性層
１６に電流が注入されて、電子−正孔再結合により発光
が起こる。この光は、図示しない反射鏡膜により反射さ
れ、その間を往復し、レーザ発振を生じ、レーザビーム
として外部に出射される。ここでは、クラッド層１４と
ガイド層１５との間に、アルミニウムの組成がクラッド
層１４とガイド層１５との間で、格子定数がクラッド層
１４とガイド層１５との間の中間層２０を備えているの
で、格子定数差および熱膨張係数差によりクラッド層１
４とガイド層１５との間に生じる歪みが緩和され、転位
などの結晶欠陥の発生が抑制される。よって、電圧の印
加による劣化が起こりにくく、使用による動作電流の上
昇が抑えられ、素子の寿命が長くなる。

【００４６】このように本実施の形態によれば、クラッ
ド層１４とガイド層１５との間に、アルミニウムの組成
がクラッド層１４とガイド層１５との間で、格子定数が
クラッド層１４とガイド層１５との間の中間層２０を備
えるようにしたので、格子定数差および熱膨張係数差に
よりクラッド層１４とガイド層１５との間に生じる歪み
を緩和し、転位などの結晶欠陥の発生を抑制することが
できる。よって、電圧の印加による劣化が起こりにく
く、使用による動作電流の上昇が抑えられ、素子寿命を
長くすることができる。

【００４７】（第２の実施の形態）図３は、本発明の第
２の実施の形態に係る半導体レーザの一部を拡大して表
すものである。この半導体レーザは、クラッド層１４お
よび中間層２０に代えて、クラッド層３４および中間層
４０を備えたことを除き、第１の実施の形態と同一の構
成，作用および効果を有しており、同様にして製造する
ことができる。よって、ここでは、同一の構成要素には
同一の符号を付し、同一部分についての詳細な説明を省
略する。

【００４８】クラッド層３４は、例えば、ＡｌＧａＮ混
晶層３４Ａ，３４Ｃ，３４Ｅと、ＧａＮ層３４Ｂ，３４
Ｄ，３４Ｆとを、交互に積層した超格子構造を有してい
る。ＡｌＧａＮ混晶層３４Ａ，３４Ｃ，３４ＥおよびＧ
ａＮ層３４Ｂ，３４Ｄ，３４Ｆは、ｎ型不純物が添加さ
れることにより共にｎ型とされていてもよく、また、い
ずれか一方のみにｎ型不純物が添加され、一方には不純
物が添加されていなくてもよい。このような超格子構造
とすれば、抵抗を低くすることができるので好ましい。
ＡｌＧａＮ混晶層３４Ａ，３４Ｃ，３４Ｅと、ＧａＮ層
３４Ｂ，３４Ｄ，３４Ｆとの積層数は、図３では３層づ
つとしたがこれに限定されず、また互いに同一でなくて
もよい。

【００４９】中間層４０もまた、例えば、ＡｌＧａＮ混
晶層４０Ａ，４０Ｃ，４０Ｅと、ＧａＮ層４０Ｂ，４０
Ｄ，４０Ｆとを、交互に積層した超格子構造を有してい
る。ＡｌＧａＮ混晶層４０Ａ，４０Ｃ，４０ＥおよびＧ
ａＮ層４０Ｂ，４０Ｄ，４０Ｆは、ｎ型不純物が添加さ
れることにより共にｎ型とされていてもよく、いずれか
一方のみにｎ型不純物が添加され、一方には不純物が添
加されていなくてもよい。このような超格子構造とすれ
ば、抵抗を低くすることができるので好ましい。ＡｌＧ
ａＮ混晶層４０Ａ，４０Ｃ，４０Ｅと、ＧａＮ層４０
Ｂ，４０Ｄ，４０Ｆとの積層数は、図３では３層づつと
したがこれに限定されず、また互いに同一でなくてもよ
い。

【００５０】中間層４０におけるアルミニウムの組成
は、第１の実施の形態と同様に、クラッド層３４よりも
小さく、ガイド層１５よりも大きくなっている。なお、
中間層４０およびクラッド層３４におけるアルミニウム
の組成は、層全体で平均した値を意味している。具体的
には、ＡｌＧａＮ混晶層４０Ａ，４０Ｃ，４０Ｅにおけ
るアルミニウムの組成を、ＡｌＧａＮ混晶層３４Ａ，３
４Ｃ，３４Ｅにおけるアルミニウムの組成の例えば半分
とすることが好ましい。あるいは、ＡｌＧａＮ混晶層４
０Ａ，４０Ｃ，４０Ｅにおけるアルミニウムの組成を、
クラッド層３４の側よりもガイド層１５の側がより小さ
くするようにしてもよい。

【００５１】すなわち、中間層４０の格子定数は、第１
の実施の形態と同様に、クラッド層３４の格子定数とガ
イド層１５の格子定数との間の値を有している。なお、
中間層４０およびクラッド層３４の格子定数は、層全体
で平均した値を意味している。具体的には、ＡｌＧａＮ
混晶層４０Ａ，４０Ｃ，４０Ｅの格子定数を、ＡｌＧａ
Ｎ混晶層３４Ａ，３４Ｃ，３４Ｅとガイド層１５との例
えば中間値とすることが好ましい。あるいは、ＡｌＧａ
Ｎ混晶層４０Ａ，４０Ｃ，４０Ｅの格子定数を、クラッ
ド層３４の側よりもガイド層１５の側がより大きくなる
ようにしてもよい。

【００５２】このように本実施の形態によれば、クラッ
ド層３４および中間層４０が超格子構造を有するように
したので、抵抗を低くすることができ、動作電圧を低く
することができる。なお、クラッド層３４または中間層
４０のどちらか一方のみを超格子構造としてもよい。

【００５３】（第３の実施の形態）本実施の形態に係る
半導体レーザは、中間層２０の構成材料が異なることを
除き、第１の実施の形態と同一の構成、作用および効果
を有しており、同様にして製造することができる。よっ
て、ここでは、図１を参照して、同一の構成要素には同
一の符号を付し、同一部分についての詳細な説明を省略
する。

【００５４】中間層２０は、例えば、ｎ型不純物として
ケイ素を添加したｎ型ＡｌＧａＩｎＮ混晶により構成さ
れている。中間層２０におけるインジウムの組成は、層
内において一定でもよく、クラッド層１４の側からガイ
ド層１５の側にかけて徐々に大きくなっていてもよい。
中間層２０におけるアルミニウムの組成は、クラッド層
１４におけるアルミニウムの組成と同一でもよく、第１
の実施の形態と同様にクラッド層１４よりも小さくガイ
ド層１５よりも大きくてもよい。また、中間層２０にお
けるアルミニウムの組成は、層内において一定でもよ
く、クラッド層１４の側からガイド層１５の側にかけて
徐々に小さくなっていてもよい。

【００５５】表１にＩｎＮ，ＧａＮおよびＡｌＮの格子
定数ａ，ｃをそれぞれ示す。表１から分かるように、Ｉ
ｎＮはＧａＮおよびＡｌＮに比べて、格子定数ａ，ｃが
大きい。よって、ＡｌＧａＩｎＮ混晶は、アルミニウム
とインジウムとの組成に応じて、ＡｌＧａＮ混晶の格子
定数とＧａＮの格子定数との間の格子定数を有するもの
と推測される。従って、本実施の形態によっても、中間
層２０の格子定数を、クラッド層１４とガイド層１５と
の間の値とすることができる。

【００５６】

【表１】

【００５７】なお、本実施の形態においても、第２の実
施の形態と同様に、クラッド層１４および中間層２０の
うちの少なくとも一方を超格子構造としてもよい。

【００５８】（第４の実施の形態）図５は、本発明の第
４の実施の形態に係る半導体レーザの断面構成を表すも
のである。この半導体レーザは、中間層２０が削除さ
れ、ガイド層１５に代えて構成材料が異なるガイド層５
５を備えたことを除き、第１の実施の形態と同一の構
成，作用および効果を有しており、同様にして製造する
ことができる。よって、同一の構成要素には同一の符号
を付し、同一部分についての詳細な説明を省略する。

【００５９】ガイド層５５は、例えば、ｎ型不純物とし
てケイ素を添加したｎ型ＡｌＧａＮ混晶により構成され
ている。すなわち、クラッド層１４と同様にアルミニウ
ムを含むことにより、ガイド層５５とクラッド層１４と
の間の格子定数差および熱膨張係数差を小さくするよう
になっている。ガイド層５５におけるアルミニウムの組
成はクラッド層１４よりも小さく、ガイド層５５はクラ
ッド層１４と活性層１６との間のバンドギャップを有し
ている。なお、アルミニウムの組成は、ガイド層５５に
おいて一定でもよく、クラッド層１４の側から活性層１
６の側にかけて徐々に小さくなっていてもよい。

【００６０】このように本実施の形態によれば、ガイド
層５５を、クラッド層１４と同様にアルミニウムを含有
する窒化物半導体により構成するようにしたので、クラ
ッド層１４とガイド層５５との間の格子定数差および熱
膨張係数差を小さくすることができる。よって、第１の
実施の形態と同様に、クラッド層１４とガイド層５５と
の間に生じる歪みを緩和し、転位などの結晶欠陥の発生
を抑制することができる。

【００６１】なお、本実施の形態においても、第２の実
施の形態と同様に、クラッド層１４およびガイド層５５
のうちの少なくとも一方を超格子構造としてもよい。

【００６２】（第５の実施の形態）本実施の形態に係る
半導体レーザは、ガイド層５５の構成材料が異なること
を除き、第４の実施の形態と同一の構成、作用および効
果を有しており、同様にして製造することができる。よ
って、ここでは、図４を参照して、同一の構成要素には
同一の符号を付し、同一部分についての詳細な説明を省
略する。

【００６３】ガイド層５５は、例えば、ｎ型不純物とし
てケイ素を添加したｎ型ＡｌＧａＩｎＮ混晶により構成
されている。すなわち、ガイド層５５とクラッド層１４
との間の格子定数差および熱膨張係数差を小さくすると
共に、インジウムを含むことにより、ガイド層５５の光
学的特性を向上させることができるようになっている。

【００６４】ガイド層５５におけるアルミニウムの組成
は、クラッド層１４におけるアルミニウムの組成と同一
でも、クラッド層１４よりも小さくてもよく、また、層
内において一定でも、クラッド層１４の側から活性層１
６の側にかけて徐々に小さくなっていてもよい。ガイド
層５５におけるインジウムの組成は、層内において一定
でもよく、クラッド層１４の側から活性層１６の側にか
けて徐々に大きくなっていてもよい。

【００６５】このように本実施の形態によれば、ガイド
層５５を、アルミニウムおよびインジウムを含有する窒
化物半導体により構成するようにしたので、クラッド層
１４とガイド層５５との間の格子定数差および熱膨張係
数差を小さくすることができると共に、ガイド層５５の
光学的特性を向上させることができる。

【００６６】なお、本実施の形態においても、第２の実
施の形態と同様に、クラッド層１４およびガイド層５５
のうちの少なくとも一方を超格子構造としてもよい。

【００６７】（第６の実施の形態）図５は、本発明の第
６の実施の形態に係る半導体レーザの断面構成を表すも
のである。この半導体レーザは、中間層２０に代えて、
コンタクト層１３とクラッド層１４との間に中間層６０
を備えたことを除き、第１の実施の形態と同一の構成を
有しており、同様にして製造することができる。よっ
て、同一の構成要素には同一の符号を付し、同一部分に
ついての詳細な説明を省略する。

【００６８】中間層６０は、例えば、厚さが０．０２μ
ｍであり、ｎ型不純物としてケイ素を添加したｎ型Ａｌ
ＧａＮ混晶により構成されている。中間層６０における
アルミニウムの組成は、コンタクト層１３よりも大き
く、クラッド層１４よりも小さくなっている。具体的に
は、クラッド層１４におけるアルミニウムの組成の例え
ば半分であることが好ましい。あるいは、コンタクト層
１３とクラッド層１４との間で、コンタクト層１３の側
からクラッド層１４の側にかけて徐々に増加していても
よい。

【００６９】すなわち、中間層６０の格子定数は、コン
タクト層１３の格子定数とクラッド層１４の格子定数と
の間の値を有している。具体的には、コンタクト層１３
とガイド層１４との例えば中間値を有することが好まし
い。あるいは、コンタクト層１３とクラッド層１４との
間で、コンタクト層１３の側からクラッド層１４の側に
かけて徐々に減少していてもよい。これにより、この半
導体レーザでは、格子定数差および熱膨張係数差により
コンタクト層１３とクラッド層１４との間に生じる歪み
を緩和し、転位などの結晶欠陥の発生を抑制するように
なっている。

【００７０】このように本実施の形態によれば、コンタ
クト層１３とクラッド層１４との間に、アルミニウムの
組成がコンタクト層１３とクラッド層１４との間で、格
子定数がコンタクト層１３とクラッド層１４との間の中
間層６０を備えるようにしたので、格子定数差および熱
膨張係数差によりコンタクト層１３とクラッド層１４と
の間に生じる歪みを緩和し、転位などの結晶欠陥の発生
を抑制することができる。よって、第１の実施の形態と
同様に、電圧の印加による劣化が起こりにくく、使用に
よる動作電流の上昇が抑えられ、素子の寿命が長くな
る。

【００７１】なお、本実施の形態においても、第２の実
施の形態と同様に、クラッド層１４および中間層６０の
うちの少なくとも一方を超格子構造としてもよい。ま
た、第３の実施の形態と同様に、中間層６０をＡｌＧａ
ＩｎＮ混晶により構成するようにしてもよい。

【００７２】以上、実施の形態を挙げて本発明を説明し
たが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではな
く、種々変形可能である。例えば、上記実施の形態で
は、中間層２０，４０，６０を構成する材料について具
体例を挙げて説明したが、格子定数がクラッド層とガイ
ド層との間の値あるいはコンタクト層とクラッド層との
間の値を有するもであれば、またはクラッド層とガイド
層との間に生じる歪みあるいはコンタクト層とクラッド
層との間に生じる歪みを緩和できるものであれば、他の
材料により構成するようにしてもよい。

【００７３】また、上記実施の形態では、コンタクト層
１３，クラッド層１４，３４，ガイド層１５，５５，活
性層１６，ガイド層１７，クラッド層１８およびコンタ
クト層１９を構成する材料について具体例を挙げて説明
したが、これら各層を他の材料により構成するようにし
てもよい。この場合、中間層を構成する材料は、コンタ
クト層，クラッド層およびガイド層の組成に応じて決定
される。例えば、格子定数がクラッド層とガイド層との
間の値あるいはコンタクト層とクラッド層との間の値を
有するもの、またはアルミニウムの組成がクラッド層よ
りも小さくガイド層よりも大きいものあるいはコンタク
ト層よりも小さくクラッド層よりも大きいもの、または
インジウムあるいはアルミニウムおよびインジウムを含
むものとされる。また、ガイド層を構成する材料も、ク
ラッド層の組成に応じて、アルミニウムあるいはアルミ
ニウムおよびインジウムを含むものとされる。

【００７４】更に、上記実施の形態では、中間層２０，
４０，６０におけるアルミニウムあるいはインジウムの
組成を調整することにより、中間層２０，４０，６０の
格子定数をクラッド層１４，３４とガイド層１５との間
の値あるいはコンタクト層１３とクラッド層１４，３４
との間の値とするようにしたが、格子定数は必ずしもク
ラッド層とガイド層との間の値あるいはコンタクト層と
クラッド層との間の値でなくてもよい。中間層における
アルミニウムあるいはインジウムの組成を調整すること
により、クラッド層とガイド層との間に生じる熱膨張係
数差による歪みを緩和することができるからである。但
し、格子定数をクラッド層とガイド層との間の値あるい
はコンタクト層とクラッド層との間の値とするようにす
れば、熱膨張差による歪みに加えて格子定数差による歪
みも緩和することができるのでより好ましい。

【００７５】加えて、上記実施の形態では、中間層２
０，４０，６０を、ｎ型半導体よりなるクラッド層１
４，３４とガイド層１５との間、またはｎ型半導体より
なるコンタクト層１３とクラッド層１４，３４との間に
設けるようにしたが、ｐ型半導体よりなるクラッド層と
ガイド層との間、またはｐ型半導体よりなるコンタクト
層とｐ型クラッド層との間に設けるようにしてもよく、
これらの間のうちの２以上の間に設けるようにしてもよ
い。また、ｎ型のガイド層５５がアルミニウムあるいは
アルミニウムおよびインジウムを含むようにしたが、ｎ
型のガイド層に代えててあるいはｎ型のガイド層と共
に、ｐ型のガイド層を同様に構成するようにしてもよ
い。但し、基板側のクラッド層とガイド層との間あるい
はコンタクト層とクラッド層との間に中間層を設けるよ
うにすれば、また、基板側のガイド層を上述したように
構成するようにすれば、より高い効果を奏するので好ま
しい。

【００７６】更にまた、上記実施の形態では、半導体レ
ーザの構成について具体的に例を挙げて説明したが、本
発明は、他の構造を有する半導体レーザについても同様
に適用することができる。例えば、活性層とｐ型半導体
よりなるガイド層との間に電流ブロック層を備えていて
もよい。また、ｐ型半導体よりなるガイド層を細い帯状
とすること以外の他の構造により電流狭窄するようにし
てもよい。

【００７７】加えてまた、上記実施の形態では、基板１
１をサファイアにより構成するようにしたが、窒化ガリ
ウム，炭化ケイ素（ＳｉＣ），スピネル（ＭｇＡｌ₂Ｏ
₄）あるいはガリウムヒ素（ＧａＡｓ）などの他の材料
により構成するようにしてもよい。基板を例えば不純物
を添加した窒化ガリウムなどの導電材料により構成する
場合には、ｎ側電極をコンタクト層の上に直接設けるの
ではなく、基板の裏面側、すなわちｐ側電極と反対側に
設けるようにしてもよい。

【００７８】更にまた、上記実施の形態では、発光素子
として半導体レーザを具体例に挙げて説明したが、本発
明は、発光ダイオード（Light Emitting Diode ;ＬＥ
Ｄ）などの他の発光素子についても適用することができ
る。

【００７９】加えてまた、上記実施の形態では、窒化物
半導体を用いた発光素子について説明したが、本発明
は、他の半導体材料を用いた発光素子についても同様に
適用することができる。そのような発光素子としては、
例えば、アルミニウムとインジウムとを含むＡｌＧａＩ
ｎＰ混晶あるいはＡｌＧａＩｎＡｓ混晶などを用いたも
のが挙げられる。

【００８０】

【発明の効果】以上説明したように請求項１ないし請求
項１３のいずれか１項に記載の発光素子によれば、クラ
ッド層とガイド層との間に中間層を備えるようにしたの
で、またはガイド層がアルミニウムを含有するようにし
たので、クラッド層とガイド層との間に生じる歪みを緩
和することができ、転位などの結晶欠陥を抑制すること
ができる。よって、素子寿命を長くすることができる。

【００８１】また、請求項１４ないし請求項２２のいず
れか１項に記載の発光素子によれば、コンタクト層とク
ラッド層との間に中間層を備えるようにしたので、コン
タクト層とクラッド層との間に生じる歪みを緩和するこ
とがで、転位などの結晶欠陥を抑制することができる。
よって、素子寿命を長くすることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態に係る半導体レーザ
の構成を表す断面図である。

【図２】Ａｌ_xＧａ_1-xＮ混晶におけるアルミニウムの
組成ｘと格子定数ｃとの関係を表す特性図である。

【図３】本発明の第２の実施の形態に係る半導体レーザ
の一部を拡大して表す断面図である。

【図４】本発明の第４の実施の形態に係る半導体レーザ
の構成を表す断面図である。

【図５】本発明の第６の実施の形態に係る半導体レーザ
の構成を表す断面図である。

【符号の説明】

１１…基板、１２…種結晶層、１３，１９…コンタクト
層、１４，１８，３４…クラッド層、１５，１７，５５
…ガイド層、１６…活性層、２０，４０，６０…中間
層、２１…絶縁膜、２２…ｎ側電極、２３…ｐ側電極、
３４Ａ，３４Ｃ，３４Ｅ．４０Ａ，４０Ｃ，４０Ｅ…Ａ
ｌＧａＮ混晶層、３４Ｂ，３４Ｄ，３４Ｆ．４０Ｂ，４
０Ｄ，４０Ｆ…ＧａＮ層

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Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】窒化物半導体よりそれぞれなるクラッド
層およびガイド層を有する発光素子であって、前記クラッド層と前記ガイド層との間に、前記クラッド
層と前記ガイド層との間に生じる歪みを緩和する中間層
を備えたことを特徴とする発光素子。
【請求項２】前記クラッド層および前記ガイド層は、
ｎ型であることを特徴とする請求項１記載の発光素子。
【請求項３】窒化物半導体よりそれぞれなるクラッド
層およびガイド層を有する発光素子であって、前記クラッド層と前記ガイド層との間に、前記クラッド
層の格子定数と前記ガイド層の格子定数との間の格子定
数を有する中間層を備えたことを特徴とする発光素子。
【請求項４】前記クラッド層および前記ガイド層は、
ｎ型であることを特徴とする請求項３記載の発光素子。
【請求項５】窒化物半導体よりそれぞれなるクラッド
層およびガイド層を有する発光素子であって、前記クラッド層はアルミニウム（Ａｌ）を含有すると共
に、前記クラッド層と前記ガイド層との間に、アルミニ
ウムの組成が前記クラッド層よりも小さく前記ガイド層
よりも大きい窒化物半導体よりなる中間層を備えたこと
を特徴とする発光素子。
【請求項６】前記クラッド層および前記ガイド層は、
ｎ型であることを特徴とする請求項５記載の発光素子。
【請求項７】窒化物半導体よりそれぞれなるクラッド
層およびガイド層を有する発光素子であって、前記クラッド層と前記ガイド層との間に、インジウム
（Ｉｎ）を含有する窒化物半導体よりなる中間層を備え
たことを特徴とする発光素子。
【請求項８】前記中間層は、アルミニウム（Ａｌ）を
更に含有することを特徴とする請求項７記載の発光素
子。
【請求項９】前記クラッド層および前記ガイド層は、
ｎ型であることを特徴とする請求項７記載の発光素子。
【請求項１０】クラッド層およびガイド層を有する発
光素子であって、前記ガイド層は、アルミニウム（Ａ
ｌ）を含有することを特徴とする発光素子。
【請求項１１】前記ガイド層は、更に、インジウム
（Ｉｎ）を含有することを特徴とする請求項１０記載の
発光素子。
【請求項１２】前記クラッド層および前記ガイド層は
窒化物半導体よりそれぞれなることを特徴とする請求項
１０記載の発光素子。
【請求項１３】前記ガイド層はｎ型であることを特徴
とする請求項１０記載の発光素子。
【請求項１４】窒化物半導体よりそれぞれなるコンタ
クト層およびクラッド層を有する発光素子であって、前記コンタクト層と前記クラッド層との間に、前記コン
タクト層と前記クラッド層との間に生じる歪みを緩和す
る中間層を備えたことを特徴とする発光素子。
【請求項１５】前記コンタクト層および前記クラッド
層は、ｎ型であることを特徴とする請求項１４記載の発
光素子。
【請求項１６】窒化物半導体よりそれぞれなるコンタ
クト層およびクラッド層を有する発光素子であって、前記コンタクト層と前記クラッド層との間に、前記コン
タクト層の格子定数と前記クラッド層の格子定数との間
の格子定数を有する中間層を備えたことを特徴とする発
光素子。
【請求項１７】前記コンタクト層および前記クラッド
層は、ｎ型であることを特徴とする請求項１６記載の発
光素子。
【請求項１８】窒化物半導体よりそれぞれなるコンタ
クト層およびクラッド層を有する発光素子であって、前記クラッド層はアルミニウム（Ａｌ）を含有すると共
に、前記コンタクト層と前記クラッド層との間に、アル
ミニウムの組成が前記コンタクト層よりも大きく前記ク
ラッド層よりも小さい窒化物半導体よりなる中間層を備
えたことを特徴とする発光素子。
【請求項１９】前記コンタクト層および前記クラッド
層は、ｎ型であることを特徴とする請求項１８記載の発
光素子。
【請求項２０】窒化物半導体よりそれぞれなるコンタ
クト層およびクラッド層を有する発光素子であって、前記コンタクト層と前記クラッド層との間に、インジウ
ム（Ｉｎ）を含有する窒化物半導体よりなる中間層を備
えたことを特徴とする発光素子。
【請求項２１】前記中間層は、アルミニウム（Ａｌ）
を更に含有することを特徴とする請求項２０記載の発光
素子。
【請求項２２】前記コンタクト層および前記クラッド
層は、ｎ型であることを特徴とする請求項２０記載の発
光素子。