JP2004247503A - 窒化物半導体素子およびその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】特性が高く、かつ、再現性、歩留まり、生産性が高い窒化物半導体素子およびその製造方法を提供する。
【解決手段】窒化物半導体からなる活性層と、前記活性層上に形成され少なくともガリウムと窒素とを含む窒化物半導体からなる第１の窒化物半導体層と、前記第１の窒化物半導体層上に当該層に接して形成され、少なくともガリウムと窒素とを含む窒化物半導体からなり、ｐ型不純物濃度が前記第１の窒化物半導体層よりも高い第２の窒化物半導体層と、前記第２の窒化物半導体層上に当該層に接して形成され、少なくともアルミニウムと窒素とを含み前記第１および第２の窒化物半導体よりもアルミニウム組成が高い窒化物半導体からなり、前記第１の窒化物半導体層および前記第２の窒化物半導体層よりもバンドギャップが大きく、ｐ型不純物濃度が前記第１の窒化物半導体層よりも高い第３の窒化物半導体層と、を備えることを特徴とする窒化物半導体素子を提供する。
【選択図】 図５
【解決手段】窒化物半導体からなる活性層と、前記活性層上に形成され少なくともガリウムと窒素とを含む窒化物半導体からなる第１の窒化物半導体層と、前記第１の窒化物半導体層上に当該層に接して形成され、少なくともガリウムと窒素とを含む窒化物半導体からなり、ｐ型不純物濃度が前記第１の窒化物半導体層よりも高い第２の窒化物半導体層と、前記第２の窒化物半導体層上に当該層に接して形成され、少なくともアルミニウムと窒素とを含み前記第１および第２の窒化物半導体よりもアルミニウム組成が高い窒化物半導体からなり、前記第１の窒化物半導体層および前記第２の窒化物半導体層よりもバンドギャップが大きく、ｐ型不純物濃度が前記第１の窒化物半導体層よりも高い第３の窒化物半導体層と、を備えることを特徴とする窒化物半導体素子を提供する。
【選択図】 図５
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、窒化物半導体素子に関し、特に窒化物半導体レーザに関する。
【０００２】
【従来の技術】
窒化物半導体は、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ、等の窒素を含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体であり、バンドギャップが約３ｅＶと大きく、直接遷移型であり、短波長発光素子用材料として利用が急速に拡大している。特に、窒化物半導体を活性層に用い、波長４０５ｎｍ前後の青紫色光を放射する半導体レーザは、ＤＶＤ用の光源等として、製品化が進んでいる。
【０００３】
図７は、従来の窒化物半導体レーザの一例を示す図である。サファイア基板３０１上に、低温成長ＧａＮからなる低温バッファー層３０２、ＧａＮからなるバッファー層３０３、ＧａＮからなるラテラル成長層３０５、ＳｉドープＧａＮからなるｎ側コンタクト層３０６、Ｓｉドープｎ側クラッド層３０７、ＧａＮからなるｎ側ガイド層３０８、多重量子井戸構造のＩｎＧａＮ／ＩｎＧａＮからなる活性層３０９、が順次形成されている。この活性層３０９上には、アンドープＧａＮからなる膜厚２０〜４０ｎｍのｐ側光導波層３１０が形成されている。このｐ側光導波層３１０上には、ＭｇドープＡｌＧａＮからなるキャップ層３１２、ＭｇドープＡｌＧａＮとＧａＮとを交互に多周期積層した超格子構造からなるｐ側クラッド層３１３、ＭｇドープＧａＮからなるｐ側コンタクト層３１４、が順次形成されている。このｐ側コンタクト層３１４、ｐ側クラッド層３１３の一部はエッチングによりリッジ状に形成される。そして、ｐ側コンタクト層３１４上には一方側の電極であるｐ側電極３１６が形成されている。他方側の電極であるｎ側電極３１７は、エッチングにより露出されたｎ側コンタクト層３０６上の一部に形成されている。これらのｐ側電極３１６およびｎ側電極３１７以外の部分の素子表面には、絶縁膜３１５が形成されている。このような半導体レーザは、例えば、特開２００２−２６１３９５号公報（特に図６）に示されている。
【０００４】
この図７の窒化物半導体レーザでは、活性層３０９にｐ型不純物であるＭｇが含まれないようにして、活性層３０９の内部吸収損失を減らし、光出力が高くなるようにしている。また、活性層３０９へのｐ側不純物の拡散を防止するため、この活性層３０９の直上のｐ側光導波層３１０をアンドープにしている。また、キャップ層３１２をバンドギャップが大きいＡｌＧａＮにより構成して、活性層３０９からｐ型クラッド層３１３へのキャリアの漏洩（オーバーフロー）を効果的に防止している。また、このＡｌＧａＮからなるキャップ層３１２を、高濃度のＭｇがドープされるように設計している（例えば、特許文献２参照。）。Ａｌが混ざった窒化物半導体（ＡｌＧａＮ）は、ｐ型不純物の活性化率が低く、正孔濃度が低くなりやすいので、高濃度のＭｇをドープして、正孔濃度が高くなるようにする。
【０００５】
このように、従来の窒化物半導体レーザでは、キャップ層３１２を、バンドギャップが大きいＡｌＧａＮからなり、かつ、ｐ型不純物濃度が高くなるように設計して、特性が高くなるようにしている。これにより、実用可能なレベルの特性が得られるようになっている。
【０００６】
【特許文献１】
特開２００２−２６１３９５号公報
【特許文献２】
特許第３３１４６６６号明細書
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上記のように、窒化物半導体レーザでは、実用可能なレベルの特性が得られるようになっている。しかし、従来の窒化物半導体レーザには、他の材料系の半導体レーザに比べ、再現性、歩留まり、および生産性が悪いという問題があった。
【０００８】
本発明は、かかる課題の認識に基づくもので、その目的は、特性が高く、かつ、再現性、歩留まり、生産性が高い窒化物半導体素子およびその製造方法を提供することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明の窒化物半導体素子は、窒化物半導体からなる活性層と、前記活性層上に形成され少なくともガリウムと窒素とを含む窒化物半導体からなる第１の窒化物半導体層と、前記第１の窒化物半導体層上に当該層に接して形成され、少なくともガリウムと窒素とを含む窒化物半導体からなり、ｐ型不純物濃度が前記第１の窒化物半導体層よりも高い第２の窒化物半導体層と、前記第２の窒化物半導体層上に当該層に接して形成され、少なくともアルミニウムと窒素とを含み前記第１および第２の窒化物半導体よりもアルミニウム組成が高い窒化物半導体からなり、前記第１の窒化物半導体層および前記第２の窒化物半導体層よりもバンドギャップが大きく、ｐ型不純物濃度が前記第１の窒化物半導体層よりも高い第３の窒化物半導体層と、を備えることを特徴とする。
【００１０】
また、本発明の窒化物半導体素子は、少なくともアルミニウムと窒素とを含む窒化物半導体からなるｎ型クラッド層と、前記ｎ型クラッド層上に形成され窒化物半導体からなる活性層と、前記活性層上に形成され少なくともガリウムと窒素とを含む窒化物半導体からなる第１の窒化物半導体層と、前記第１の窒化物半導体層上に形成され、少なくともガリウムと窒素とを含む窒化物半導体からなり、ｐ型不純物濃度が前記第１の窒化物半導体層よりも高い第２の窒化物半導体層と、前記第２の窒化物半導体層上に当該層に接して形成され、少なくともアルミニウムと窒素とを含み前記第１および第２の窒化物半導体よりもアルミニウム組成が高い窒化物半導体からなり、前記第１の窒化物半導体層および前記第２の窒化物半導体層よりもバンドギャップが大きく、ｐ型不純物濃度が前記第１の窒化物半導体層よりも高い第３の窒化物半導体層と、前記第３の窒化物半導体層上に形成され、少なくともアルミニウムと窒素とを含む窒化物半導体からなるｐ型クラッド層と、を備えることを特徴とする。
【００１１】
また、本発明の窒化物半導体素子の製造方法は、窒化物半導体からなる活性層を形成する工程と、前記活性層上に、ｐ型不純物原料を用いずに、少なくともガリウムと窒素とを含む窒化物半導体からなる第１の窒化物半導体層を形成する工程と、ｐ型不純物原料を用いて、前記第１の窒化物半導体層上に当該層に接してｐ型不純物が添加され少なくともガリウムと窒素とを含む窒化物半導体からなる第２の窒化物半導体層を形成する工程と、ｐ型不純物原料を用いて、前記第２の窒化物半導体層上に当該層に接してｐ型不純物が添加され少なくともアルミニウムと窒素とを含む窒化物半導体からなる第３の窒化物半導体層を形成する工程と、を備えることを特徴とする。
【００１２】
上記の製造方法では、前記第１乃至第３の窒化物半導体層の成長温度が活性層側からその反対側に向かって同じであるかまたは高くなり、前記活性層から前記第３の窒化物半導体層まで成長中断することなく連続で、成長温度を変化させて成長することが好ましい。
【００１３】
なお、本発明において、窒化物半導体とは、組成式ＩｎｂＧａｃＡｌ１−ｂ−ｃＮ（０≦ｂ≦１、０≦ｃ≦１、０≦１−ｂ−ｃ≦１）からなる半導体を意味し、これにはボロン（Ｂ）、砒素（Ａｓ）、リン（Ｐ）等が微量（組成０．０１以下）に添加されたものも含まれるものとする。また、本発明において、ＩｎｘＧａ１−ｘＮには、拡散等により微量（組成０．０１以下）のＡｌが添加されたものも含まれるものとする。また、本発明において、ＡｌｚＧａ１−ｚＮには、拡散等により微量（組成０．０１以下）のＩｎが添加されたものも含まれるものとする。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について詳細な説明を行う前に、本発明の前提となる、本発明者の独自の実験の結果について説明する。
【００１５】
従来、ＡｌＧａＮ層に高濃度のＭｇをドープする場合、このＡｌＧａＮ層の下地層の材質と、ＡｌＧａＮ層のＭｇ濃度の分布と、の関係はほとんど検討されていなかった。また、このようにＡｌＧａＮ層に高濃度のＭｇをドープする場合、通常の技術者は、多数製造した素子の中で最も特性が高い素子だけに着目して設計を行っており、再現性や面内分布を考慮した設計はほとんど行っていなかった。しかしながら、本発明者は、再現性や面内分布を考慮して実験を行った結果、上記のＡｌＧａＮ層の下地層の材質と、ＡｌＧａＮ層のＭｇ濃度の分布と、には密接な関連があることを知得した。そして、この知得に基づき、ＡｌＧａＮ層の下地層の材質を特定のものにすることで、ＡｌＧａＮ層のＭｇ濃度の分布を、高い再現性かつ良好な面内分布で、設計値どおりにできることが分かった。
【００１６】
図１は、本発明者がこの実験に用いた窒化物半導体素子のサンプルを示す断面図である。サファイア基板１上には、低温成長ＧａＮからなる低温バッファー層２、ＧａＮからなるバッファー層３、ＳｉＯ２からなる絶縁膜４、ＧａＮからなるラテラル成長層５、ＳｉドープＧａＮからなるｎ側コンタクト層６、ＳｉドープＡｌＧａＮとＧａＮとを交互に多周期積層した超格子構造からなるｎ側クラッド層７、が順次形成されている。このｎ型クラッド層７上には、膜厚６ｎｍのＩｎ０．０２Ｇａ０．９８Ｎからなる障壁層と、膜厚３ｎｍのＩｎ０．１８Ｇａ０．８２Ｎからなる井戸層と、を交互に４．５周期成長させた総膜厚４２ｎｍのＩｎＧａＮ層９が形成されている。このＩｎＧａＮ層９上には、３×１０１９／ｃｍ３の濃度のＭｇがドープされるように設計した膜厚５０ｎｍのｐ型ＧａＮ層１１、３×１０１９／ｃｍ３の濃度のＭｇがドープされるように設計した膜厚１５ｎｍのＡｌｚＧａ１−ｚＮ（ｚ＝０．２０）からなるｐ型ＡｌＧａＮ層１２、３×１０１９／ｃｍ３の濃度のＭｇがドープされるように設計したＧａＮからなるコンタクト層１３、が順次形成されている。
【００１７】
この図１のサンプルの製造には有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）を用いている。成長原料としては、Ｇａ原料としてトリメチルガリウム（ＴＭＧ）、Ａｌ原料としてトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）、Ｉｎ原料としてトリメチルインジウム（ＴＭＩ）、Ｎ原料としてアンモニア（ＮＨ３）、Ｓｉ原料としてシラン（ＳｉＨ４）、Ｍｇ原料としてシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ２Ｍｇ）、を用いている。主要部分の成長温度は、ＩｎＧａＮ層９が８３０℃、ｐ型ＧａＮ層１１が１０８０℃、ｐ型ＡｌＧａＮ層１２が１０８０℃、である。
【００１８】
一方、図２は、比較サンプルを示す断面図である。この比較サンプルが図１のサンプルと異なる点は、ｐ型ＧａＮ層１１が形成されていない点である。製造方法は図１のサンプルと同様であり、主要部分の成長温度は、ＩｎＧａＮ層９が８３０℃、ｐ型ＡｌＧａＮ層１２が１０８０℃、である。なお、この成長温度は、各層の特性が高くなるように最適化された温度である。
【００１９】
上記の図１のサンプルおよび図２の比較サンプルのＭｇ濃度のプロファイルを、それぞれ、図３および図４に示す。図３は、直径５ｃｍのサファイア基板１を用いて同一の製造条件で図１の構造を複数回製造し、それぞれの基板を壁開して５００μｍ×５００μｍの多数の素子を切り出し、それぞれの基板から切り出した多数の素子のうち複数個ずつの素子を任意に選んで、合計数百個の素子のＭｇ濃度を測定し、その平均値を取ったものである。図４も同様の平均値を取ったものである。
【００２０】
まず、図２の比較サンプルのＭｇ濃度を示す図４から、アンドープのＩｎＧａＮ層９の直上にＭｇドープのｐ型ＡｌＧａＮ層１２を形成すると、Ｍｇの取り込まれに遅れが生じやすく、所望のＭｇ濃度を再現性良くドープできないことが分かる。この場合、厚さ１５ｎｍのｐ型ＡｌＧａＮ層５のＭｇ濃度は、設計値が３×１０１９／ｃｍ３であるのに、実際の平均値は１×１０１９／ｃｍ３程度以下である。また、ＩｎＧａＮ層９中に、Ｍｇが、深さ３５ｎｍ程度まで拡散していることが分かる。このように、アンドープのＩｎＧａＮ層９の直上にＭｇドープのｐ型ＡｌＧａＮ層１２を形成すると、Ｍｇのドーピング・プロファイルを設計値どおりにすることが困難となる。なお、前述のように、図４は数百個の素子の平均値であり、Ｍｇのドーピング・プロファイルは素子によりばらつきがある。
【００２１】
これに対し、図１のサンプルのＭｇ濃度を示す図３から、Ｍｇドープのｐ型ＧａＮ層１１の直上にＭｇドープのｐ型ＡｌＧａＮ層１２を形成すると、Ｍｇが極めて取り込まれやすくなることが分かる。そして、これにより、厚さ１５ｎｍのｐ型ＡｌＧａＮ層１２のＭｇ濃度が、ほぼ設計値どおりになることが分かる。また、ＩｎＧａＮ層９中に拡散するＭｇの深さが、１０ｎｍ程度に留まることが分かる。また、この図１のサンプルでは、素子によるばらつきが少ない。
【００２２】
以上説明した図３では、ｐ型ＡｌＧａＮ層１２をＡｌｚＧａ１−ｚＮ（ｚ＝０．２０）で構成した場合を示したが、これをＡｌｚＧａ１−ｚＮ（０＜ｚ≦０．３０）で構成しても、ほぼ同様の結果が得られた。また、図３では、このｐ型ＡｌＧａＮ層１２の下地層としてｐ型ＧａＮ層１１を用いたが、これをｐ型ＩｎＧａＮ層としてもほぼ同様の結果が得られた。他方で、図３に示すＭｇドープのｐ型ＧａＮ層１１をアンドープのＧａＮ層やＩｎＧａＮ層に代えると、図４のようにＭｇの取り込まれに遅れが生じてしまった。
【００２３】
以上の結果から、ｐ型ＡｌＧａＮ層５の下地層の材質と、ｐ型ＡｌＧａＮ層５のＭｇ濃度の分布と、には密接な関連があることが分かる。そして、ｐ型ＡｌＧａＮ層の下地層の材質を、図４のようなアンドープのＩｎＧａＮ層９またはＧａＮ層ではなく、図３のようなＭｇドープのｐ型ＧａＮ層１１またはｐ型ＩｎＧａＮ層とすることで、ｐ型ＡｌＧａＮ層１２のＭｇ濃度の分布を、高い再現性かつ良好な面内分布で、設計値どおりにできることが分かる。この理由について、本発明者は、Ｍｇ原料（Ｃｐ２Ｍｇ）とＡｌ原料（ＴＭＡ）とをほぼ同時に反応炉内に入れはじめると、原料およびその反応生成物が反応炉内壁に付着することにより、本来予定していない反応が起こり易くなり、Ｍｇの取り込まれが阻害されやすくなるからではないかと考えている。また、図４のようにアンドープのＩｎＧａＮ層９またはＧａＮ層上にＭｇドープのｐ型ＡｌＧａＮ層１２を形成するとＭｇの拡散が多くなるが、図３のようにアンドープのＩｎＧａＮ層９またはＧａＮ層上にＭｇドープのｐ型ＧａＮ層１１を形成するとＭｇの拡散が少なくなることが分かる。この理由については、後述する。
【００２４】
以上のようにして得られた実験結果を基にして、本発明者は、特性が高く、かつ、再現性、歩留まり、生産性が高い窒化物半導体素子およびその製造方法を得ることができた。以下、第１および第２の実施の形態で、このような窒化物半導体発光素子の具体的な構造および製造方法について、図面を参照にしつつ、説明する。
【００２５】
（第１の実施の形態）
図５は、本発明の第１の実施の形態の窒化物半導体素子の断面図である。図５の素子は、窒化物半導体レーザである。サファイア基板１０１上には、低温成長ＧａＮからなる低温バッファー層１０２、ＧａＮからなるバッファー層１０３、ＳｉＯ２からなる絶縁膜１０４、ＧａＮからなるラテラル成長層１０５、ＳｉドープＧａＮからなるｎ側コンタクト層１０６、ＡｌＧａＮとＳｉドープＧａＮとを交互に多周期積層した超格子構造からなるｎ型クラッド層１０７、ＳｉドープＧａＮからなるｎ側ガイド層１０８が順次形成されている。このｎ側ガイド層１０８上には、膜厚６ｎｍのＩｎ０．０２Ｇａ０．９８Ｎと、膜厚３ｎｍのＩｎ０．１８Ｇａ０．８２Ｎと、を交互に４．５周期積層した多重量子井戸構造の活性層１０９、が形成されている。この活性層１０９は、発光効率を高くするため、ｐ型不純物がドープされないように形成される。この活性層１０９上には、アンドープのＩｎ０．０２Ｇａ０．９８Ｎからなる膜厚１００ｎｍのｐ側ガイド層（第１の窒化物半導体層）１１０が形成される。このｐ側ガイド層１１０上には３×１０１９／ｃｍ３の濃度のＭｇがドープされたｐ型ＧａＮからなる膜厚５０ｎｍのｐ型中間層（第２の窒化物半導体層）１１１が形成されている。このＭｇドープのｐ型中間層１１１を設けたことが、本実施形態の特徴の１つである。このｐ型中間層１１１上には、３×１０１９／ｃｍ３の濃度のＭｇがドープされたｐ型Ａｌ０．２０Ｇａ０．８０Ｎからなるキャリアオーバーフロー防止層（第３の窒化物半導体層）１１２が形成されている。このキャリアオーバーフロー防止層１１２上には、膜厚２．５ｎｍのＧａＮ（Ｍｇ濃度３×１０１９／ｃｍ３）と膜厚２．５ｎｍのＡｌ０．１４Ｇａ０．８６Ｎとを交互に１２０周期積層した超格子構造からなる総膜厚０．６μｍのｐ側クラッド層１１３、１×１０２０／ｃｍ３の濃度のＭｇがドープされたＧａＮからなるｐ型コンタクト層１１４、が順次形成されている。このｐ型コンタクト層１１４、ｐ側クラッド層１１３は表面からエッチングされ、リッジ状に形成される。このリッジ状のｐ側コンタクト層１１４上には、一方側の電極であるｐ電極１１６が形成されている。他方側の電極であるｎ側電極１１７は、エッチングして露出されたｎ側コンタクト層１０６上の一部に形成されている。これらのｐ側電極１１６およびｎ側電極１１７以外の部分の素子表面には、絶縁膜１１５が形成されている。またｐ側電極１１６およびｎ側電極１１７に接して、ｐ側パッド電極１１８およびｎ側パッド電極１１９がそれぞれ形成されている。なお、図１は概念図であり、理解を容易にするため、各層の倍率を変えて示している。
【００２６】
上記の図５の窒化物半導体レーザでは、ｐ側電極１１６と、ｎ側電極１１７と、から活性層１０９に電流が注入される。この電流の注入により、活性層１０９から、波長約４０５ｎｍの光を放射される。この光は、増幅されて、レーザ光となり、紙面と垂直な方向に放射される。
【００２７】
次に、図５の窒化物半導体レーザの製造方法について説明する。以下では、ＭＯＣＶＤ法により窒化物半導体層を形成してレーザを製造する例について説明する。
【００２８】
（１）まず、直径約５ｃｍのｃ面サファイア基板１０１を反応炉に設置し、基板温度５００℃で、ＴＭＧ、ＮＨ３を用い、低温成長ＧａＮからなる低温バッファー層１０２を２０ｎｍの膜厚で成長させる。その後、基板温度を１０８０℃まで上げ、ＴＭＧ、ＮＨ３を用いて、膜厚２μｍのＧａＮからなるバッファー層１０３を成長させる。
【００２９】
（２）次に、基板を反応炉から取り出し、膜厚２００ｎｍのＳｉＯ２膜を蒸着する。そして、このＳｉＯ２膜を、フォトリソグラフィーとエッチングにより加工して、ストライプ状の開口を有する絶縁膜１０４を形成する。
【００３０】
（３）次に、再度基板を反応炉に設置し、基板温度１０８０℃で、ＴＭＧ、ＮＨ３を用いて、膜厚５μｍのラテラル成長ＧａＮからなるバッファー層１０５を成長させる。その後、ＴＭＧ、ＮＨ３、ＳｉＨ４を用いて、膜厚４μｍ、Ｓｉ濃度３×１０１８／ｃｍ３のＧａＮからなるｎ側コンタクト層１０６を成長させる。続けて、ＴＭＡ、ＴＭＧ、ＮＨ３、ＳｉＨ４を用いて、膜厚２．５ｎｍのＡｌ０．１４Ｇａ０．８６Ｎと膜厚２．５ｎｍ、Ｓｉ濃度３×１０１８／ｃｍ３のＧａＮを交互に２４０周期積層した超格子構造からなる総膜厚１．２μｍのｎ側クラッド層１０７を成長させる。さらに、ＴＭＧ、ＮＨ３、ＳｉＨ４を用いて、膜厚０．１μｍ、Ｓｉ濃度１．５×１０１８／ｃｍ３のＧａＮからなるｎ側ガイド層１０８を成長させる。
【００３１】
（４）次に、温度を８３０℃に低下させ、ＴＭＧ、ＴＭＩ、ＮＨ３を用いて、膜厚６ｎｍのＩｎ０．０２Ｇａ０．９８Ｎからなる障壁層と、膜厚３ｎｍのＩｎ０．１８Ｇａ０．８２Ｎからなる井戸層と、を交互に４．５周期成長させ、総膜厚４２ｎｍの多重量子井戸構造の活性層１０９を成長させる。
【００３２】
（５）次に、８３０℃で、ＴＭＧ、ＴＭＩ、ＮＨ３を用いて、膜厚１００ｎｍのＩｎ０．０２Ｇａ０．９８Ｎからなる第１の窒化物半導体層１１０を成長させる。この第１の窒化物半導体層１１０の成長では、ｐ型不純物（Ｍｇ）原料を用いない。この第１の窒化物半導体層１１０は、ｐ側の光ガイド層として働く。
【００３３】
（６）次に、温度を１０８０℃に上昇させ、ＴＭＧ、ＮＨ３、Ｃｐ２Ｍｇを用いて、ｐ型不純物であるＭｇの濃度が３×１０１９／ｃｍ３になるように各原料ガスの流量を調整して、膜厚５０ｎｍのｐ型ＧａＮからなる第２の窒化物半導体層１１１を成長させる。
【００３４】
（７）次に、１０８０℃で、ＴＭＡ、ＴＭＧ、ＮＨ３、Ｃｐ２Ｍｇを用いて、Ｍｇ濃度が３×１０１９／ｃｍ３になるように各原料ガスの流量を調整して、膜厚１５ｎｍのＡｌ０．２０Ｇａ０．８０Ｎからなる第３の窒化物半導体層１１２を成長させる。第３の窒化物半導体層はキャリアオーバーフロー防止層として働く。
【００３５】
（８）次に、１０８０℃で、ＴＭＡ、ＴＭＧ、ＮＨ３、Ｃｐ２Ｍｇを用いて、膜厚２．５ｎｍでＭｇ濃度３×１０１９／ｃｍ３のＧａＮと、膜厚２．５ｎｍのＡｌ０．１４Ｇａ０．８６Ｎと、を交互に１２０周期積層した超格子構造からなる総膜厚０．６μｍのｐ側クラッド層１１３を成長させる。続けて、ＴＭＧ、ＮＨ３、Ｃｐ２Ｍｇを用いて、膜厚１００ｎｍ、Ｍｇ濃度１×１０２０／ｃｍ３のＧａＮからなるｐ側コンタクト層１１４を成長させる。
【００３６】
（８）次に、成長終了後、反応炉にＮＨ３と窒素を流しながら温度を８００℃まで下げ、ＮＨ３を止めて窒素中で２０分間熱処理してｐ型不純物を含む層を低抵抗化する。その後、窒化物半導体層を成長させた基板を反応炉から取り出し、ｐ側コンタクト層１１４とｐ側クラッド層１１３をＲＩＢＥ装置によりエッチングして、図１の如く２μｍのストライプ幅を有するリッジ形状を形成する。そして、表面のｐ側コンタクト層１１４の側からＲＩＥ装置によりエッチングして、図１の如くｎ側コンタクト層１０６の一部を露出させる。その後、窒化物半導体層の表面にＳｉＯ２からなる絶縁膜１１５を形成する。
【００３７】
（９）次に、ｐ側コンタクト層１１４のリッジ上の絶縁膜１１５をエッチングして開口し、Ｎｉ／Ａｕからなるｐ電極１１６を形成する。また、ｎ側コンタクト層１０６上の絶縁膜１１５をエッチングして開口し、Ｔｉ／Ａｌからなるｎ電極１１７を形成する。その後、ｐ電極１１６上にｐパッド電極１１８形成し、ｎ電極１１７上にｎパッド電極１１９を形成する。
【００３８】
（１０）次に、基板を裏面から研磨して２００μｍの厚さにした後、ストライプ方向と垂直な方向に劈開し、その劈開面にＳｉＯ２とＺｒＯ２の多層構造からなる誘電体多層膜を形成する。その後、劈開した基板をストライプ方向に切り出して、図５のレーザとなる。ここで、図５のレーザの大きさは、例えば、一辺の長さが約５００μｍである。この場合、直径５ｃｍの基板から図１のレーザを数千個得ることができる。
【００３９】
以上説明した製造方法により得られる図５の窒化物半導体レーザの特徴の１つは、Ｍｇがドープされたｐ型中間層１１２を設けたことである。これにより、Ｍｇの取り込まれに遅れが生じにくくなり、前述の図３から分かるように、ｐ型中間層（ｐ型ＧａＮ層）１１２およびキャリアオーバーフロー防止層（ｐ型ＡｌＧａＮ層）１１３にＭｇを所望の濃度でドープしやすくすることができる。この結果、繰り返し多数の素子を製造した場合、キャリアオーバーフロー防止層１１３の正孔濃度の平均値を高くし、閾値電流および閾値電圧の平均値を低くして、再現性、歩留まり、生産性を高くすることができる。
【００４０】
また、図５のレーザでは、Ｍｇがドープされたｐ型中間層（ｐ型ＧａＮ層）１１２を設けたので、前述の図３から分かるように、このｐ型中間層１１２を設けない場合に比べ、ｐ側ガイド層（ＩｎＧａＮ層）１１０へのマグネシウムの拡散を抑制することができる。これにより、このｐ側ガイド層１１０のさらに下側にある活性層１０９へのＭｇの拡散を、顕著に抑制することができる。この結果、繰り返し多数の素子を製造した場合、活性層１０９の内部吸収損失の平均値を顕著に小さくして、再現性、歩留まり、生産性をさらに高くすることができる。
【００４１】
もっとも、図５のようなｐ型中間層（ｐ型ＧａＮ層）１１１を設けることは、通常の技術者の従来の技術常識に反することである。なぜなら、従来は、アンドープ層１１０とその直上のＭｇドープ層とのバンドギャップ差を小さくすると、Ｍｇドープ層からアンドープ層へのＭｇの拡散が多くなってしまうと考えられていたからである。逆に、アンドープのＩｎ０．０２Ｇａ０．９８Ｎ層１１０の直上に、図７のように、このアンドープ層１１０とバンドギャップ差が大きいｐ型Ａｌ０．２０Ｇａ０．８０Ｎ層１１３を形成すれば、アンドープ層１１０および活性層１０９へのＭｇの拡散が少なくなると考えられていたからである。つまり、従来は、アンドープ層１１０上にｐ型層を形成する場合、両層にバンドギャップ差を設けた方が、ｐ型不純物の拡散を抑制できると考えられていた。
【００４２】
しかしながら、本発明者の実験によれば、窒化物半導体素子では、アンドープ層１１０上にｐ型層を形成する場合、図７のように、両層１１０、１１１のバンドギャップ差を小さくする方が、アンドープ層１１０および活性層１０９へのＭｇの拡散が減ることが分かった。この理由について、本発明者は、次のように考えている。すなわち、窒化ガリウム系半導体素子では、他の材料系よりも、バンドギャップ差を変化させた場合の格子定数差の変化が大きい。このため、Ｍｇを含まない層１１０上にＭｇを含む層１１１を形成する場合、両層のバンドギャップ差を大きくすると、両層の格子定数差が大きくなる。このように格子定数差が大きくなると、両層の界面にストレスが集中し、結晶欠陥が発生し易くなる。そして、この結晶欠陥を介して、Ｍｇの拡散が生じやすくなる。このように、窒化ガリウム系半導体素子では、バンドギャップ差が増えることにより拡散が減るメリットよりも、格子定数差が減ることにより結晶欠陥が減るメリットの方が大きい。このため、Ｍｇを含まない層１１０上にＭｇを含む層１１１を形成する場合、両層のバンドギャップ差および格子定数差を小さくした方が、Ｍｇの拡散を減らすことができると考えている。
【００４３】
以上説明した図５のレーザでは、第１の窒化物半導体層１１０をＩｎ０．０２Ｇａ０．９８Ｎ、第２の窒化物半導体層１１１をＧａＮ、第３の窒化物半導体層１１２をＡｌ０．２０Ｇａ０．８０Ｎとしたが、第１の窒化物半導体層１１０をＩｎｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）、第２の窒化物半導体層１１１をＩｎｙＧａ１−ｙＮ（０≦ｙ≦ｘ）、第３の窒化物半導体層１１２をＡｌｚＧａ１−ｚＮ（０＜ｚ≦０．３）、とすることもできる。このようにすると、第１の窒化物半導体層１１０から第３の窒化物半導体層１１２に向けてバンドギャップを徐々に大きくし、また格子定数を徐々に小さくして、本発明の効果を高めることができる。ただし、第１の窒化物半導体層１１０のバンドギャップは、活性層１０９の井戸層のバンドギャプよりも大きくすることが必要で、好ましくは活性層１０９の平均のバンドギャップ以上、さらに好ましくは活性層１０９の障壁層のバンドギャップ以上、が良い。
【００４４】
また、図５のレーザでは、第１の窒化物半導体層１１０の厚さを１００ｎｍとしたが、これを２０ｎｍ以上５００ｎｍ以下、好ましくは３０ｎｍ以上２００ｎｍ以下とすれば、高い特性が得られる。第１の窒化物半導体層１１０の厚さが２０ｎｍよりも薄いと、第２の窒化物半導体層１１１から第１の窒化物半導体層１１０および活性層１０９へのＭｇの拡散が起こりやすくなる。また、第１の窒化物半導体層１１０の厚さが５００ｎｍよりも厚いと、ｐ型層１１１、１１２から活性層１０９への正孔の注入が不十分となり、特性が低下する。
【００４５】
また、図５のレーザでは、第１の窒化物半導体層１１０を、ｐ型不純物がドープされないように形成したアンドープ層として説明した。このｐ型不純物のアンドープ層とは、ｐ型不純物濃度が１×１０１７／ｃｍ３以下の層である（図３、図４参照）。
【００４６】
また、図５のレーザでは、第２の窒化物半導体層１１１の厚さを５０ｎｍとしたが、これを２０ｎｍ以上５００ｎｍ以下、好ましくは３０ｎｍ以上１００ｎｍ以下とすれば、高い特性が得られる。第２の窒化物半導体層１１２の厚さが２０ｎｍよりも薄いと、この層１１２を設ける効果（図３）が得にくくなり、第２の窒化物半導体層１１１および第３の窒化物半導体層１１２から第１の窒化物半導体層１１０および活性層１０９へのＭｇの拡散が起こりやすくなる。また、第２の窒化物半導体層１１１の厚さが５００ｎｍよりも大きい場合には、第２の窒化物半導体層１１１で再結合するキャリアが多くなり、活性層１０９へキャリアの注入が不十分となり、特性が低下する。
【００４７】
また、図５のレーザでは、第２の窒化物半導体層１１１のｐ型不純物濃度を３×１０１９／ｃｍ３としたが、これを１×１０１８／ｃｍ３以上１×１０２１／ｃｍ３以下、好ましくは１×１０１９／ｃｍ３以上５×１０２０／ｃｍ３以下とすれば、高い特性が得られる。第２の窒化物半導体層１１１のｐ型不純物濃度が１×１０１８／ｃｍ３よりも低いと、抵抗が高くなるとともに、十分な正孔濃度が得られなくなって活性層１０９への正孔の注入が不十分となり、特性が低下する。また、第２の窒化物半導体層１１１のｐ型不純物濃度が１×１０２１／ｃｍ３よりも高いと、結晶が劣化して、第１の窒化物半導体層１１０および活性層１０９へのＭｇの拡散が起こりやすくなり、特性が劣化する。
【００４８】
また、図５のレーザでは、第３の窒化物半導体層１１２を厚さ１５ｎｍのＡｌ０．２０Ｇａ０．８０Ｎとしたが、これを厚さ５ｎｍ以上３０ｎｍ以下のＡｌｗＧａ１−ｗＮ（０．１≦ｗ≦０．３）とすれば、高いオーバーフロー防止効果が得られ、特性が向上する。また、これを、厚さ９５ｎｍ以下のＡｌｖＧａ１−ｖＮ（０＜ｖ≦０．１）と、この上に形成された厚さ５ｎｍ以上３０ｎｍ以下のＡｌｗＧａ１−ｗＮ（０．１≦ｗ≦０．３）と、からなる総膜厚５ｎｍ以上１００ｎｍ以下のＡｌｚＧａ１−ｚＮ（０＜ｚ≦０．３）とすることもできる。Ａｌ組成ｗが０．１以上の部分を厚さ５ｎｍ以上設けないと、オーバーフローが起こりやすくなり、特性が低下する。また、Ａｌ組成ｗが０．１以上の部分を３０ｎｍよりも厚く設けた場合、または、Ａｌ組成ｚが０．３より高い場合には、結晶が劣化して、抵抗が高くなり、特性が劣化する。
【００４９】
また、図５のレーザでは、第３の窒化物半導体層１１２のｐ型不純物濃度を３×１０１９／ｃｍ３としたが、これを１×１０１８／ｃｍ３以上１×１０２１／ｃｍ３以下、好ましくは１×１０１９／ｃｍ３以上５×１０２０／ｃｍ３以下とすれば、高い特性が得られる。第３の窒化物半導体層のｐ型不純物濃度が１×１０１８／ｃｍ３よりも低いと、十分な正孔濃度が得られないために、抵抗が高くなるとともに、活性層１０９への正孔の注入が不十分となり、特性が低下する。また、第３の窒化物半導体層１１２のｐ型不純物濃度が１×１０２１／ｃｍ３よりも高いと、結晶が劣化して、抵抗が高くなるとともに、第１の窒化物半導体層１１０および活性層１０９へのＭｇの拡散が起こりやすくなる。
【００５０】
また、図５のレーザでは、ｐ型不純物としてＭｇを用いているが、このｐ型不純物として、Ｚｎ、Ｃｄ、Ｃａ、Ｂｅ、Ｓｒ等の他のＩＩ族元素を用いることも出来る。
【００５１】
（第２の実施形態）
第２の実施の形態の窒化物半導体レーザが第１の実施の形態（図１）と異なる点は、主に、サファイア基板１０１に変えてＧａＮ基板２０１を用いた点、ｐ側ガイド層２１０をＩｎ組成が連続的に変化するように形成した点、および、キャリアオーバーフロー防止層２１２ＡをＡｌ組成が連続的に変化するように形成した点、である。
【００５２】
図６は、本発明の第２の実施の形態の窒化物半導体レーザを示す断面図である。
【００５３】
ｎ型ＧａＮ基板２０１上に、ＳｉドープＧａＮからなるｎ型バッファー層２０６、ＡｌＧａＮとＳｉドープＧａＮとを交互に多周期積層した超格子構造からなるｎ側クラッド層２０７、ＧａＮからなるｎ側ガイド層２０８、が順次形成されている。このｎ側ガイド層２０８上には、膜厚６ｎｍのＩｎ０．０２Ｇａ０．９８Ｎと、膜厚３ｎｍのＩｎ０．１８Ｇａ０．８２Ｎと、を交互に４．５周期積層した多重量子井戸構造の活性層２０９が形成されている。この活性層２０９は、発光効率を高くするため、ｐ型不純物がドープされないように形成される。この活性層２０９上には、アンドープのＩｎｘＧａ１−ｘＮからなる膜厚１００ｎｍのｐ側ガイド層（第１の窒化物半導体層）１１０が形成される。このｐ側ガイド層２１０のＩｎ組成ｘは、図中下側から上側に向けて、０．０２から０まで連続的に変化する。このｐ側ガイド層２１０上には３×１０１９／ｃｍ３の濃度のＭｇがドープされたｐ型ＧａＮからなる膜厚３０ｎｍのｐ型中間層（第２の窒化物半導体層）２１１が形成されている。このｐ型中間層２１１上には、３×１０１９／ｃｍ３の濃度のＭｇがドープされたｐ型ＡｌｚＧａ１−ｚＮからなる膜厚３５ｎｍのキャリアオーバーフロー防止層（第３の窒化物半導体層）２１２が形成されている。このキャリアオーバーフロー防止層２１２は、より詳しくは、ｐ型ＡｌｖＧａ１−ｖＮ（０≦ｖ≦０．０５）からなる第１の部分２１２Ａと、ｐ型ＡｌｗＧａ１−ｗＮ（ｗ＝０．２０）からなる第２の部分２１２Ｂと、を有する。第１の部分２１２Ａは、膜厚が２０ｎｍで、Ａｌ組成ｖが図中下側から上側に向けて０から０．０５まで連続的に変化する。第２の部分２１２Ｂは、膜厚が１５ｎｍで、Ａｌ組成ｗが０．２０である。このキャリアオーバーフロー防止層２１２上には、膜厚２．５ｎｍのＧａＮ（Ｍｇ濃度３×１０１９／ｃｍ３）と膜厚２．５ｎｍのＡｌ０．１４Ｇａ０．８６Ｎとを交互に１２０周期積層した超格子構造からなる総膜厚０．６μｍのｐ側クラッド層２１３、１×１０２０／ｃｍ３の濃度のＭｇがドープされたＧａＮからなるｐ型コンタクト層２１４、が順次形成されている。このｐ型コンタクト層２１４およびｐ型クラッド層２１３は、エッチングによりリッジに形成される。このｐ型コンタクト層２１４上にはｐ電極２１６が形成されている。このｐ側電極２１６の周辺の窒化物半導体層２１４、２１５の表面には、絶縁膜２１５が形成されている。また、このｐ側電極２１６に接して、ｐ側パッド電極２１８が形成されている。他方側の電極であるｎ側電極２１９は、ＧａＮ基板２０１の裏側に形成される。
【００５４】
次に、図２の窒化物半導体レーザの製造方法について説明する。以下では、ＭＯＣＶＤ法により窒化物半導体層を形成してレーザを製造する例について説明する。
【００５５】
（１）まず、ｎ型ＧａＮ基板２０１を反応炉に設置し、基板温度１０８０℃で、ＴＭＧ、ＮＨ３、ＳｉＨ４を用い、膜厚２μｍ、Ｓｉ濃度３×１０１８／ｃｍ３のＧａＮからなるｎ型バッファー層２０６を成長させる。続けて、ＴＭＡ、ＴＭＧ、ＮＨ３、ＳｉＨ４を用いて、膜厚２．５ｎｍのＡｌ０．１４Ｇａ０．８６Ｎと膜厚２．５ｎｍ、Ｓｉ濃度３×１０１８／ｃｍ３のＧａＮを交互に２４０周期積層した超格子構造からなる総膜厚１．２μｍのｎ側クラッド層２０７を成長させる。その後、ＴＭＧ、ＮＨ３を用いて、膜厚０．１μｍのＧａＮからなるｎ側ガイド層２０８を成長させる。
【００５６】
（２）次に、温度を８３０℃に低下させ、ＴＭＧ、ＴＭＩ、ＮＨ３を用いて、膜厚６ｎｍのＩｎ０．０２Ｇａ０．９８Ｎからなる障壁層と、膜厚３ｎｍのＩｎ０．１８Ｇａ０．８２Ｎからなる井戸層と、を交互に４．５周期成長させ、総膜厚４２ｎｍの多重量子井戸構造の活性層２０９を成長させる。
【００５７】
（３）次に、温度を８３０℃から９００℃に徐々に上げながら、ＴＭＧ、ＴＭＩ、ＮＨ３を用いて、Ｉｎ組成ｘが０．０２から０に連続的に変化する膜厚１００ｎｍのＩｎｘＧａ１−ｘＮからなる第１の窒化物半導体層２１０を成長させる。第１の窒化物半導体層２１０はｐ側ガイド層として働く。
【００５８】
（４）次に、温度を９００℃から１０００℃に徐々に上げながら、ＴＭＧ、ＮＨ３、Ｃｐ２Ｍｇを用いて、Ｍｇ濃度が３×１０１９／ｃｍ３になるように各原料ガスの流量を調整して、膜厚３０ｎｍのｐ型ＧａＮからなる第２の窒化物半導体層２１１を成長させる。
【００５９】
（５）次に、ＴＭＡ、ＴＭＧ、ＮＨ３、Ｃｐ２Ｍｇを用いて、Ｍｇ濃度が３×１０１９／ｃｍ３になるように各原料ガスの流量を調整して、ＡｌｚＧａ１−ｚＮからなる膜厚３５ｎｍの第３の窒化物半導体層２１２を形成する。より詳しくは、まず、温度を１０００℃から１０８０℃に徐々に上げながら、Ａｌ組成ｖが０から０．０５まで連続的に変化するように、ＡｌｖＧａ１−ｖＮからなる膜厚２０ｎｍの第１の部分２１２Ａを形成する。続けて、温度を１０８０℃にして、Ａｌ組成ｗが０．２０になるように、ＡｌｗＧａ１−ｗＮからなる膜厚１５ｎｍの第２の部分２１２Ｂを形成する。この第２の部分２１２Ｂと第１の部分２１２Ａとからなる第３の窒化物半導体層２１２は、キャリアオーバーフロー防止層として働く。
【００６０】
（６）次に、温度を１０８０℃に保ちながら、ＴＭＡ、ＴＭＧ、ＮＨ３、Ｃｐ２Ｍｇを用いて、膜厚２．５ｎｍ、Ｍｇ濃度３×１０１９／ｃｍ３のＧａＮと膜厚２．５ｎｍのＡｌ０．１４Ｇａ０．８６Ｎとを交互に１２０周期積層した超格子構造からなる総膜厚０．６μｍのｐ側クラッド層２１３を成長させる。続けて、ＴＭＧ、ＮＨ３、Ｃｐ２Ｍｇを用いて、膜厚１００ｎｍ、Ｍｇ濃度１×１０２０／ｃｍ３のＧａＮからなるｐ側コンタクト層２１４を成長させる。
【００６１】
（７）以上の成長終了後に、反応炉にＮＨ３と窒素を流しながら温度を８００℃まで下げ、ＮＨ３を止めて窒素中で２０分間熱処理してｐ型不純物を含む層を低抵抗化する。その後、窒化物半導体層を成長させた基板２０１を反応炉から取り出し、ｐ型コンタクト層２１４とｐ型クラッド層２１３をＲＩＢＥ装置によりエッチングして、図６の如く２μｍのストライプ幅を有するリッジ形状を形成する。そして、窒化物半導体層の表面にＳｉＯ２からなる絶縁膜２１５を形成する。
【００６２】
（８）次に、ｐ型コンタクト層２１４のリッジ上の絶縁膜２１５をエッチングして開口を形成し、この開口を用いてＮｉ／Ａｕからなるｐ側電極２１６を形成する。このｐ側電極２１６上には、ｐ側パッド電極２１８を形成する。
【００６３】
（９）次に、ｎ型ＧａＮ基板２０１を裏面から研磨して２００μｍの厚さにし、このｎ型ＧａＮ基板２０１の裏面に、Ｔｉ／Ａｌからなるｎ側電極２１９を形成する。
【００６４】
（１０）次に、ｎ型ＧａＮ基板２０１のＭ面で劈開し、その劈開面にＳｉＯ２とＺｒＯ２の多層構造からなる誘電体多層膜を形成する。最後に、劈開した基板をストライプ方向に切り出して、レーザ素子とする。
【００６５】
以上説明した製造方法により得られる図６の窒化物半導体レーザの特徴は、第１の実施形態における特徴に加えて、第１の窒化物半導体層２１０および第３の窒化物半導体層２１２Ａの組成を連続的に変化させたことである。これにより、活性層２０９からキャリアオーバーフロー防止層２１２Ａまでの各層２０９〜２１２Ａの格子定数を連続的に変化させ、さらにＭｇの拡散を抑制することができる。これにより、活性層２０９へのＭｇの拡散をさらに抑制し、光出力をさらに高くすることができる。
【００６６】
また、図６のレーザの製造方法では、活性層２０９からｐ型クラッド層２１３までの各層２０９〜２１３の成長温度を連続的に変化させたので、結晶欠陥の発生をさらに抑制し、活性層２０９へのＭｇの拡散をさらに抑制することができる。
【００６７】
以上説明した図６の窒化物半導体レーザでは、第３の窒化物半導体層２１２のうち、ＡｌｖＧａ１−ｖＮからなる第１の部分２１２Ａの図中上側のＡｌ組成ｖを０．０５としたが、これを０．０３以上０．１０以下とすれば、良好な結果が得られる。その他の各層のドーピング濃度、膜厚、混晶組成等は、第１の実施形態と同様にすれば、高い特性が得られる。
【００６８】
以上説明した本発明の窒化物半導体素子は、第１および第２の実施の形態のものに限定されることはない。例えば、上記実施形態では、基板としてサファイアおよびＧａＮを用いたが、ＳｉＣ、スピネル、ガラス、ＺｎＯ、Ｓｉなどの他の基板でも良い。また、窒化物半導体層の成長にＭＯＣＶＤ法を用いたが、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）法、ハイドライド気相成長（ＨＶＰＥ）法など他の気相成長法を用いても良い。また、半導体発光素子として半導体レーザについて説明したが、発光ダイオード等の他の発光素子及び受光素子に対しても適用できる。その他、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することが可能である。
【００６９】
【発明の効果】
本発明によれば、窒化物半導体素子において、Ａｌを含まずｐ型不純物がドープされないように設計された第１の層、Ａｌを含まず高濃度のｐ型不純物がドープされるように設計された第２の層、Ａｌを含み高濃度のｐ型不純物がドープされるように設計された第３の層、を順次形成したので、第２の層および第３の層のｐ型不純物濃度を高い再現性で設計値に近い値にし、また、第１の層へのｐ型不純物の拡散を抑制することができる。これにより、特性が高く、かつ、再現性、歩留まり、生産性が高い窒化物半導体発光素子およびその製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の前提となる本発明者の実験に用いた窒化物半導体素子のサンプルの断面図。
【図２】本発明の前提となる本発明者の実験に用いた窒化物半導体素子の比較サンプルの断面図。
【図３】図１の素子のＭｇ濃度のプロファイルを示す図。
【図４】図２の素子のＭｇ濃度のプロファイルを示す図。
【図５】本発明の第１の実施の形態の窒化物半導体素子の断面図。
【図６】本発明の第２の実施の形態の窒化物半導体素子の断面図。
【図７】従来の窒化物半導体素子の断面図。
【符号の説明】
１０９、２０９ 活性層
１１０、２１０ 第１の窒化物半導体層
１１１、２１１ 第２の窒化物半導体層
１１２、２１２ 第３の窒化物半導体層
２１２Ａ 第３の窒化物半導体層の第１の部分
２１２Ｂ 第３の窒化物半導体層の第２の部分
【発明の属する技術分野】
本発明は、窒化物半導体素子に関し、特に窒化物半導体レーザに関する。
【０００２】
【従来の技術】
窒化物半導体は、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ、等の窒素を含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体であり、バンドギャップが約３ｅＶと大きく、直接遷移型であり、短波長発光素子用材料として利用が急速に拡大している。特に、窒化物半導体を活性層に用い、波長４０５ｎｍ前後の青紫色光を放射する半導体レーザは、ＤＶＤ用の光源等として、製品化が進んでいる。
【０００３】
図７は、従来の窒化物半導体レーザの一例を示す図である。サファイア基板３０１上に、低温成長ＧａＮからなる低温バッファー層３０２、ＧａＮからなるバッファー層３０３、ＧａＮからなるラテラル成長層３０５、ＳｉドープＧａＮからなるｎ側コンタクト層３０６、Ｓｉドープｎ側クラッド層３０７、ＧａＮからなるｎ側ガイド層３０８、多重量子井戸構造のＩｎＧａＮ／ＩｎＧａＮからなる活性層３０９、が順次形成されている。この活性層３０９上には、アンドープＧａＮからなる膜厚２０〜４０ｎｍのｐ側光導波層３１０が形成されている。このｐ側光導波層３１０上には、ＭｇドープＡｌＧａＮからなるキャップ層３１２、ＭｇドープＡｌＧａＮとＧａＮとを交互に多周期積層した超格子構造からなるｐ側クラッド層３１３、ＭｇドープＧａＮからなるｐ側コンタクト層３１４、が順次形成されている。このｐ側コンタクト層３１４、ｐ側クラッド層３１３の一部はエッチングによりリッジ状に形成される。そして、ｐ側コンタクト層３１４上には一方側の電極であるｐ側電極３１６が形成されている。他方側の電極であるｎ側電極３１７は、エッチングにより露出されたｎ側コンタクト層３０６上の一部に形成されている。これらのｐ側電極３１６およびｎ側電極３１７以外の部分の素子表面には、絶縁膜３１５が形成されている。このような半導体レーザは、例えば、特開２００２−２６１３９５号公報（特に図６）に示されている。
【０００４】
この図７の窒化物半導体レーザでは、活性層３０９にｐ型不純物であるＭｇが含まれないようにして、活性層３０９の内部吸収損失を減らし、光出力が高くなるようにしている。また、活性層３０９へのｐ側不純物の拡散を防止するため、この活性層３０９の直上のｐ側光導波層３１０をアンドープにしている。また、キャップ層３１２をバンドギャップが大きいＡｌＧａＮにより構成して、活性層３０９からｐ型クラッド層３１３へのキャリアの漏洩（オーバーフロー）を効果的に防止している。また、このＡｌＧａＮからなるキャップ層３１２を、高濃度のＭｇがドープされるように設計している（例えば、特許文献２参照。）。Ａｌが混ざった窒化物半導体（ＡｌＧａＮ）は、ｐ型不純物の活性化率が低く、正孔濃度が低くなりやすいので、高濃度のＭｇをドープして、正孔濃度が高くなるようにする。
【０００５】
このように、従来の窒化物半導体レーザでは、キャップ層３１２を、バンドギャップが大きいＡｌＧａＮからなり、かつ、ｐ型不純物濃度が高くなるように設計して、特性が高くなるようにしている。これにより、実用可能なレベルの特性が得られるようになっている。
【０００６】
【特許文献１】
特開２００２−２６１３９５号公報
【特許文献２】
特許第３３１４６６６号明細書
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上記のように、窒化物半導体レーザでは、実用可能なレベルの特性が得られるようになっている。しかし、従来の窒化物半導体レーザには、他の材料系の半導体レーザに比べ、再現性、歩留まり、および生産性が悪いという問題があった。
【０００８】
本発明は、かかる課題の認識に基づくもので、その目的は、特性が高く、かつ、再現性、歩留まり、生産性が高い窒化物半導体素子およびその製造方法を提供することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明の窒化物半導体素子は、窒化物半導体からなる活性層と、前記活性層上に形成され少なくともガリウムと窒素とを含む窒化物半導体からなる第１の窒化物半導体層と、前記第１の窒化物半導体層上に当該層に接して形成され、少なくともガリウムと窒素とを含む窒化物半導体からなり、ｐ型不純物濃度が前記第１の窒化物半導体層よりも高い第２の窒化物半導体層と、前記第２の窒化物半導体層上に当該層に接して形成され、少なくともアルミニウムと窒素とを含み前記第１および第２の窒化物半導体よりもアルミニウム組成が高い窒化物半導体からなり、前記第１の窒化物半導体層および前記第２の窒化物半導体層よりもバンドギャップが大きく、ｐ型不純物濃度が前記第１の窒化物半導体層よりも高い第３の窒化物半導体層と、を備えることを特徴とする。
【００１０】
また、本発明の窒化物半導体素子は、少なくともアルミニウムと窒素とを含む窒化物半導体からなるｎ型クラッド層と、前記ｎ型クラッド層上に形成され窒化物半導体からなる活性層と、前記活性層上に形成され少なくともガリウムと窒素とを含む窒化物半導体からなる第１の窒化物半導体層と、前記第１の窒化物半導体層上に形成され、少なくともガリウムと窒素とを含む窒化物半導体からなり、ｐ型不純物濃度が前記第１の窒化物半導体層よりも高い第２の窒化物半導体層と、前記第２の窒化物半導体層上に当該層に接して形成され、少なくともアルミニウムと窒素とを含み前記第１および第２の窒化物半導体よりもアルミニウム組成が高い窒化物半導体からなり、前記第１の窒化物半導体層および前記第２の窒化物半導体層よりもバンドギャップが大きく、ｐ型不純物濃度が前記第１の窒化物半導体層よりも高い第３の窒化物半導体層と、前記第３の窒化物半導体層上に形成され、少なくともアルミニウムと窒素とを含む窒化物半導体からなるｐ型クラッド層と、を備えることを特徴とする。
【００１１】
また、本発明の窒化物半導体素子の製造方法は、窒化物半導体からなる活性層を形成する工程と、前記活性層上に、ｐ型不純物原料を用いずに、少なくともガリウムと窒素とを含む窒化物半導体からなる第１の窒化物半導体層を形成する工程と、ｐ型不純物原料を用いて、前記第１の窒化物半導体層上に当該層に接してｐ型不純物が添加され少なくともガリウムと窒素とを含む窒化物半導体からなる第２の窒化物半導体層を形成する工程と、ｐ型不純物原料を用いて、前記第２の窒化物半導体層上に当該層に接してｐ型不純物が添加され少なくともアルミニウムと窒素とを含む窒化物半導体からなる第３の窒化物半導体層を形成する工程と、を備えることを特徴とする。
【００１２】
上記の製造方法では、前記第１乃至第３の窒化物半導体層の成長温度が活性層側からその反対側に向かって同じであるかまたは高くなり、前記活性層から前記第３の窒化物半導体層まで成長中断することなく連続で、成長温度を変化させて成長することが好ましい。
【００１３】
なお、本発明において、窒化物半導体とは、組成式ＩｎｂＧａｃＡｌ１−ｂ−ｃＮ（０≦ｂ≦１、０≦ｃ≦１、０≦１−ｂ−ｃ≦１）からなる半導体を意味し、これにはボロン（Ｂ）、砒素（Ａｓ）、リン（Ｐ）等が微量（組成０．０１以下）に添加されたものも含まれるものとする。また、本発明において、ＩｎｘＧａ１−ｘＮには、拡散等により微量（組成０．０１以下）のＡｌが添加されたものも含まれるものとする。また、本発明において、ＡｌｚＧａ１−ｚＮには、拡散等により微量（組成０．０１以下）のＩｎが添加されたものも含まれるものとする。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について詳細な説明を行う前に、本発明の前提となる、本発明者の独自の実験の結果について説明する。
【００１５】
従来、ＡｌＧａＮ層に高濃度のＭｇをドープする場合、このＡｌＧａＮ層の下地層の材質と、ＡｌＧａＮ層のＭｇ濃度の分布と、の関係はほとんど検討されていなかった。また、このようにＡｌＧａＮ層に高濃度のＭｇをドープする場合、通常の技術者は、多数製造した素子の中で最も特性が高い素子だけに着目して設計を行っており、再現性や面内分布を考慮した設計はほとんど行っていなかった。しかしながら、本発明者は、再現性や面内分布を考慮して実験を行った結果、上記のＡｌＧａＮ層の下地層の材質と、ＡｌＧａＮ層のＭｇ濃度の分布と、には密接な関連があることを知得した。そして、この知得に基づき、ＡｌＧａＮ層の下地層の材質を特定のものにすることで、ＡｌＧａＮ層のＭｇ濃度の分布を、高い再現性かつ良好な面内分布で、設計値どおりにできることが分かった。
【００１６】
図１は、本発明者がこの実験に用いた窒化物半導体素子のサンプルを示す断面図である。サファイア基板１上には、低温成長ＧａＮからなる低温バッファー層２、ＧａＮからなるバッファー層３、ＳｉＯ２からなる絶縁膜４、ＧａＮからなるラテラル成長層５、ＳｉドープＧａＮからなるｎ側コンタクト層６、ＳｉドープＡｌＧａＮとＧａＮとを交互に多周期積層した超格子構造からなるｎ側クラッド層７、が順次形成されている。このｎ型クラッド層７上には、膜厚６ｎｍのＩｎ０．０２Ｇａ０．９８Ｎからなる障壁層と、膜厚３ｎｍのＩｎ０．１８Ｇａ０．８２Ｎからなる井戸層と、を交互に４．５周期成長させた総膜厚４２ｎｍのＩｎＧａＮ層９が形成されている。このＩｎＧａＮ層９上には、３×１０１９／ｃｍ３の濃度のＭｇがドープされるように設計した膜厚５０ｎｍのｐ型ＧａＮ層１１、３×１０１９／ｃｍ３の濃度のＭｇがドープされるように設計した膜厚１５ｎｍのＡｌｚＧａ１−ｚＮ（ｚ＝０．２０）からなるｐ型ＡｌＧａＮ層１２、３×１０１９／ｃｍ３の濃度のＭｇがドープされるように設計したＧａＮからなるコンタクト層１３、が順次形成されている。
【００１７】
この図１のサンプルの製造には有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）を用いている。成長原料としては、Ｇａ原料としてトリメチルガリウム（ＴＭＧ）、Ａｌ原料としてトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）、Ｉｎ原料としてトリメチルインジウム（ＴＭＩ）、Ｎ原料としてアンモニア（ＮＨ３）、Ｓｉ原料としてシラン（ＳｉＨ４）、Ｍｇ原料としてシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ２Ｍｇ）、を用いている。主要部分の成長温度は、ＩｎＧａＮ層９が８３０℃、ｐ型ＧａＮ層１１が１０８０℃、ｐ型ＡｌＧａＮ層１２が１０８０℃、である。
【００１８】
一方、図２は、比較サンプルを示す断面図である。この比較サンプルが図１のサンプルと異なる点は、ｐ型ＧａＮ層１１が形成されていない点である。製造方法は図１のサンプルと同様であり、主要部分の成長温度は、ＩｎＧａＮ層９が８３０℃、ｐ型ＡｌＧａＮ層１２が１０８０℃、である。なお、この成長温度は、各層の特性が高くなるように最適化された温度である。
【００１９】
上記の図１のサンプルおよび図２の比較サンプルのＭｇ濃度のプロファイルを、それぞれ、図３および図４に示す。図３は、直径５ｃｍのサファイア基板１を用いて同一の製造条件で図１の構造を複数回製造し、それぞれの基板を壁開して５００μｍ×５００μｍの多数の素子を切り出し、それぞれの基板から切り出した多数の素子のうち複数個ずつの素子を任意に選んで、合計数百個の素子のＭｇ濃度を測定し、その平均値を取ったものである。図４も同様の平均値を取ったものである。
【００２０】
まず、図２の比較サンプルのＭｇ濃度を示す図４から、アンドープのＩｎＧａＮ層９の直上にＭｇドープのｐ型ＡｌＧａＮ層１２を形成すると、Ｍｇの取り込まれに遅れが生じやすく、所望のＭｇ濃度を再現性良くドープできないことが分かる。この場合、厚さ１５ｎｍのｐ型ＡｌＧａＮ層５のＭｇ濃度は、設計値が３×１０１９／ｃｍ３であるのに、実際の平均値は１×１０１９／ｃｍ３程度以下である。また、ＩｎＧａＮ層９中に、Ｍｇが、深さ３５ｎｍ程度まで拡散していることが分かる。このように、アンドープのＩｎＧａＮ層９の直上にＭｇドープのｐ型ＡｌＧａＮ層１２を形成すると、Ｍｇのドーピング・プロファイルを設計値どおりにすることが困難となる。なお、前述のように、図４は数百個の素子の平均値であり、Ｍｇのドーピング・プロファイルは素子によりばらつきがある。
【００２１】
これに対し、図１のサンプルのＭｇ濃度を示す図３から、Ｍｇドープのｐ型ＧａＮ層１１の直上にＭｇドープのｐ型ＡｌＧａＮ層１２を形成すると、Ｍｇが極めて取り込まれやすくなることが分かる。そして、これにより、厚さ１５ｎｍのｐ型ＡｌＧａＮ層１２のＭｇ濃度が、ほぼ設計値どおりになることが分かる。また、ＩｎＧａＮ層９中に拡散するＭｇの深さが、１０ｎｍ程度に留まることが分かる。また、この図１のサンプルでは、素子によるばらつきが少ない。
【００２２】
以上説明した図３では、ｐ型ＡｌＧａＮ層１２をＡｌｚＧａ１−ｚＮ（ｚ＝０．２０）で構成した場合を示したが、これをＡｌｚＧａ１−ｚＮ（０＜ｚ≦０．３０）で構成しても、ほぼ同様の結果が得られた。また、図３では、このｐ型ＡｌＧａＮ層１２の下地層としてｐ型ＧａＮ層１１を用いたが、これをｐ型ＩｎＧａＮ層としてもほぼ同様の結果が得られた。他方で、図３に示すＭｇドープのｐ型ＧａＮ層１１をアンドープのＧａＮ層やＩｎＧａＮ層に代えると、図４のようにＭｇの取り込まれに遅れが生じてしまった。
【００２３】
以上の結果から、ｐ型ＡｌＧａＮ層５の下地層の材質と、ｐ型ＡｌＧａＮ層５のＭｇ濃度の分布と、には密接な関連があることが分かる。そして、ｐ型ＡｌＧａＮ層の下地層の材質を、図４のようなアンドープのＩｎＧａＮ層９またはＧａＮ層ではなく、図３のようなＭｇドープのｐ型ＧａＮ層１１またはｐ型ＩｎＧａＮ層とすることで、ｐ型ＡｌＧａＮ層１２のＭｇ濃度の分布を、高い再現性かつ良好な面内分布で、設計値どおりにできることが分かる。この理由について、本発明者は、Ｍｇ原料（Ｃｐ２Ｍｇ）とＡｌ原料（ＴＭＡ）とをほぼ同時に反応炉内に入れはじめると、原料およびその反応生成物が反応炉内壁に付着することにより、本来予定していない反応が起こり易くなり、Ｍｇの取り込まれが阻害されやすくなるからではないかと考えている。また、図４のようにアンドープのＩｎＧａＮ層９またはＧａＮ層上にＭｇドープのｐ型ＡｌＧａＮ層１２を形成するとＭｇの拡散が多くなるが、図３のようにアンドープのＩｎＧａＮ層９またはＧａＮ層上にＭｇドープのｐ型ＧａＮ層１１を形成するとＭｇの拡散が少なくなることが分かる。この理由については、後述する。
【００２４】
以上のようにして得られた実験結果を基にして、本発明者は、特性が高く、かつ、再現性、歩留まり、生産性が高い窒化物半導体素子およびその製造方法を得ることができた。以下、第１および第２の実施の形態で、このような窒化物半導体発光素子の具体的な構造および製造方法について、図面を参照にしつつ、説明する。
【００２５】
（第１の実施の形態）
図５は、本発明の第１の実施の形態の窒化物半導体素子の断面図である。図５の素子は、窒化物半導体レーザである。サファイア基板１０１上には、低温成長ＧａＮからなる低温バッファー層１０２、ＧａＮからなるバッファー層１０３、ＳｉＯ２からなる絶縁膜１０４、ＧａＮからなるラテラル成長層１０５、ＳｉドープＧａＮからなるｎ側コンタクト層１０６、ＡｌＧａＮとＳｉドープＧａＮとを交互に多周期積層した超格子構造からなるｎ型クラッド層１０７、ＳｉドープＧａＮからなるｎ側ガイド層１０８が順次形成されている。このｎ側ガイド層１０８上には、膜厚６ｎｍのＩｎ０．０２Ｇａ０．９８Ｎと、膜厚３ｎｍのＩｎ０．１８Ｇａ０．８２Ｎと、を交互に４．５周期積層した多重量子井戸構造の活性層１０９、が形成されている。この活性層１０９は、発光効率を高くするため、ｐ型不純物がドープされないように形成される。この活性層１０９上には、アンドープのＩｎ０．０２Ｇａ０．９８Ｎからなる膜厚１００ｎｍのｐ側ガイド層（第１の窒化物半導体層）１１０が形成される。このｐ側ガイド層１１０上には３×１０１９／ｃｍ３の濃度のＭｇがドープされたｐ型ＧａＮからなる膜厚５０ｎｍのｐ型中間層（第２の窒化物半導体層）１１１が形成されている。このＭｇドープのｐ型中間層１１１を設けたことが、本実施形態の特徴の１つである。このｐ型中間層１１１上には、３×１０１９／ｃｍ３の濃度のＭｇがドープされたｐ型Ａｌ０．２０Ｇａ０．８０Ｎからなるキャリアオーバーフロー防止層（第３の窒化物半導体層）１１２が形成されている。このキャリアオーバーフロー防止層１１２上には、膜厚２．５ｎｍのＧａＮ（Ｍｇ濃度３×１０１９／ｃｍ３）と膜厚２．５ｎｍのＡｌ０．１４Ｇａ０．８６Ｎとを交互に１２０周期積層した超格子構造からなる総膜厚０．６μｍのｐ側クラッド層１１３、１×１０２０／ｃｍ３の濃度のＭｇがドープされたＧａＮからなるｐ型コンタクト層１１４、が順次形成されている。このｐ型コンタクト層１１４、ｐ側クラッド層１１３は表面からエッチングされ、リッジ状に形成される。このリッジ状のｐ側コンタクト層１１４上には、一方側の電極であるｐ電極１１６が形成されている。他方側の電極であるｎ側電極１１７は、エッチングして露出されたｎ側コンタクト層１０６上の一部に形成されている。これらのｐ側電極１１６およびｎ側電極１１７以外の部分の素子表面には、絶縁膜１１５が形成されている。またｐ側電極１１６およびｎ側電極１１７に接して、ｐ側パッド電極１１８およびｎ側パッド電極１１９がそれぞれ形成されている。なお、図１は概念図であり、理解を容易にするため、各層の倍率を変えて示している。
【００２６】
上記の図５の窒化物半導体レーザでは、ｐ側電極１１６と、ｎ側電極１１７と、から活性層１０９に電流が注入される。この電流の注入により、活性層１０９から、波長約４０５ｎｍの光を放射される。この光は、増幅されて、レーザ光となり、紙面と垂直な方向に放射される。
【００２７】
次に、図５の窒化物半導体レーザの製造方法について説明する。以下では、ＭＯＣＶＤ法により窒化物半導体層を形成してレーザを製造する例について説明する。
【００２８】
（１）まず、直径約５ｃｍのｃ面サファイア基板１０１を反応炉に設置し、基板温度５００℃で、ＴＭＧ、ＮＨ３を用い、低温成長ＧａＮからなる低温バッファー層１０２を２０ｎｍの膜厚で成長させる。その後、基板温度を１０８０℃まで上げ、ＴＭＧ、ＮＨ３を用いて、膜厚２μｍのＧａＮからなるバッファー層１０３を成長させる。
【００２９】
（２）次に、基板を反応炉から取り出し、膜厚２００ｎｍのＳｉＯ２膜を蒸着する。そして、このＳｉＯ２膜を、フォトリソグラフィーとエッチングにより加工して、ストライプ状の開口を有する絶縁膜１０４を形成する。
【００３０】
（３）次に、再度基板を反応炉に設置し、基板温度１０８０℃で、ＴＭＧ、ＮＨ３を用いて、膜厚５μｍのラテラル成長ＧａＮからなるバッファー層１０５を成長させる。その後、ＴＭＧ、ＮＨ３、ＳｉＨ４を用いて、膜厚４μｍ、Ｓｉ濃度３×１０１８／ｃｍ３のＧａＮからなるｎ側コンタクト層１０６を成長させる。続けて、ＴＭＡ、ＴＭＧ、ＮＨ３、ＳｉＨ４を用いて、膜厚２．５ｎｍのＡｌ０．１４Ｇａ０．８６Ｎと膜厚２．５ｎｍ、Ｓｉ濃度３×１０１８／ｃｍ３のＧａＮを交互に２４０周期積層した超格子構造からなる総膜厚１．２μｍのｎ側クラッド層１０７を成長させる。さらに、ＴＭＧ、ＮＨ３、ＳｉＨ４を用いて、膜厚０．１μｍ、Ｓｉ濃度１．５×１０１８／ｃｍ３のＧａＮからなるｎ側ガイド層１０８を成長させる。
【００３１】
（４）次に、温度を８３０℃に低下させ、ＴＭＧ、ＴＭＩ、ＮＨ３を用いて、膜厚６ｎｍのＩｎ０．０２Ｇａ０．９８Ｎからなる障壁層と、膜厚３ｎｍのＩｎ０．１８Ｇａ０．８２Ｎからなる井戸層と、を交互に４．５周期成長させ、総膜厚４２ｎｍの多重量子井戸構造の活性層１０９を成長させる。
【００３２】
（５）次に、８３０℃で、ＴＭＧ、ＴＭＩ、ＮＨ３を用いて、膜厚１００ｎｍのＩｎ０．０２Ｇａ０．９８Ｎからなる第１の窒化物半導体層１１０を成長させる。この第１の窒化物半導体層１１０の成長では、ｐ型不純物（Ｍｇ）原料を用いない。この第１の窒化物半導体層１１０は、ｐ側の光ガイド層として働く。
【００３３】
（６）次に、温度を１０８０℃に上昇させ、ＴＭＧ、ＮＨ３、Ｃｐ２Ｍｇを用いて、ｐ型不純物であるＭｇの濃度が３×１０１９／ｃｍ３になるように各原料ガスの流量を調整して、膜厚５０ｎｍのｐ型ＧａＮからなる第２の窒化物半導体層１１１を成長させる。
【００３４】
（７）次に、１０８０℃で、ＴＭＡ、ＴＭＧ、ＮＨ３、Ｃｐ２Ｍｇを用いて、Ｍｇ濃度が３×１０１９／ｃｍ３になるように各原料ガスの流量を調整して、膜厚１５ｎｍのＡｌ０．２０Ｇａ０．８０Ｎからなる第３の窒化物半導体層１１２を成長させる。第３の窒化物半導体層はキャリアオーバーフロー防止層として働く。
【００３５】
（８）次に、１０８０℃で、ＴＭＡ、ＴＭＧ、ＮＨ３、Ｃｐ２Ｍｇを用いて、膜厚２．５ｎｍでＭｇ濃度３×１０１９／ｃｍ３のＧａＮと、膜厚２．５ｎｍのＡｌ０．１４Ｇａ０．８６Ｎと、を交互に１２０周期積層した超格子構造からなる総膜厚０．６μｍのｐ側クラッド層１１３を成長させる。続けて、ＴＭＧ、ＮＨ３、Ｃｐ２Ｍｇを用いて、膜厚１００ｎｍ、Ｍｇ濃度１×１０２０／ｃｍ３のＧａＮからなるｐ側コンタクト層１１４を成長させる。
【００３６】
（８）次に、成長終了後、反応炉にＮＨ３と窒素を流しながら温度を８００℃まで下げ、ＮＨ３を止めて窒素中で２０分間熱処理してｐ型不純物を含む層を低抵抗化する。その後、窒化物半導体層を成長させた基板を反応炉から取り出し、ｐ側コンタクト層１１４とｐ側クラッド層１１３をＲＩＢＥ装置によりエッチングして、図１の如く２μｍのストライプ幅を有するリッジ形状を形成する。そして、表面のｐ側コンタクト層１１４の側からＲＩＥ装置によりエッチングして、図１の如くｎ側コンタクト層１０６の一部を露出させる。その後、窒化物半導体層の表面にＳｉＯ２からなる絶縁膜１１５を形成する。
【００３７】
（９）次に、ｐ側コンタクト層１１４のリッジ上の絶縁膜１１５をエッチングして開口し、Ｎｉ／Ａｕからなるｐ電極１１６を形成する。また、ｎ側コンタクト層１０６上の絶縁膜１１５をエッチングして開口し、Ｔｉ／Ａｌからなるｎ電極１１７を形成する。その後、ｐ電極１１６上にｐパッド電極１１８形成し、ｎ電極１１７上にｎパッド電極１１９を形成する。
【００３８】
（１０）次に、基板を裏面から研磨して２００μｍの厚さにした後、ストライプ方向と垂直な方向に劈開し、その劈開面にＳｉＯ２とＺｒＯ２の多層構造からなる誘電体多層膜を形成する。その後、劈開した基板をストライプ方向に切り出して、図５のレーザとなる。ここで、図５のレーザの大きさは、例えば、一辺の長さが約５００μｍである。この場合、直径５ｃｍの基板から図１のレーザを数千個得ることができる。
【００３９】
以上説明した製造方法により得られる図５の窒化物半導体レーザの特徴の１つは、Ｍｇがドープされたｐ型中間層１１２を設けたことである。これにより、Ｍｇの取り込まれに遅れが生じにくくなり、前述の図３から分かるように、ｐ型中間層（ｐ型ＧａＮ層）１１２およびキャリアオーバーフロー防止層（ｐ型ＡｌＧａＮ層）１１３にＭｇを所望の濃度でドープしやすくすることができる。この結果、繰り返し多数の素子を製造した場合、キャリアオーバーフロー防止層１１３の正孔濃度の平均値を高くし、閾値電流および閾値電圧の平均値を低くして、再現性、歩留まり、生産性を高くすることができる。
【００４０】
また、図５のレーザでは、Ｍｇがドープされたｐ型中間層（ｐ型ＧａＮ層）１１２を設けたので、前述の図３から分かるように、このｐ型中間層１１２を設けない場合に比べ、ｐ側ガイド層（ＩｎＧａＮ層）１１０へのマグネシウムの拡散を抑制することができる。これにより、このｐ側ガイド層１１０のさらに下側にある活性層１０９へのＭｇの拡散を、顕著に抑制することができる。この結果、繰り返し多数の素子を製造した場合、活性層１０９の内部吸収損失の平均値を顕著に小さくして、再現性、歩留まり、生産性をさらに高くすることができる。
【００４１】
もっとも、図５のようなｐ型中間層（ｐ型ＧａＮ層）１１１を設けることは、通常の技術者の従来の技術常識に反することである。なぜなら、従来は、アンドープ層１１０とその直上のＭｇドープ層とのバンドギャップ差を小さくすると、Ｍｇドープ層からアンドープ層へのＭｇの拡散が多くなってしまうと考えられていたからである。逆に、アンドープのＩｎ０．０２Ｇａ０．９８Ｎ層１１０の直上に、図７のように、このアンドープ層１１０とバンドギャップ差が大きいｐ型Ａｌ０．２０Ｇａ０．８０Ｎ層１１３を形成すれば、アンドープ層１１０および活性層１０９へのＭｇの拡散が少なくなると考えられていたからである。つまり、従来は、アンドープ層１１０上にｐ型層を形成する場合、両層にバンドギャップ差を設けた方が、ｐ型不純物の拡散を抑制できると考えられていた。
【００４２】
しかしながら、本発明者の実験によれば、窒化物半導体素子では、アンドープ層１１０上にｐ型層を形成する場合、図７のように、両層１１０、１１１のバンドギャップ差を小さくする方が、アンドープ層１１０および活性層１０９へのＭｇの拡散が減ることが分かった。この理由について、本発明者は、次のように考えている。すなわち、窒化ガリウム系半導体素子では、他の材料系よりも、バンドギャップ差を変化させた場合の格子定数差の変化が大きい。このため、Ｍｇを含まない層１１０上にＭｇを含む層１１１を形成する場合、両層のバンドギャップ差を大きくすると、両層の格子定数差が大きくなる。このように格子定数差が大きくなると、両層の界面にストレスが集中し、結晶欠陥が発生し易くなる。そして、この結晶欠陥を介して、Ｍｇの拡散が生じやすくなる。このように、窒化ガリウム系半導体素子では、バンドギャップ差が増えることにより拡散が減るメリットよりも、格子定数差が減ることにより結晶欠陥が減るメリットの方が大きい。このため、Ｍｇを含まない層１１０上にＭｇを含む層１１１を形成する場合、両層のバンドギャップ差および格子定数差を小さくした方が、Ｍｇの拡散を減らすことができると考えている。
【００４３】
以上説明した図５のレーザでは、第１の窒化物半導体層１１０をＩｎ０．０２Ｇａ０．９８Ｎ、第２の窒化物半導体層１１１をＧａＮ、第３の窒化物半導体層１１２をＡｌ０．２０Ｇａ０．８０Ｎとしたが、第１の窒化物半導体層１１０をＩｎｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）、第２の窒化物半導体層１１１をＩｎｙＧａ１−ｙＮ（０≦ｙ≦ｘ）、第３の窒化物半導体層１１２をＡｌｚＧａ１−ｚＮ（０＜ｚ≦０．３）、とすることもできる。このようにすると、第１の窒化物半導体層１１０から第３の窒化物半導体層１１２に向けてバンドギャップを徐々に大きくし、また格子定数を徐々に小さくして、本発明の効果を高めることができる。ただし、第１の窒化物半導体層１１０のバンドギャップは、活性層１０９の井戸層のバンドギャプよりも大きくすることが必要で、好ましくは活性層１０９の平均のバンドギャップ以上、さらに好ましくは活性層１０９の障壁層のバンドギャップ以上、が良い。
【００４４】
また、図５のレーザでは、第１の窒化物半導体層１１０の厚さを１００ｎｍとしたが、これを２０ｎｍ以上５００ｎｍ以下、好ましくは３０ｎｍ以上２００ｎｍ以下とすれば、高い特性が得られる。第１の窒化物半導体層１１０の厚さが２０ｎｍよりも薄いと、第２の窒化物半導体層１１１から第１の窒化物半導体層１１０および活性層１０９へのＭｇの拡散が起こりやすくなる。また、第１の窒化物半導体層１１０の厚さが５００ｎｍよりも厚いと、ｐ型層１１１、１１２から活性層１０９への正孔の注入が不十分となり、特性が低下する。
【００４５】
また、図５のレーザでは、第１の窒化物半導体層１１０を、ｐ型不純物がドープされないように形成したアンドープ層として説明した。このｐ型不純物のアンドープ層とは、ｐ型不純物濃度が１×１０１７／ｃｍ３以下の層である（図３、図４参照）。
【００４６】
また、図５のレーザでは、第２の窒化物半導体層１１１の厚さを５０ｎｍとしたが、これを２０ｎｍ以上５００ｎｍ以下、好ましくは３０ｎｍ以上１００ｎｍ以下とすれば、高い特性が得られる。第２の窒化物半導体層１１２の厚さが２０ｎｍよりも薄いと、この層１１２を設ける効果（図３）が得にくくなり、第２の窒化物半導体層１１１および第３の窒化物半導体層１１２から第１の窒化物半導体層１１０および活性層１０９へのＭｇの拡散が起こりやすくなる。また、第２の窒化物半導体層１１１の厚さが５００ｎｍよりも大きい場合には、第２の窒化物半導体層１１１で再結合するキャリアが多くなり、活性層１０９へキャリアの注入が不十分となり、特性が低下する。
【００４７】
また、図５のレーザでは、第２の窒化物半導体層１１１のｐ型不純物濃度を３×１０１９／ｃｍ３としたが、これを１×１０１８／ｃｍ３以上１×１０２１／ｃｍ３以下、好ましくは１×１０１９／ｃｍ３以上５×１０２０／ｃｍ３以下とすれば、高い特性が得られる。第２の窒化物半導体層１１１のｐ型不純物濃度が１×１０１８／ｃｍ３よりも低いと、抵抗が高くなるとともに、十分な正孔濃度が得られなくなって活性層１０９への正孔の注入が不十分となり、特性が低下する。また、第２の窒化物半導体層１１１のｐ型不純物濃度が１×１０２１／ｃｍ３よりも高いと、結晶が劣化して、第１の窒化物半導体層１１０および活性層１０９へのＭｇの拡散が起こりやすくなり、特性が劣化する。
【００４８】
また、図５のレーザでは、第３の窒化物半導体層１１２を厚さ１５ｎｍのＡｌ０．２０Ｇａ０．８０Ｎとしたが、これを厚さ５ｎｍ以上３０ｎｍ以下のＡｌｗＧａ１−ｗＮ（０．１≦ｗ≦０．３）とすれば、高いオーバーフロー防止効果が得られ、特性が向上する。また、これを、厚さ９５ｎｍ以下のＡｌｖＧａ１−ｖＮ（０＜ｖ≦０．１）と、この上に形成された厚さ５ｎｍ以上３０ｎｍ以下のＡｌｗＧａ１−ｗＮ（０．１≦ｗ≦０．３）と、からなる総膜厚５ｎｍ以上１００ｎｍ以下のＡｌｚＧａ１−ｚＮ（０＜ｚ≦０．３）とすることもできる。Ａｌ組成ｗが０．１以上の部分を厚さ５ｎｍ以上設けないと、オーバーフローが起こりやすくなり、特性が低下する。また、Ａｌ組成ｗが０．１以上の部分を３０ｎｍよりも厚く設けた場合、または、Ａｌ組成ｚが０．３より高い場合には、結晶が劣化して、抵抗が高くなり、特性が劣化する。
【００４９】
また、図５のレーザでは、第３の窒化物半導体層１１２のｐ型不純物濃度を３×１０１９／ｃｍ３としたが、これを１×１０１８／ｃｍ３以上１×１０２１／ｃｍ３以下、好ましくは１×１０１９／ｃｍ３以上５×１０２０／ｃｍ３以下とすれば、高い特性が得られる。第３の窒化物半導体層のｐ型不純物濃度が１×１０１８／ｃｍ３よりも低いと、十分な正孔濃度が得られないために、抵抗が高くなるとともに、活性層１０９への正孔の注入が不十分となり、特性が低下する。また、第３の窒化物半導体層１１２のｐ型不純物濃度が１×１０２１／ｃｍ３よりも高いと、結晶が劣化して、抵抗が高くなるとともに、第１の窒化物半導体層１１０および活性層１０９へのＭｇの拡散が起こりやすくなる。
【００５０】
また、図５のレーザでは、ｐ型不純物としてＭｇを用いているが、このｐ型不純物として、Ｚｎ、Ｃｄ、Ｃａ、Ｂｅ、Ｓｒ等の他のＩＩ族元素を用いることも出来る。
【００５１】
（第２の実施形態）
第２の実施の形態の窒化物半導体レーザが第１の実施の形態（図１）と異なる点は、主に、サファイア基板１０１に変えてＧａＮ基板２０１を用いた点、ｐ側ガイド層２１０をＩｎ組成が連続的に変化するように形成した点、および、キャリアオーバーフロー防止層２１２ＡをＡｌ組成が連続的に変化するように形成した点、である。
【００５２】
図６は、本発明の第２の実施の形態の窒化物半導体レーザを示す断面図である。
【００５３】
ｎ型ＧａＮ基板２０１上に、ＳｉドープＧａＮからなるｎ型バッファー層２０６、ＡｌＧａＮとＳｉドープＧａＮとを交互に多周期積層した超格子構造からなるｎ側クラッド層２０７、ＧａＮからなるｎ側ガイド層２０８、が順次形成されている。このｎ側ガイド層２０８上には、膜厚６ｎｍのＩｎ０．０２Ｇａ０．９８Ｎと、膜厚３ｎｍのＩｎ０．１８Ｇａ０．８２Ｎと、を交互に４．５周期積層した多重量子井戸構造の活性層２０９が形成されている。この活性層２０９は、発光効率を高くするため、ｐ型不純物がドープされないように形成される。この活性層２０９上には、アンドープのＩｎｘＧａ１−ｘＮからなる膜厚１００ｎｍのｐ側ガイド層（第１の窒化物半導体層）１１０が形成される。このｐ側ガイド層２１０のＩｎ組成ｘは、図中下側から上側に向けて、０．０２から０まで連続的に変化する。このｐ側ガイド層２１０上には３×１０１９／ｃｍ３の濃度のＭｇがドープされたｐ型ＧａＮからなる膜厚３０ｎｍのｐ型中間層（第２の窒化物半導体層）２１１が形成されている。このｐ型中間層２１１上には、３×１０１９／ｃｍ３の濃度のＭｇがドープされたｐ型ＡｌｚＧａ１−ｚＮからなる膜厚３５ｎｍのキャリアオーバーフロー防止層（第３の窒化物半導体層）２１２が形成されている。このキャリアオーバーフロー防止層２１２は、より詳しくは、ｐ型ＡｌｖＧａ１−ｖＮ（０≦ｖ≦０．０５）からなる第１の部分２１２Ａと、ｐ型ＡｌｗＧａ１−ｗＮ（ｗ＝０．２０）からなる第２の部分２１２Ｂと、を有する。第１の部分２１２Ａは、膜厚が２０ｎｍで、Ａｌ組成ｖが図中下側から上側に向けて０から０．０５まで連続的に変化する。第２の部分２１２Ｂは、膜厚が１５ｎｍで、Ａｌ組成ｗが０．２０である。このキャリアオーバーフロー防止層２１２上には、膜厚２．５ｎｍのＧａＮ（Ｍｇ濃度３×１０１９／ｃｍ３）と膜厚２．５ｎｍのＡｌ０．１４Ｇａ０．８６Ｎとを交互に１２０周期積層した超格子構造からなる総膜厚０．６μｍのｐ側クラッド層２１３、１×１０２０／ｃｍ３の濃度のＭｇがドープされたＧａＮからなるｐ型コンタクト層２１４、が順次形成されている。このｐ型コンタクト層２１４およびｐ型クラッド層２１３は、エッチングによりリッジに形成される。このｐ型コンタクト層２１４上にはｐ電極２１６が形成されている。このｐ側電極２１６の周辺の窒化物半導体層２１４、２１５の表面には、絶縁膜２１５が形成されている。また、このｐ側電極２１６に接して、ｐ側パッド電極２１８が形成されている。他方側の電極であるｎ側電極２１９は、ＧａＮ基板２０１の裏側に形成される。
【００５４】
次に、図２の窒化物半導体レーザの製造方法について説明する。以下では、ＭＯＣＶＤ法により窒化物半導体層を形成してレーザを製造する例について説明する。
【００５５】
（１）まず、ｎ型ＧａＮ基板２０１を反応炉に設置し、基板温度１０８０℃で、ＴＭＧ、ＮＨ３、ＳｉＨ４を用い、膜厚２μｍ、Ｓｉ濃度３×１０１８／ｃｍ３のＧａＮからなるｎ型バッファー層２０６を成長させる。続けて、ＴＭＡ、ＴＭＧ、ＮＨ３、ＳｉＨ４を用いて、膜厚２．５ｎｍのＡｌ０．１４Ｇａ０．８６Ｎと膜厚２．５ｎｍ、Ｓｉ濃度３×１０１８／ｃｍ３のＧａＮを交互に２４０周期積層した超格子構造からなる総膜厚１．２μｍのｎ側クラッド層２０７を成長させる。その後、ＴＭＧ、ＮＨ３を用いて、膜厚０．１μｍのＧａＮからなるｎ側ガイド層２０８を成長させる。
【００５６】
（２）次に、温度を８３０℃に低下させ、ＴＭＧ、ＴＭＩ、ＮＨ３を用いて、膜厚６ｎｍのＩｎ０．０２Ｇａ０．９８Ｎからなる障壁層と、膜厚３ｎｍのＩｎ０．１８Ｇａ０．８２Ｎからなる井戸層と、を交互に４．５周期成長させ、総膜厚４２ｎｍの多重量子井戸構造の活性層２０９を成長させる。
【００５７】
（３）次に、温度を８３０℃から９００℃に徐々に上げながら、ＴＭＧ、ＴＭＩ、ＮＨ３を用いて、Ｉｎ組成ｘが０．０２から０に連続的に変化する膜厚１００ｎｍのＩｎｘＧａ１−ｘＮからなる第１の窒化物半導体層２１０を成長させる。第１の窒化物半導体層２１０はｐ側ガイド層として働く。
【００５８】
（４）次に、温度を９００℃から１０００℃に徐々に上げながら、ＴＭＧ、ＮＨ３、Ｃｐ２Ｍｇを用いて、Ｍｇ濃度が３×１０１９／ｃｍ３になるように各原料ガスの流量を調整して、膜厚３０ｎｍのｐ型ＧａＮからなる第２の窒化物半導体層２１１を成長させる。
【００５９】
（５）次に、ＴＭＡ、ＴＭＧ、ＮＨ３、Ｃｐ２Ｍｇを用いて、Ｍｇ濃度が３×１０１９／ｃｍ３になるように各原料ガスの流量を調整して、ＡｌｚＧａ１−ｚＮからなる膜厚３５ｎｍの第３の窒化物半導体層２１２を形成する。より詳しくは、まず、温度を１０００℃から１０８０℃に徐々に上げながら、Ａｌ組成ｖが０から０．０５まで連続的に変化するように、ＡｌｖＧａ１−ｖＮからなる膜厚２０ｎｍの第１の部分２１２Ａを形成する。続けて、温度を１０８０℃にして、Ａｌ組成ｗが０．２０になるように、ＡｌｗＧａ１−ｗＮからなる膜厚１５ｎｍの第２の部分２１２Ｂを形成する。この第２の部分２１２Ｂと第１の部分２１２Ａとからなる第３の窒化物半導体層２１２は、キャリアオーバーフロー防止層として働く。
【００６０】
（６）次に、温度を１０８０℃に保ちながら、ＴＭＡ、ＴＭＧ、ＮＨ３、Ｃｐ２Ｍｇを用いて、膜厚２．５ｎｍ、Ｍｇ濃度３×１０１９／ｃｍ３のＧａＮと膜厚２．５ｎｍのＡｌ０．１４Ｇａ０．８６Ｎとを交互に１２０周期積層した超格子構造からなる総膜厚０．６μｍのｐ側クラッド層２１３を成長させる。続けて、ＴＭＧ、ＮＨ３、Ｃｐ２Ｍｇを用いて、膜厚１００ｎｍ、Ｍｇ濃度１×１０２０／ｃｍ３のＧａＮからなるｐ側コンタクト層２１４を成長させる。
【００６１】
（７）以上の成長終了後に、反応炉にＮＨ３と窒素を流しながら温度を８００℃まで下げ、ＮＨ３を止めて窒素中で２０分間熱処理してｐ型不純物を含む層を低抵抗化する。その後、窒化物半導体層を成長させた基板２０１を反応炉から取り出し、ｐ型コンタクト層２１４とｐ型クラッド層２１３をＲＩＢＥ装置によりエッチングして、図６の如く２μｍのストライプ幅を有するリッジ形状を形成する。そして、窒化物半導体層の表面にＳｉＯ２からなる絶縁膜２１５を形成する。
【００６２】
（８）次に、ｐ型コンタクト層２１４のリッジ上の絶縁膜２１５をエッチングして開口を形成し、この開口を用いてＮｉ／Ａｕからなるｐ側電極２１６を形成する。このｐ側電極２１６上には、ｐ側パッド電極２１８を形成する。
【００６３】
（９）次に、ｎ型ＧａＮ基板２０１を裏面から研磨して２００μｍの厚さにし、このｎ型ＧａＮ基板２０１の裏面に、Ｔｉ／Ａｌからなるｎ側電極２１９を形成する。
【００６４】
（１０）次に、ｎ型ＧａＮ基板２０１のＭ面で劈開し、その劈開面にＳｉＯ２とＺｒＯ２の多層構造からなる誘電体多層膜を形成する。最後に、劈開した基板をストライプ方向に切り出して、レーザ素子とする。
【００６５】
以上説明した製造方法により得られる図６の窒化物半導体レーザの特徴は、第１の実施形態における特徴に加えて、第１の窒化物半導体層２１０および第３の窒化物半導体層２１２Ａの組成を連続的に変化させたことである。これにより、活性層２０９からキャリアオーバーフロー防止層２１２Ａまでの各層２０９〜２１２Ａの格子定数を連続的に変化させ、さらにＭｇの拡散を抑制することができる。これにより、活性層２０９へのＭｇの拡散をさらに抑制し、光出力をさらに高くすることができる。
【００６６】
また、図６のレーザの製造方法では、活性層２０９からｐ型クラッド層２１３までの各層２０９〜２１３の成長温度を連続的に変化させたので、結晶欠陥の発生をさらに抑制し、活性層２０９へのＭｇの拡散をさらに抑制することができる。
【００６７】
以上説明した図６の窒化物半導体レーザでは、第３の窒化物半導体層２１２のうち、ＡｌｖＧａ１−ｖＮからなる第１の部分２１２Ａの図中上側のＡｌ組成ｖを０．０５としたが、これを０．０３以上０．１０以下とすれば、良好な結果が得られる。その他の各層のドーピング濃度、膜厚、混晶組成等は、第１の実施形態と同様にすれば、高い特性が得られる。
【００６８】
以上説明した本発明の窒化物半導体素子は、第１および第２の実施の形態のものに限定されることはない。例えば、上記実施形態では、基板としてサファイアおよびＧａＮを用いたが、ＳｉＣ、スピネル、ガラス、ＺｎＯ、Ｓｉなどの他の基板でも良い。また、窒化物半導体層の成長にＭＯＣＶＤ法を用いたが、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）法、ハイドライド気相成長（ＨＶＰＥ）法など他の気相成長法を用いても良い。また、半導体発光素子として半導体レーザについて説明したが、発光ダイオード等の他の発光素子及び受光素子に対しても適用できる。その他、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することが可能である。
【００６９】
【発明の効果】
本発明によれば、窒化物半導体素子において、Ａｌを含まずｐ型不純物がドープされないように設計された第１の層、Ａｌを含まず高濃度のｐ型不純物がドープされるように設計された第２の層、Ａｌを含み高濃度のｐ型不純物がドープされるように設計された第３の層、を順次形成したので、第２の層および第３の層のｐ型不純物濃度を高い再現性で設計値に近い値にし、また、第１の層へのｐ型不純物の拡散を抑制することができる。これにより、特性が高く、かつ、再現性、歩留まり、生産性が高い窒化物半導体発光素子およびその製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の前提となる本発明者の実験に用いた窒化物半導体素子のサンプルの断面図。
【図２】本発明の前提となる本発明者の実験に用いた窒化物半導体素子の比較サンプルの断面図。
【図３】図１の素子のＭｇ濃度のプロファイルを示す図。
【図４】図２の素子のＭｇ濃度のプロファイルを示す図。
【図５】本発明の第１の実施の形態の窒化物半導体素子の断面図。
【図６】本発明の第２の実施の形態の窒化物半導体素子の断面図。
【図７】従来の窒化物半導体素子の断面図。
【符号の説明】
１０９、２０９ 活性層
１１０、２１０ 第１の窒化物半導体層
１１１、２１１ 第２の窒化物半導体層
１１２、２１２ 第３の窒化物半導体層
２１２Ａ 第３の窒化物半導体層の第１の部分
２１２Ｂ 第３の窒化物半導体層の第２の部分
Claims (9)
- 窒化物半導体からなる活性層と、
前記活性層上に形成され少なくともガリウムと窒素とを含む窒化物半導体からなる第１の窒化物半導体層と、
前記第１の窒化物半導体層上に当該層に接して形成され、少なくともガリウムと窒素とを含む窒化物半導体からなり、ｐ型不純物濃度が前記第１の窒化物半導体層よりも高い第２の窒化物半導体層と、
前記第２の窒化物半導体層上に当該層に接して形成され、少なくともアルミニウムと窒素とを含み前記第１および第２の窒化物半導体よりもアルミニウム組成が高い窒化物半導体からなり、前記第１の窒化物半導体層および前記第２の窒化物半導体層よりもバンドギャップが大きく、ｐ型不純物濃度が前記第１の窒化物半導体層よりも高い第３の窒化物半導体層と、
を備えることを特徴とする窒化物半導体素子。 - 前記第１の窒化物半導体層は、ＩｎｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）からなり、バンドギャップが前記活性層の平均のバンドギャップ以上であり、
前記第２の窒化物半導体層はＩｎｙＧａ１−ｙＮ（０≦ｙ≦ｘ）からなり、
前記第３の窒化物半導体層は、ＡｌｚＧａ１−ｚＮ（０＜ｚ≦０．３）からなることを特徴とする請求項１記載の窒化物半導体素子。 - 前記第１の窒化物半導体層のｐ型不純物濃度の平均値が１×１０１７／ｃｍ３以下であり、
前記第２の窒化物半導体層のｐ型不純物濃度の平均値が１×１０１８／ｃｍ３以上１×１０２１／ｃｍ３以下であり、
前記第３の窒化物半導体層のｐ型不純物濃度の平均値が１×１０１８／ｃｍ３以上１×１０２１／ｃｍ３以下であることを特徴とする請求項１または請求項２記載の窒化物半導体素子。 - 前記第１の窒化物半導体層の厚さが２０ｎｍ以上５００ｎｍ以下であり、
前記第２の窒化物半導体層の厚さが２０ｎｍ以上５００ｎｍ以下であり、
前記第３の窒化物半導体層の厚さが５ｎｍ以上１００ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の窒化物半導体素子。 - 前記第３の窒化物半導体層が、厚さ５ｎｍ以上３０ｎｍ以下のＡｌｗＧａ１−ｗＮ（０．１≦ｗ≦０．３）を含むことを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の窒化物半導体素子。
- 前記第３の窒化物半導体層が、
前記第２の窒化物半導体層上に当該層に接して形成され、ＡｌｖＧａ１−ｖＮ（０＜ｖ≦０．１）からなり、Ａｌ組成ｖが前記第２の窒化物半導体層から離れるに従って連続的に大きくなる、第１の部分と、
前記第１の部分上に形成され、厚さ５ｎｍ以上３０ｎｍ以下のＡｌｗＧａ１−ｗＮ（０．１≦ｗ≦０．３）からなる、第２の部分と、
を備えることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の窒化物半導体素子。 - 少なくともアルミニウムと窒素とを含む窒化物半導体からなるｎ型クラッド層と、
前記ｎ型クラッド層上に形成され窒化物半導体からなる活性層と、
前記活性層上に形成され少なくともガリウムと窒素とを含む窒化物半導体からなる第１の窒化物半導体層と、
前記第１の窒化物半導体層上に形成され、少なくともガリウムと窒素とを含む窒化物半導体からなり、ｐ型不純物濃度が前記第１の窒化物半導体層よりも高い第２の窒化物半導体層と、
前記第２の窒化物半導体層上に当該層に接して形成され、少なくともアルミニウムと窒素とを含み前記第１および第２の窒化物半導体よりもアルミニウム組成が高い窒化物半導体からなり、前記第１の窒化物半導体層および前記第２の窒化物半導体層よりもバンドギャップが大きく、ｐ型不純物濃度が前記第１の窒化物半導体層よりも高い第３の窒化物半導体層と、
前記第３の窒化物半導体層上に形成され、少なくともアルミニウムと窒素とを含む窒化物半導体からなるｐ型クラッド層と、
を備えることを特徴とする窒化物半導体素子。 - 前記ｐ型不純物がＭｇであることを特徴とする請求項１乃至請求項７のいずれかに記載の窒化物半導体素子。
- 窒化物半導体からなる活性層を形成する工程と、
前記活性層上に、ｐ型不純物原料を用いずに、少なくともガリウムと窒素とを含む窒化物半導体からなる第１の窒化物半導体層を形成する工程と、
ｐ型不純物原料を用いて、前記第１の窒化物半導体層上に当該層に接してｐ型不純物が添加され少なくともガリウムと窒素とを含む窒化物半導体からなる第２の窒化物半導体層を形成する工程と、
ｐ型不純物原料を用いて、前記第２の窒化物半導体層上に当該層に接してｐ型不純物が添加され少なくともアルミニウムと窒素とを含む窒化物半導体からなる第３の窒化物半導体層を形成する工程と、
を備えることを特徴とする窒化物半導体素子の製造方法。
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