JP2004327636A - 窒化物半導体発光素子 - Google Patents

Abstract

【課題】アンドープの活性層を有する窒化物半導体発光素子において、発振閾値を引き下げ、動作寿命が向上した窒化物半導体発光素子を提供する。
【解決手段】アンドープの障壁層とアンドープの井戸層とからなる活性層と、第１導電型のクラッド層との間に設けられた第２導電型の不純物添加層が、前記第２導電型の不純物添加層に最近接する障壁層から５０ｍｅＶ以上のバンドギャップを有し、かつ前記第２導電型の不純物添加層と前記第１導電型のクラッド層との間に設けられた第１導電型の不純物添加層以下のバンドギャップを有する窒化物半導体発光素子とする。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は窒化物半導体を備えた発光ダイオード（ＬＥＤ）素子またはレーザダイオード（ＬＤ）素子等の発光素子に関し、さらに詳しくは活性層に近接する窒化物半導体層構造の改良による発光素子の長寿命化に関する。
【０００２】
【従来の技術】
窒化物半導体は、高輝度青色ＬＥＤ、純緑色ＬＥＤの材料として、フルカラーＬＥＤディスプレイ、交通信号灯、イメージスキャナー光源等の各種光源に用いられている。また、青紫色半導体レーザの材料としても注目され、光ディスクの情報読み出しおよび書き込み用光源等への応用が期待されている。
【０００３】
窒化物半導体レーザ素子の基本構造は、レーザ光を生み出す層である中央の活性層と、この活性層を挟み、光やキャリアを閉じ込める役割をはたす２つのクラッド層とからなる３層のサンドイッチ構造である。
【０００４】
近年では、ほとんどの窒化物半導体レーザ素子における活性層は、１以上の井戸層と障壁層が積層された量子井戸構造からなる。この構造とする利点は、活性層における電子やホールの状態密度関数ρを人工的に狭く制御できるので、量子井戸構造でない活性層（例えば、バルク型の活性層など）である場合よりもレーザ素子の発振閾値が低減するため、素子特性を飛躍的に向上できることにある。
【０００５】
ところで、活性層がアンドープの窒化物半導体からなる量子井戸構造である場合に、ｐ型不純物がアンドープの活性層へ拡散して素子特性を劣化させてしまうことを防止するため、図４に示すように、活性層（４０７）とｐ型窒化物半導体層（４０９）との間にｎ型窒化物半導体層（４０８）を設ける技術が特許文献１で開示されている。
【０００６】
【特許文献１】
特許第３２１７００４号公報（第２頁）
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、この技術に従った窒化物半導体レーザ素子では、動作寿命（長期信頼性）に劣るという課題がある。本発明はこのようなアンドープの活性層を備えた窒化物半導体発光素子における課題を解決するものであり、発光素子の長期信頼性を向上させることを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明の窒化物半導体発光素子は、第１導電型の第１の不純物を有するクラッド層と、第２導電型の第２の不純物を有するクラッド層と、前記第１の不純物を有するクラッド層と前記第２の不純物を有するクラッド層との間に設けられた、アンドープの窒化物半導体からなる井戸層とアンドープの窒化物半導体からなる障壁層とを有する量子井戸構造の活性層と、前記活性層と前記第１の不純物を有するクラッド層との間に設けられた第２導電型の第３の不純物を有する不純物添加層と、前記第３の不純物を有する不純物添加層と前記第１の不純物を有するクラッド層との間に設けられた第１導電型の第４の不純物を有する不純物添加層とを少なくとも備え、前記第３の不純物を有する不純物添加層のバンドギャップが、前記第３の不純物を有する不純物添加層に最近接する障壁層のバンドギャップより５０ｍｅＶ以上大きく、前記第４の不純物を有する不純物添加層のバンドギャップ以下であり、前記第４の不純物を有する不純物添加層のバンドギャップが、前記第１の不純物を有するクラッド層のバンドギャップより大きいことを特徴とする。
【０００９】
上記構成では、第３の不純物を有する不純物添加層と、第３の不純物を有する不純物添加層に最近接する障壁層との間に５０ｍｅＶ以上のエネルギー障壁が形成される。これにより、活性層に注入されたキャリアは、第３の不純物を有する不純物添加層を越えて離散しにくくなる。また、上記構成では、第３の不純物を有する不純物添加層は、第４の不純物を有する不純物添加層よりもバンドギャップが小さくなる。これにより、クラッド層から活性層へと電子またはホールが注入される際にそれらが突破すべきエネルギー障壁量が少なくなる。よって、キャリアの活性層への注入効率が向上し、素子の発振閾値が引き下がるので、動作寿命が顕著に向上する。
【００１０】
本発明の窒化物半導体発光素子は、また、第１導電型の第１の不純物を有するクラッド層と、基板と、前記第１の不純物を有するクラッド層と前記基板との間に設けられた第２導電型の第２の不純物を有するクラッド層と、前記第１の不純物を有するクラッド層と前記第２の不純物を有するクラッド層との間に設けられた、アンドープの窒化物半導体からなる井戸層とアンドープの窒化物半導体からなる障壁層とを有する量子井戸構造の活性層と、前記活性層と前記第１の不純物を有するクラッド層との間に設けられた第２導電型の第３の不純物を有する不純物添加層と、前記第３の不純物を有する不純物添加層と前記第１の不純物を有するクラッド層との間に設けられた第１導電型の第４の不純物を有する不純物添加層とを少なくとも備え、前記第３の不純物を有する不純物添加層のバンドギャップが、前記第３の不純物を有する不純物添加層に最近接する障壁層のバンドギャップから５０ｍｅＶ以上大きく、前記第４の不純物を有する不純物添加層のバンドギャップ以下であり、前記第４の不純物を有する不純物添加層のバンドギャップが、前記第１の不純物を有するクラッド層のバンドギャップより大きいことを特徴とする。
【００１１】
上記構成では、第３の不純物を有する不純物添加層および第４の不純物を有する不純物添加層が活性層を介して基板と反対側に設けられている。これにより、前記基板の上に積層された活性層の上に、さらに第１導電型の第１の不純物を有するクラッド層を形成する際に、これらの不純物添加層が蒸発防止層として機能するので、表面荒れや結晶欠陥の発生などの活性層における結晶性の劣化が防止される。さらにこれに起因して、活性層よりも上の半導体層の結晶性が劣化することも防止されるため、上述したキャリアの活性層への注入効率が一層向上し、動作寿命がさらに顕著に向上する。
【００１２】
本発明の窒化物半導体発光素子は、さらに、前記第１導電型がｐ型であり、かつ前記第２導電型がｎ型であることを特徴とする。
【００１３】
上記構成により、ｐ型クラッド層から活性層へのホール注入効率と、ｎ型クラッド層から活性層へ注入された電子の閉じ込め効率とが向上する。この結果、素子の発振閾値が引き下げられ、動作寿命が向上する。
【００１４】
本発明の窒化物半導体発光素子は、さらに、前記第３の不純物を有する不純物添加層と前記第４の不純物を有する不純物添加層との間にアンドープの窒化物半導体からなる不純物拡散防止層をさらに備えることを特徴とする。
【００１５】
上記アンドープの不純物拡散防止層を備えた構成により、第３の不純物を有する不純物添加層と第４の不純物を有する不純物添加層との間における不純物の交雑が低減する。この結果、各層の電気的特性の変化を低減することができ、また、不純物の交雑によってこれらの層の電気抵抗が上昇することが抑制される。したがって、キャリアの活性層への注入効率がさらに一層向上し、素子の動作寿命が顕著に向上する。
【００１６】
本発明の窒化物半導体発光素子は、さらに、前記第４の不純物を有する不純物添加層と前記第１の不純物を有するクラッド層との間に第１導電型の第５の不純物を有する不純物添加層をさらに備え、前記第５の不純物を有する不純物添加層のバンドギャップが前記第４の不純物を有する不純物添加層のバンドギャップ未満であることを特徴とする。
【００１７】
上記構成により、第５の不純物を有する不純物添加層が光ガイド層として機能するため、光の閉じ込め効率がさらに向上して光学ロスが低減する。
【００１８】
本発明の窒化物半導体発光素子は、さらに、前記第２導電型の第３の不純物を有する不純物添加層が５×１０^１６／ｃｍ^３ 以上５×１０^１８／ｃｍ^３以下で前記第２導電型の第３の不純物を含有していることを特徴とする。
【００１９】
本発明の窒化物半導体発光素子は、さらに、前記第２導電型の第３の不純物を有する不純物添加層が、１×１０^１７／ｃｍ^３ 以上１×１０^１８／ｃｍ^３以下で前記第２導電型の第３の不純物を含有していることを特徴とする。
【００２０】
これらの構成により、不純物の添加によって素子における活性層に対するｐｎ接合位置が安定化する。この結果、素子の発振閾値が引き下がり、動作寿命が向上する。
【００２１】
本発明の窒化物半導体発光素子は、さらに、前記第３の不純物がケイ素（Ｓｉ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、スズ（Ｓｎ）、硫黄（Ｓ）、酸素（Ｏ）、チタン（Ｔｉ）およびジルコニウム（Ｚｒ）からなる群から選ばれたｎ型不純物であることを特徴とする。
【００２２】
本発明の窒化物半導体発光素子は、さらに、前記第３の不純物を有する不純物添加層が、５ｎｍ以上１００ｎｍ以下の層厚であることを特徴とする。
【００２３】
本発明の窒化物半導体発光素子は、さらに、前記第３の不純物を有する不純物添加層が、１０ｎｍ以上７０ｎｍ以下の層厚であることを特徴とする。
【００２４】
本発明の窒化物半導体発光素子は、さらに、前記活性層における前記第３の不純物を有する不純物添加層側端部と、前記第４の不純物添加層における前記第３の不純物添加層側端部との距離が、５ｎｍ以上１００ｎｍ以下であることを特徴とする。
【００２５】
本発明の窒化物半導体発光素子は、さらに、前記活性層における前記第２の不純物を有するクラッド層側端部と、前記第４の不純物添加層における前記第３の不純物添加層側端部との距離が、２５ｎｍ以上１５０ｎｍ以下であることを特徴とする。
【００２６】
これらの構成では、第３の不純物を有する不純物添加層が所定の層厚で設けられている。これにより、ｐｎ接合位置の安定化と、活性層へのキャリア注入効率の減少とがバランスする。この結果、素子の発振閾値が引き下がり、動作寿命が向上する。
【００２７】
本発明の窒化物半導体発光素子は、さらに、前記第３の不純物を有する不純物添加層または前記第４の不純物を有する不純物添加層が一般式ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（式中のｘは０≦ｘ≦１を満たす実数である）で示される窒化物半導体からなることを特徴とする。
【００２８】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態について説明する。
【００２９】
（実施の形態１）
図１は、本発明の１例である半導体レーザ素子の概略断面図である。この半導体レーザ素子は、ｎ型ＧａＮ基板１００上に、ケイ素（Ｓｉ）が添加（ドープ）された厚さ３μｍのｎ型ＧａＮ層１０１、ケイ素（Ｓｉ）がドープされた厚さ４０ｎｍのｎ型Ｉｎ_０．０７Ｇａ_０．９３Ｎクラック防止層１０２、第２導電型の第２の不純物を有するクラッド層としてのケイ素（Ｓｉ）がドープされた厚さ１μｍのｎ型Ａｌ_０．１Ｇａ_０．９Ｎクラッド層１０３、ケイ素（Ｓｉ）がドープされた厚さ０．１μｍのｎ型ＧａＮ光ガイド層１０４、活性層１０５（詳細は後述する）、第２導電型の第３の不純物を有する不純物添加層としてのｎ型不純物添加層１０６（詳細は後述する）、第１導電型の第４の不純物を有する不純物添加層としてのｐ型不純物添加層１０７（詳細は後述する）、第１導電型の第５の不純物を有する不純物添加層としてのマグネシウム（Ｍｇ）がドープされた厚さ０．１μｍのｐ型ＧａＮ光ガイド層１０８、第１導電型の第１の不純物を有するクラッド層としてのマグネシウム（Ｍｇ）がドープされた厚さ０．４μｍのｐ型Ａｌ_０．１Ｇａ_０．９Ｎクラッド層１０９、マグネシウム（Ｍｇ）がドープされた厚さ０．１μｍのｐ型ＧａＮコンタクト層１１０、アルミニウム（Ａｌ）およびハフニウム（Ｈｆ）からなるｎ型電極１１１、金（Ａｕ）、モリブデン（Ｍｏ）およびパラジウム（Ｐｄ）からなるｐ型電極１１２、ＳｉＯ_２誘電体膜１１３が形成されている。
【００３０】
前記第２導電型の第３の不純物を有する不純物添加層としてのｎ型不純物添加層１０６は、厚さが３０ｎｍのＧａＮ層であり、ｎ型不純物としてのケイ素（Ｓｉ）が５×１０^１７／ｃｍ^３濃度で含有されている。
【００３１】
前記第１導電型の第４の不純物を有する不純物添加層としてのｐ型不純物添加層１０７は、厚さが２０ｎｍのＡｌ_０．２Ｇａ_０．８Ｎ層であり、ｐ型不純物としてのマグネシウム（Ｍｇ）が５×１０^１９／ｃｍ^３〜２×１０^２０／ｃｍ^３の濃度で含有されている。
【００３２】
ただし、第１導電型の第１と第４と第５の不純物、または第２導電型の第２と第３の不純物は、導電型が同じである限り、それぞれ同一または異なっていてもよい。
【００３３】
前記活性層１０５は、図９に示すように、アンドープのＩｎ_０．１５Ｇａ_０．８５Ｎ井戸層（厚さ：４ｎｍ）とアンドープのＩｎ_０．０２Ｇａ_０．９８Ｎ障壁層（厚さ：８ｎｍ）とが、ｎ型ＧａＮ光ガイド層１０４上に、障壁層、井戸層、障壁層、井戸層、障壁層、井戸層、障壁層の順で形成された多重量子井戸構造である。
【００３４】
また、活性層に不純物がドーピングされていると発光素子が劣化しやすくなるため、素子を長寿命化させるには、障壁層と井戸層は、不純物がドープされていないアンドープ層とすることが重要である。
【００３５】
井戸層および障壁層は、Ｉｎ_ｘＧａ_１−ｘＮ（式中のｘは０＜ｘ＜１を満たす実数である）、ＧａＮ_１−ｘＡｓ_ｘ（式中のｘは０＜ｘ＜１を満たす実数である）、ＧａＮ_１−ｘＰ_ｘ（式中のｘは０＜ｘ＜１を満たす実数である）、またはこれらの化合物などの窒化物半導体で形成できるが、障壁層は井戸層よりもバンドギャップエネルギーが大きくなるような組成とする（バンドギャップエネルギーを規定する方法は後述する）。
【００３６】
また、素子の発振閾値を引き下げる目的から、活性層を多重量子井戸構造（ＭＱＷ構造）とすることが好ましいが、単一量子井戸構造（ＳＱＷ構造）とすることを排除するものではない。
【００３７】
上記構成の半導体レーザ素子は、公知の方法で作製できる。例えば、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）による窒化物半導体の積層構造の形成、熱処理などによるマグネシウム（Ｍｇ）がドープされた層の低抵抗ｐ型層への転換、フォトレジストマスクを用いたエッチング処理によるリッジストライプ構造の形成などを用いることができる。
【００３８】
（実施例１）
実施例１として、前記ｎ型不純物添加層に最近接の障壁層のバンドギャップよりも、前記ｎ型不純物添加層のバンドギャップが５０ｍｅＶ 大きい（以下、−５０ｍｅＶのバンドギャップ差と称する）構成とした実施の形態１に記載の窒化物半導体発光素子を用いた。
【００３９】
各窒化物半導体層のバンドギャップ（Ｅｇ）は、以下の式（１）、式（２）にしたがって規定した。これに基づいて各窒化物半導体層の元素組成比を調整し、−５０ｍｅＶのバンドギャップ差を有する半導体発光素子を作製した。
１）窒化物半導体層の組成がＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＮの場合
【数１】

２）窒化物半導体層の組成がＩｎ_ｘＧａ_１−ｘＮの場合
【数２】

なお、ここでは、ＡｌＮ層のバンドギャップ（Ｅｇ_ＡｌＮ）を６．２、ＩｎＮ層のバンドギャップ（Ｅｇ_ＩｎＮ）を２．０７、ＧａＮ層のバンドギャップ（Ｅｇ_ＧａＮ）を３．４、ボーイングパラメータ（ｃ）をそれぞれ、Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮの場合は１．０、Ｉｎ_ｘＧａ_１−ｘＮの場合も１．０とした。
【００４０】
以下の実施例２〜７および比較例１〜５においても、式（１）または（２）に従い、所定のバンドギャップ差となるように各層の組成を調整した。
【００４１】
（実施例２）
前記バンドギャップ差を−７５ｍｅＶとしたこと以外は、実施例１と同様である。
【００４２】
（実施例３）
前記バンドギャップ差を−１００ｍｅＶとしたこと以外は、実施例１と同様である。
【００４３】
（実施例４）
前記バンドギャップ差を−２００ｍｅＶとしたこと以外は、実施例１と同様である。
【００４４】
（実施例５）
前記バンドギャップ差を−２４０ｍｅＶとしたこと以外は、実施例１と同様である。
【００４５】
（実施例６）
前記バンドギャップ差を−３００ｍｅＶとしたこと以外は、実施例１と同様である。
【００４６】
（実施例７）
前記バンドギャップ差を−６００ｍｅＶとしたこと以外は、実施例１と同様である。
【００４７】
（比較例１）
前記バンドギャップ差を−４０ｍｅＶとしたこと以外は、実施例１と同様である。
【００４８】
（比較例２）
前記バンドギャップ差を−２０ｍｅＶとしたこと以外は、実施例１と同様である。
【００４９】
（比較例３）
前記バンドギャップ差を−７００ｍｅＶとしたこと以外は、実施例１と同様である。
【００５０】
（比較例４）
実施例１における、前記ｎ型不純物添加層のバンドギャップが前記ｎ型不純物添加層に最近接の前記ｐ型不純物添加層のバンドギャップ以下である構成（ｎ型不純物添加層に対する最近接のｐ型不純物添加層のバンドギャップ差：≧０ｍｅＶ）に代えて、前記ｎ型不純物添加層のバンドギャップが前記ｎ型不純物添加層に最近接の前記ｐ型不純物添加層のバンドギャップより大きい構成（ｎ型不純物添加層に対する最近接のｐ型不純物添加層のバンドギャップ差：＜０ｍｅＶ）としたこと以外は、実施例１と同様である。
【００５１】
（比較例５）
前記バンドギャップ差を−１００ｍｅＶとしたこと以外は、比較例４と同様である。
【００５２】
〔実験１〕
窒化物半導体発光素子の動作寿命と、前記ｎ型不純物添加層に対する最近接の障壁層または最近接の前記ｐ型不純物添加層のバンドギャップ差との関係を、以下の寿命検査により調べた。実施例１〜７および比較例１〜５をそれぞれハンダ等によりステムにマウントした後、ワイヤーボンディングで電気的接続を取った半導体レーザ装置を作製した。
【００５３】
〔動作寿命検査〕
作製した各半導体レーザ装置について、雰囲気温度６０℃、出力３０ｍＷの条件下における動作寿命（動作電流値が５０％上昇するまでの時間）を調べた。
【００５４】
この実験１の結果を下記表１に示す。動作寿命が２５００時間以上の場合を◎、２０００時間以上２５００時間未満の場合を○、１０００時間以上２０００時間未満の場合を△、１０００時間未満の場合を×とした。
【００５５】
【表１】

【００５６】
表１に示すように、ｎ型不純物添加層のバンドギャップが最近接の障壁層のバンドギャップよりも５０ｍｅＶ以上、６００ｍｅＶ以下の範囲で大きい（バンドギャップ差（Ａ）が−５０ｍｅＶ以上、−６００ｍｅＶ以下と呼ぶ。以下同様。）と、いずれも動作寿命が２０００時間以上であった（実施例１〜７）。
【００５７】
さらに、バンドギャップ差（Ａ）が−１００ｍｅＶ以上−２４０ｍｅＶ以下の範囲（実施例３〜７）であると、動作寿命が２５００時間以上であった。
【００５８】
他方、バンドギャップ差（Ａ）が−４０ｍｅＶ以下または−７００ｍｅＶ以上（比較例１〜３）であると、いずれも動作寿命が２０００時間未満であった。
【００５９】
また、バンドギャップ差（Ａ）が−５０ｍｅＶ以上であっても、ｎ型不純物添加層のバンドギャップが最近接のｐ型不純物添加層のバンドギャップより大きい（バンドギャップ差（Ｂ）：０ｍｅＶより大きい）と、動作寿命が１０００時間未満であった（比較例４、５）。
【００６０】
この実験１の結果から、ｎ型不純物添加層のバンドギャップが、最近接の障壁層のバンドギャップよりも５０ｍｅＶ以上６００ｍｅＶ以下の範囲で大きく、より好ましくは１００ｍｅＶ以上２４０ｍｅＶ以下の範囲で大きく、かつ最近接のｐ型不純物添加層のバンドギャップ以下であると、動作寿命に優れることが判った。
【００６１】
ここで、上記のような範囲が好ましい理由として、主に以下の２つが考えられる。
１）ｎ型不純物添加層のバンドギャップが最近接のｐ型不純物添加層のバンドギャップ以下であり、かつ最近接の障壁層のバンドギャップがｎ型不純物添加層のバンドギャップよりも小さい。これにより、ｐ型不純物添加層、ｎ型不純物添加層および最近接の障害層を介して、ｐ型窒化物半導体層から活性層へホールが移動する際に、逆らうべきエネルギー障壁量が少なくなる。したがって、ｐ型窒化物半導体層から活性層へのホール注入効率が向上すること。
２）層間に生み出されたエネルギー障壁は、伝導帯側と価電子帯側とに分けられる。ｎ型不純物添加層のバンドギャップが最近接の障壁層のバンドギャップよりも５０ｍｅＶ以上大きい場合には、伝導帯側でのバンド不連続量が電子の持つ熱エネルギー（室温で約２６ｍｅＶ）に影響を与え始めるような大きさになると予想されるため、活性層に電子がより閉じ込められ易くなること。
【００６２】
また、このことから、ｐ型窒化物半導体層から活性層へのホール注入効率を向上させるためには、活性層から最も離れたｐ型不純物添加層と活性層との間に、このｐ型不純物添加層のバンドギャップ以下のバンドギャップを有する層が設けられていることが重要だと考えられる。
【００６３】
〔実験２〕
窒化物半導体発光素子の動作寿命と、ｎ型不純物添加層におけるｎ型不純物濃度との関係を調べるため上記の動作寿命検査を行った。ここでは、実施例１のｎ型不純物添加層におけるｎ型不純物濃度を２×１０^１６以上１×１０^１９／ｃｍ^３ 以下の範囲で変化させた素子を用いた。
【００６４】
この実験２の結果を図２のグラフに示す。なお、縦軸はレーザ動作寿命時間、横軸はｎ型不純物の添加濃度である。また、各点に付加された上矢印は、動作寿命が３０００時間以上であることを示す。
【００６５】
図２で示されるように、ｎ型不純物としてのシリコン（Ｓｉ）濃度が５×１０^１６／ｃｍ^３以上５×１０^１８／ｃｍ^３以下の範囲であると、動作寿命が２５００時間以上であった。さらに、１×１０^１７／ｃｍ^３以上１×１０^１８／ｃｍ^３以下の範囲であると動作寿命が３０００時間以上であった。
【００６６】
他方、ｎ型不純物としてのシリコン（Ｓｉ）濃度が２×１０^１６／ｃｍ^３および１×１０^１９／ｃｍ^３であると、動作寿命は１５００時間であった。
【００６７】
この実験２の結果から、ｎ型不純物添加層に注入されたｎ型不純物濃度が５×１０^１６／ｃｍ^３以上５×１０^１８／ｃｍ^３以下の範囲、より好ましくは１×１０^１７／ｃｍ^３以上２×１０^１８／ｃｍ^３以下の範囲であると、動作寿命が一層向上することが判った。
【００６８】
この理由としては、以下の２つがあげられる。
１）ｎ型不純物濃度が少ないと層自体の電気的特性が十分に得られないので、素子におけるｐｎ接合位置状態が十分に安定しないこと。
２）不純物濃度が多いと層の結晶性が低くなり、この層でのキャリアの再結合の影響が過剰となるので、活性層への有効なキャリア注入が阻害されること。
【００６９】
つまり、シリコン（Ｓｉ）濃度が５×１０^１６／ｃｍ^３以上５×１０^１８／ｃｍ^３以下の範囲であると、不純物注入によるｐｎ接合位置状態の安定化とｎ型不純物添加層の結晶性の低下とがバランスし、動作寿命が向上すると考えられる。
【００７０】
〔実験３〕
窒化物半導体発光素子の動作寿命と、ｎ型不純物添加層の層厚との関係を調べるため上記の動作寿命検査を行った。ここでは、実施例１におけるｎ型不純物添加層の層厚を２ｎｍ以上１５０ｎｍ以下の範囲で変化させた素子を用いた。
【００７１】
この実験３の結果を図３のグラフに示す。なお、縦軸はレーザ動作寿命時間、横軸はｎ型不純物添加層の層厚である。また、各点に付加された上矢印は、動作寿命が３０００時間以上であることを示す。
【００７２】
図３で示されるように、ｎ型不純物添加層の層厚が５ｎｍ以上１００ｎｍ以下の範囲であると、動作寿命が２０００時間以上であった。さらに、この動作寿命は、１０ｎｍ以上７０ｎｍ以下の範囲であると２５００時間以上、１０ｎｍ以上５０ｎｍ以下の範囲であると３０００時間以上であった。
【００７３】
他方、ｎ型不純物添加層の層厚が１２０ｎｍであると動作寿命が１５００時間であり、２ｎｍおよび１５０ｎｍであると１０００時間であった。
【００７４】
この実験３の結果から、ｎ型不純物添加層の層厚が５ｎｍ以上１００ｎｍ以下の範囲、より好ましくは１０ｎｍ以上７０ｎｍ以下の範囲、さらに好ましくは１０ｎｍ以上５０ｎｍ以下の範囲であると、素子の動作寿命が向上することが判った。
【００７５】
この理由としては、以下の２つがあげられる。
１）ｎ型不純物添加層の層厚が薄くなると層厚のバラツキによるｐｎ接合位置への影響が大きいので、十分に安定したｐｎ接合位置状態が得られないこと。
２）ｎ型不純物添加層の層厚が厚くなると活性層とｐｎ接合位置との距離が離れるので、活性層へのキャリア注入効率が低下すること。
【００７６】
つまり、ｎ型不純物添加層の層厚が５ｎｍ以上１００ｎｍ以下の範囲、より好ましくは１０ｎｍ以上７０ｎｍ以下の範囲、さらに好ましくは１０ｎｍ以上５０ｎｍ以下の範囲であると、層厚の形成によるｐｎ接合位置状態の安定化とキャリア注入効率の低下とがバランスし、動作寿命が向上すると考えられる。
【００７７】
（実施の形態２）
本実施の形態２は、実施の形態１の構成を以下のように変更した以外は実施の形態１と同じである。
１）ｎ型不純物添加層の組成をＡｌ_０．０５Ｇａ_０．９５Ｎとした。
【００７８】
この構成では、ｎ型不純物添加層のバンドギャップが最近接の障壁層のそれより約１４０ｍｅＶ大きくなる。
【００７９】
（実施の形態３）
本実施の形態３は、実施の形態１の構成を以下のように変更した以外は実施の形態１と同じである。
１）活性層中の各障壁層の組成をＧａＮとした。
２）ｎ型不純物添加層の組成をＡｌ_０．１Ｇａ_０．９Ｎとした。
【００８０】
この構成では、ｎ型不純物添加層のバンドギャップが最近接の障壁層のそれより１９０ｍｅＶ大きくなる。
【００８１】
実施の形態２、３をハンダ等によりステムにマウントした後、ワイヤーボンディングで電気的接続を取った半導体レーザ装置は、上記の動作寿命検査に対して実施の形態１と同様の優れた特性を示した。
【００８２】
これらの結果から、最下層のｎ型不純物添加層のバンドギャップがこのｎ型不純物添加層に最近接する障壁層のそれより５０ｍｅＶ以上大きい構成である限り、活性層およびｎ型不純物添加層の組成は特に限定されないことが判った。
【００８３】
（実施の形態４）
本実施の形態４は、実施の形態１の構成を以下のように変更した以外は実施の形態１と同じである。
１）ｎ型不純物添加層１０６の層厚を２０ｎｍとした。
２）図５に示すように、ｎ型不純物添加層１０６とｐ型不純物添加層１０７との間に接して、不純物拡散防止層１１４（層厚：２０ｎｍ）を形成した。
【００８４】
ここで、前記不純物拡散防止層１１４はアンドープのＧａＮ層である。
【００８５】
この実施の形態４をハンダ等によりステムにマウントした後、ワイヤーボンディングで電気的接続を取った半導体レーザ装置は、上記の動作寿命検査に対して実施の形態１と同様の優れた特性を示した。
【００８６】
さらに、ｎ型不純物添加層と不純物拡散防止層との層厚和が１００ｎｍ以下である限り、不純物拡散防止層１１４の層厚は、０ｎｍより大きく９５ｎｍ以下の範囲、好ましくは５ｎｍ以上９０ｎｍ以下の範囲、さらに好ましくは２０ｎｍ以上４０ｎｍ以下の範囲で変化させることができる。
【００８７】
（実施の形態５）
本実施の形態５は、実施の形態４の構成を以下のように変更した以外は実施の形態１と同じである。
１）ｎ型不純物添加層１０６またはｐ型不純物添加層１０７を、図６〜８に示すように、少なくとも一方の層が２層以上である構造とした。ただし、各層のバンドギャップは、その層に上接する層のバンドギャップ以下となるように調整した。
２）積層したｎ型不純物添加層と不純物拡散防止層との層厚和を５ｎｍ以上１００ｎｍ以下とした。
【００８８】
この実施の形態５をハンダ等によりステムにマウントした後、ワイヤーボンディングで電気的接続を取った半導体レーザ装置は、上記の動作寿命検査に対して実施の形態１と同様の優れた特性を示した。
【００８９】
上記実施の形態４、５から、ｎ型不純物添加層、不純物拡散防止層およびｐ型不純物添加層は、各層のバンドギャップがその層に上接する層のバンドギャップ以下であり、かつｎ型不純物添加層と不純物拡散防止層との層厚和が５ｎｍ以上１００ｎｍ以下の範囲であると、窒化物半導体発光素子の寿命が顕著に向上することが判った。
【００９０】
〔その他の事項〕
（１）本発明では、ｎ型不純物添加層、不純物拡散防止層またはｐ型不純物添加層の組成として、Ａｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_ｚＮ（式中のｘ、ｙ、ｚは、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１を満たす実数）を用いることができる。
ここで、それらの組成を、
▲１▼ Ｉｎ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０＜ｘ≦１）とすると、一般的な活性層の組成であるＩｎＧａＮから、元素比率を変えるだけで連続的に各層を形成できるため、界面でのキャリア再結合の影響を抑えることができる。
▲２▼ Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）とすると、その組成をＩｎ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０＜ｘ≦１）とした場合よりも各層の成長条件がさらに安定する。その結果、個々の素子におけるバンドギャップや電気的特性の制御性が一層高まり、かつウエハ内での面内分布を均一化するため、素子の動作寿命が一層向上する。また、ｐ型クラッド層の組成はＡｌＧａＮ系であり、活性層の組成はＩｎＧａＮ系であることが多いので、ｐ型クラッド層との格子定数差から生じる格子歪みが緩和される。
【００９１】
さらに、不純物拡散防止層と、この不純物拡散防止層に接するｎ型不純物添加層とｐ型不純物添加層との組成を、上記式（１）または式（２）に従い各層のバンドギャップを等しくすると、層間に格子歪みが発生しにくくなるので、電気的特性のバラツキが少なく高い結晶性を有する層が得やすくなり、素子の動作寿命がさらに一層向上する。このような各層のバンドギャップが等しい構成としては、例えば、各層を全てＧａＮとする構成があげられる。
（２）本発明では、障壁層は井戸層よりもバンドギャップが大きく、井戸層に注入されたキャリアを閉じ込めることができる層であるが、不純物添加層に最近接する障壁層のバンドギャップとその他の障壁層のバンドギャップは異なっていてもよい。
【００９２】
（３）本発明は、活性層中の井戸層と障壁層との積層数を増やす構成としてもよい。例えば図１０に示すように、活性層１０５を、最下層の障壁層の上に、井戸層、障壁層、井戸層、障壁層、井戸層、障壁層、井戸層、障壁層、井戸層、障壁層、井戸層および障壁層が積層された構成としても、十分な長寿命を発揮できることを確認している。
【００９３】
ただし、ｐ型不純物添加層から活性層へのホールの注入効率を向上する目的から、活性層の層厚は、活性層とｎ型不純物添加層と不純物拡散防止層との層厚和が２５ｎｍより大きく１５０ｎｍ以下の範囲であることが好ましい。
【００９４】
（４）本発明は、各層の組成をＡｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_ｚＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）とすることができるが、窒素元素のうち約１０％以下（ただし、六方晶系であること）がヒ素（Ａｓ）、リン（Ｐ）、アンチモン（Ｓｂ）のいずれかの元素に置換されていてもよい。
【００９５】
（５）実施の形態１では、第１の不純物を有するクラッド層の組成としてＡｌ_０．１Ｇａ_０．９Ｎを示したが、その組成は限定されないことは勿論である。例えば、Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ系である場合は、ｘが０．０５以上０．１５以下とすることができる。
【００９６】
（６）ｎ型不純物添加層にドープする不純物としては、ケイ素（Ｓｉ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、スズ（Ｓｎ）、硫黄（Ｓ）、酸素（Ｏ）、チタン（Ｔｉ）、ジルコニウム（Ｚｒ）等のＩＶ族、もしくはＶＩ族元素を用いることができるが、結晶性の良好な半導体層を得るためには、ケイ素（Ｓｉ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、スズ（Ｓｎ）を用いることが好ましい。
【００９７】
（７）上記実施の形態ではｎ型基板としてのｎ型ＧａＮ基板を用いたが、これに代えて、ｐ型基板としてのｐ型ＧａＮ基板を使用できることは勿論である。また、各層に対する格子不整合抑制の観点からＧａＮ基板が最も望ましいが、ＧａＮ基板以外にも、ＳｉＣ基板、スピネル基板、等も用いることができる。
【００９８】
（８）上記実施の形態１では、第２導電型の第３の不純物を有する不純物添加層（実施の形態１ではｎ型不純物添加層）は、その層厚和が５ｎｍ以上１００ｎｍ以下の範囲である限り複数層とすることができる。ここで、各不純物添加層のバンドギャップが、その層と活性層側で接する不純物添加層以下であると、活性層へキャリアが移動する際に超えるべきエネルギー障壁量が少なくなる。これによりキャリアの注入効率が上がり、窒化物半導体発光素子が長寿命化する。
【００９９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明では以下の▲１▼〜▲３▼の効果が得られるため、活性層へのキャリアの注入効率が向上し、素子の発振閾値が引き下げられる。この結果、レーザ作動寿命時間（長期信頼性）に優れた窒化物半導体発光素子が提供される。
【０１００】
▲１▼ 第３の不純物を有する不純物添加層のバンドギャップが、第３の不純物を有する不純物添加層に最近接する障壁層のバンドギャップから５０ｍｅＶ以上大きいため、活性層に注入されたキャリアは、このエネルギー障壁を越えて第３の不純物を有する不純物添加層へと離散しにくくなる。
【０１０１】
▲２▼ 第３の不純物を有する不純物添加層のバンドギャップが、第４の不純物を有する不純物添加層のバンドギャップ以下であるため、クラッド層から活性層へと電子またはホールが注入される際にそれらが突破すべきエネルギー障壁量が少なくなる。
【０１０２】
▲３▼ アンドープの不純物拡散防止層が、第３の不純物を有する不純物添加層と第４の不純物を有する不純物添加層との間における不純物の交雑を防止する。この結果、不純物の交雑によってこれらの層の電気抵抗が上昇することを抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明の一例である窒化物半導体レーザ素子の構造を示す模式的な断面図である。
【図２】図２は、第３の不純物を有する不純物添加層のｎ型不純物濃度と半導体レーザ素子の動作寿命との相関を示す図である。
【図３】図３は、第３の不純物を有する不純物添加層の層厚と半導体レーザ素子の動作寿命との相関を示す図である。
【図４】図４は、従来の技術にかかる窒化物半導体発光素子の構造を示す模式的な断面図である。
【図５】図５は、本発明の別の例にかかる窒化物半導体レーザ素子の構造を示す模式的な断面図である。
【図６】図６は、本発明の一例である窒化物半導体レーザ素子におけるクラッド層と活性層の間に設けられた構造を示す模式的な断面図である。
【図７】図７は、本発明の別の例にかかる窒化物半導体レーザ素子におけるクラッド層と活性層の間に設けられた構造を示す模式的な断面図である。
【図８】図８は、本発明の別の例にかかる窒化物半導体レーザ素子におけるクラッド層と活性層の間に設けられた構造を示す模式的な断面図である。
【図９】図９は、本発明の一例である窒化物半導体レーザ素子における活性層近傍の構造を示す模式的な断面図である。
【図１０】図１０は、本発明の別の例にかかる窒化物半導体レーザ素子における活性層近傍の構造を示す模式的な断面図である。
【符号の説明】
１００ ｎ型ＧａＮ基板
１０１ ｎ型ＧａＮ層
１０２ ｎ型Ｉｎ０．０７Ｇａ０．９３Ｎクラック防止層
１０３ ｎ型Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ｎクラッド層
１０４ ｎ型ＧａＮ光ガイド層
１０５ 活性層
１０６ ｎ型不純物添加層
１１４ 不純物拡散防止層
１０７ ｐ型不純物添加層
１０８ ｐ型ＧａＮ光ガイド層
１０９ ｐ型Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ｎクラッド層
１１０ ｐ型ＧａＮコンタクト層
１１１ ｎ型電極
１１２ ｐ型電極
１１３ ＳｉＯ２誘電体膜
４０１ サファイア基板
４０２ バッファ層
４０３ ｎ型ＧａＮコンタクト層
４０４ ｎ型Ｉｎ０．０５Ｇａ０．９５Ｎクラック防止層
４０５ ｎ型Ａｌ０．０７Ｇａ０．９３Ｎクラッド層
４０６ ｎ型ＧａＮ光ガイド層
４０７ 多重量子井戸活性層
４０８ ｎ型Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ｎインジウム解離防止層
４０９ ｐ型ＧａＮ光ガイド層
４１０ ｐ型Ａｌ０．０７Ｇａ０．９３Ｎクラッド層
４１１ ｐ型ＧａＮコンタクト層
４１２ ｐ電極
４１３ ｎ電極

Claims (13)

1. 第１導電型の第１の不純物を有するクラッド層と、
   第２導電型の第２の不純物を有するクラッド層と、
   前記第１の不純物を有するクラッド層と前記第２の不純物を有するクラッド層との間に設けられた、アンドープの窒化物半導体からなる井戸層とアンドープの窒化物半導体からなる障壁層とを有する量子井戸構造の活性層と、
   前記活性層と前記第１の不純物を有するクラッド層との間に設けられた第２導電型の第３の不純物を有する不純物添加層と、
   前記第３の不純物を有する不純物添加層と前記第１の不純物を有するクラッド層との間に設けられた第１導電型の第４の不純物を有する不純物添加層と
   を少なくとも備え、
   前記第３の不純物を有する不純物添加層のバンドギャップが、前記第３の不純物を有する不純物添加層に最近接する障壁層のバンドギャップより５０ｍｅＶ以上大きく、前記第４の不純物を有する不純物添加層のバンドギャップ以下であり、
   前記第４の不純物を有する不純物添加層のバンドギャップが、前記第１の不純物を有するクラッド層のバンドギャップより大きい
   ことを特徴とする窒化物半導体発光素子。
2. 第１導電型の第１の不純物を有するクラッド層と、
   基板と、
   前記第１の不純物を有するクラッド層と前記基板との間に設けられた第２導電型の第２の不純物を有するクラッド層と、
   前記第１の不純物を有するクラッド層と前記第２の不純物を有するクラッド層との間に設けられた、アンドープの窒化物半導体からなる井戸層とアンドープの窒化物半導体からなる障壁層とを有する量子井戸構造の活性層と、
   前記活性層と前記第１の不純物を有するクラッド層との間に設けられた第２導電型の第３の不純物を有する不純物添加層と、
   前記第３の不純物を有する不純物添加層と前記第１の不純物を有するクラッド層との間に設けられた第１導電型の第４の不純物を有する不純物添加層と
   を少なくとも備え、
   前記第３の不純物を有する不純物添加層のバンドギャップが、前記第３の不純物を有する不純物添加層に最近接する障壁層のバンドギャップより５０ｍｅＶ以上大きく、前記第４の不純物を有する不純物添加層のバンドギャップ以下であり、
   前記第４の不純物を有する不純物添加層のバンドギャップが、前記第１の不純物を有するクラッド層のバンドギャップより大きい
   ことを特徴とする窒化物半導体発光素子。
3. 前記第１導電型がｐ型であり、
   かつ前記第２導電型がｎ型である
   ことを特徴とする請求項１または２記載の窒化物半導体発光素子。
4. 前記第３の不純物を有する不純物添加層と前記第４の不純物を有する不純物添加層との間に、アンドープの窒化物半導体からなる不純物拡散防止層をさらに備える
   ことを特徴とする請求項１または２記載の窒化物半導体発光素子。
5. 前記第４の不純物を有する不純物添加層と前記第１の不純物を有するクラッド層との間に、第１導電型の第５の不純物を有する不純物添加層をさらに備え、
   前記第５の不純物を有する不純物添加層のバンドギャップが、前記第４の不純物を有する不純物添加層のバンドギャップ未満である
   ことを特徴とする請求項１または２記載の窒化物半導体発光素子。
6. 前記第２導電型の第３の不純物を有する不純物添加層が、５×１０^１６／ｃｍ^３ 以上５×１０^１８／ｃｍ^３以下で前記第２導電型の第３の不純物を含有している
   ことを特徴とする請求項１または２記載の窒化物半導体発光素子。
7. 前記第２導電型の第３の不純物を有する不純物添加層が、１×１０^１７／ｃｍ^３ 以上１×１０^１８／ｃｍ^３以下で前記第２導電型の第３の不純物を含有している
   ことを特徴とする請求項１または２記載の窒化物半導体発光素子。
8. 前記第３の不純物がケイ素（Ｓｉ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、スズ（Ｓｎ）、硫黄（Ｓ）、酸素（Ｏ）、チタン（Ｔｉ）およびジルコニウム（Ｚｒ）からなる群から選ばれたｎ型不純物である
   ことを特徴とする請求項１または２記載の窒化物半導体発光素子。
9. 前記第３の不純物を有する不純物添加層が、５ｎｍ以上１００ｎｍ以下の層厚である
   ことを特徴とする請求項１または２記載の窒化物半導体発光素子。
10. 前記第３の不純物を有する不純物添加層が、１０ｎｍ以上７０ｎｍ以下の層厚である
    ことを特徴とする請求項１または２記載の窒化物半導体発光素子。
11. 前記活性層における前記第３の不純物を有する不純物添加層側端部と、
    前記第４の不純物添加層における前記第３の不純物添加層側端部との距離が、５ｎｍ以上１００ｎｍ以下である
    ことを特徴とする請求項１または２記載の窒化物半導体発光素子。
12. 前記活性層における前記第２の不純物を有するクラッド層側端部と、
    前記第４の不純物添加層における前記第３の不純物添加層側端部との距離が、２５ｎｍ以上１５０ｎｍ以下である
    ことを特徴とする請求項１または２記載の窒化物半導体発光素子。
13. 前記第３の不純物を有する不純物添加層または前記第４の不純物を有する不純物添加層が、一般式ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（式中のｘは０≦ｘ≦１を満たす実数である）で示される窒化物半導体からなる
    ことを特徴とする請求項１または２記載の窒化物半導体発光素子。

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