JP2008047940A - 化合物半導体発光素子 - Google Patents

Abstract

【課題】 クラックの少ない良質なクラッド層を得る。
【解決手段】 基板上に、少なくとも下部クラッド層と、活性層または発光層と、上部クラッド層を備える化合物半導体発光素子において、活性層または発光層はAlInGaNからなり、上部または下部クラッド層は緩衝層とクラッド層の繰り返しからなり、緩衝層とクラッド層は組成が異なり、かつ、緩衝層の厚さは、クラッド層の厚さよりも薄くすることによって、良質なクラッド層を得ることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、青色領域で発光可能な半導体レーザおよび発光ダイオードの実現が可能な化合物半導体発光素子およびその製造方法に関する。

従来、Ｖ族元素を窒素（Ｎ）とするIII−Ｖ族化合物半導体はエネルギーギャップが広いことから可視および紫外域の発光材料として注目されている。そのうち、ＡｌＧａＮ系材料を用いて、青色領域で発光可能な半導体レーザおよび発光ダイオード等の発光素子が検討されている。

図３に、従来のＡｌＧａＮ系半導体レーザ［または発光ダイオード］の断面模式図を示す。なお、［］内は発光ダイオードの場合である。

この素子は、サファイア基板１０１上に、薄層のＧａＮまたはＡｌＮからなるバッファ層１０２が形成され、その上に、ｎ型ＧａＮ層１０３、ｎ型ＡｌＧａＮ下部クラッド層１０４、ノンドープＡｌＧａＩｎＮ系活性層［ＺｎをドープしたＡｌＧａＩｎＮ系発光層］１０５、ｐ型ＡｌＧａＮ上部クラッド層１０７、ｐ型ＧａＮキャップ層１０８が積層形成されている。

ｐ型ＧａＮキャップ層１０８の上にはｐ型電極９０が形成されている。また、ｎ型ＧａＮ層１０３の上部が一部露出するように、その上側のｎ型下部クラッド層１０４、活性層［または発光層］１０５、ｐ型上部クラッド層１０７およびｐ型キャップ層１０８は部分的に除去され、露出したｎ型ＧａＮ層１０３の部分の上にｎ型電極１００が形成されている。

この半導体レーザ［または発光ダイオード］の製造は、以下のようにして行われる。

まず、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）により、サファイア基板１０１を約１０５０℃で表面処理し、次に、基板温度を約５００℃に下げて薄層のＧａＮまたはＡｌＮからなるバッファ層１０２を成長させる。

次に、基板温度を約１０２０℃に上げてｎ型ＧａＮ層１０３を形成し、引き続いてｎ型ＡｌＧａＮ下部クラッド層１０４を約１μｍ成長させる。

続いて、基板温度を約８００℃に下げてノンドープＡｌＧａＩｎＮ活性層［またはＺｎドープ発光層］１０５を約１００オングストローム〜５００オングストローム成長させる。

その後、基板温度を約１０２０℃に上げてｐ型ＡｌＧａＮ上部クラッド層１０７を約１μｍ成長させ、引き続いてｐ型ＧａＮキャップ層１０８を成長させる。

上記従来の半導体レーザ［または発光ダイオード］において、光を活性層およびクラッド層に有効に閉じ込め、注入電流を活性層に有効に閉じ込めるためには、上部クラッド層１０７および下部クラッド層１０４の層厚は約１μｍ程度必要である。

しかし、従来の半導体レーザ［または発光ダイオード］の素子構造および作製方法では、図４および図５に示すように、ＡｌＧａＮ下部クラッド層１０４を約１μｍ程度成長させた場合、表面にクラック１０９が発生し、良質なクラッド層を得ることが困難であった。

本発明は、このような従来技術の課題を解決するためになされたものであり、表面状態が良好でクラックの無い良質なクラッド層が得られ、電気特性および光学特性が良好な半導体レーザおよび発光ダイオードの実現が可能な化合物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。

本発明の化合物半導体発光素子は、基板上に、少なくとも下部クラッド層と、活性層または発光層と、上部クラッド層を備える化合物半導体発光素子において、活性層または発光層はAlInGaNからなり、上部または下部クラッド層は、緩衝層とクラッド層の繰り返しからなり、緩衝層とクラッド層は組成が異なり、かつ、緩衝層の厚さは、クラッド層の厚さよりも薄いことを特徴とする。

本発明の化合物半導体発光素子は、基板上に、少なくとも下部クラッド層と、活性層または発光層と、上部クラッド層とが基板側からこの順に形成され、該下部クラッド層中および上部クラッド層中に、緩衝層が単層または複数層形成されており、そのことにより上記目的が達成される。

前記緩衝層はＡｌ_xＧａ_1-xＮ（０≦ｘ≦１）からなり、前記下部クラッド層および上部クラッド層を構成するクラッド層はＡｌ_yＧａ_1-yＮ（０＜ｙ＜１）からなり、前記活性層または発光層はＡｌ_wＧａ_zＩｎ_1-w-zＮ（０≦ｗ≦１、０≦ｚ≦１からなるものを用いることができる。

本発明の化合物半導体発光素子の製造方法は、基板上に、少なくとも下部クラッド層と、活性層または発光層と、上部クラッド層とがこの順に形成された化合物半導体発光素子の製造方法において、該下部クラッド層中および上部クラッド層中に、クラッド層の成長温度よりも低い成長温度で、ＧａＮからなる緩衝層を単層または複数層成長させており、そのことにより上記目的が達成される。

本発明の化合物半導体発光素子の製造方法は、基板上に、少なくとも下部クラッド層と、活性層または発光層と、上部クラッド層とがこの順に形成された化合物半導体発光素子の製造方法において、該下部クラッド層中および上部クラッド層中に、クラッド層の成長温度と同じ温度またはクラッド層の成長温度よりも高い成長温度で、ＡｌＮまたはＡｌ_xＧａ_1-xＮ（０＜ｘ＜１）からなる緩衝層を単層または複数層成長させており、そのことにより上記目的が達成される。

以下に本発明の作用につき説明する。 本発明にあっては、下部クラッド層中および上部クラッド層中に、緩衝層が単層または複数層形成されている。クラッド層／緩衝層を繰り返して成長することにより、表面モフォロジーが良好でクラックの無い良質な上部クラッド層および下部クラッド層を所望の厚みに成長できる。

例えば、Ａｌ_yＧａ_1-yＮ（０＜ｙ＜１）クラッド層とＡｌ_xＧａ_1-xＮ（０≦ｘ≦１）緩衝層を繰り返して成長することにより、下部クラッド層および上部クラッド層の厚みを約１μｍ程度にすることが可能である。

このように良質で厚膜の上部クラッド層および下部クラッド層を用い、Ａｌ_wＧａ_zＩｎ_1-w-zＮ（０≦ｗ≦１、０≦ｚ≦１を活性層または発光層として、ＡｌＧａＩｎＮ系半導体レーザ素子および発光ダイオードが実現可能である。

ＧａＮからなる緩衝層は、ＡｌＧａＮクラッド層の成長温度またはクラッド層の成長温度よりも高い成長温度で成長させてもよいが、クラッド層の成長温度よりも低い成長温度で成長させると緩衝層の蒸発による影響がなく、より良好なクラッド層が得られる。

ＡｌＮまたはＡｌ_xＧａ_1-xＮ（０＜ｘ＜１）からなる緩衝層は、ＡｌＧａＮクラッド層の成長温度よりも低い成長温度で成長させてもよいが、緩衝層の蒸発を考慮する必要が無いのでクラッド層の成長温度と同じ温度またはクラッド層の成長温度よりも高い成長温度で成長させることができ、製造が容易である。

本発明によれば、下部クラッド層中および上部クラッド層中に、緩衝層を単層または複数層形成されており、クラッド層／緩衝層を繰り返して成長することにより、表面状態が良好でクラックの無い良質なクラッド層を所望の厚みに成長できる。

Ａｌ_yＧａ_1-yＮ（０＜ｙ＜１）クラッド層の場合、Ａｌ_xＧａ_1-xＮ（０≦ｘ≦１）緩衝層とクラッド層とを繰り返して成長することにより、上部クラッド層および下部クラッド層を約１μｍ程度成長することが可能である。この上部クラッド層、下部クラッド層およびＡｌ_wＧａ_zＩｎ_1-w-zＮ（０≦ｗ≦１、０≦ｚ≦１活性層［または発光層］により、ＡｌＧａＩｎＮ系半導体レーザ素子および発光ダイオードが実現可能である。

このように良質で厚膜なクラッド層が得られるので、量産性に優れ、電気特性および光学特性が良好な半導体レーザおよび発光ダイオードの実現が可能となる。

以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。尚、以下の図において、同一の機能を有する部分は同一の番号で示している。

（実施形態１）
図１は、本発明の一実施形態であるＡｌＧａＮ／ＩｎＧａＮ／ＡｌＧａＮ系半導体レーザ［または発光ダイオード］を示す断面図である。

この素子は、サファイア基板１上に、薄層のＧａＮまたはＡｌＮからなるバッファ層２が形成され、その上に、ｎ型ＧａＮ層３、ｎ型下部クラッド層４、ノンドープまたはＳｉドープＡｌ_wＧａ_zＩｎ_1-w-zＮ（０≦ｗ≦１、０≦ｚ≦１）活性層［または発光層］６、ｐ型上部クラッド層７およびｐ型ＧａＮキャップ層９が積層形成されている。

ｎ型下部クラッド層４中には、ｎ型Ａｌ_yＧａ_1-yＮ（０＜ｙ＜１）クラッド層４ａと薄層のｎ型Ａｌ_xＧａ_1-xＮ（０≦ｘ≦１）緩衝層５とが交互に積層形成され、下部クラッド層４の厚みは約１μｍ程度にされている。また、ｐ型上部クラッド層７中には、ｐ型Ａｌ_yＧａ_1-yＮ（０＜ｙ＜１）クラッド層７ａと薄層のｐ型Ａｌ_xＧａ_1-xＮ（０≦ｘ≦１）緩衝層８とが交互に積層形成されて、上部クラッド層７の厚みは約１μｍ程度にされている。

ｐ型キャップ層９の上にはｐ型電極１０が形成されている。また、ｎ型ＧａＮ層３の上部が一部露出するように、その上側のｎ型下部クラッド層４、活性層［または発光層］６、ｐ型上部クラッド層７、ｐ型緩衝層８およびｐ型キャップ層９は部分的に除去され、露出したｎ型ＧａＮ層３の部分の上にｎ型電極１１が形成されている。

この実施形態１では、厚み約０．１５〜０．３μｍのｎ型Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎクラッド層４ａと厚み約２００オングストロームのｎ型ＧａＮ緩衝層５とを繰り返し成長して約１μｍとしている。また、厚み約０．１５〜０．３μｍのｐ型Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎクラッド層７ａと厚み約２００オングストロームのｐ型ＧａＮ緩衝層８とを繰り返し成長して下部クラッド層４および上部クラッド層７の厚みを約１μｍとしている。また、活性層［または発光層］６としては、厚み約２００オングストロームのノンドープまたはＳｉドープＧａ_0.2Ｉｎ_0.8Ｎ層を形成している。

この半導体レーザ［または発光ダイオード］の製造は、以下のようにして行われる。

各半導体層の成長はＭＯＣＶＤ法により行い、基板としてサファイア（０００１）Ｃ面を用いる。III族ガス源としてはトリメチルガリウム（ＴＭＧ）、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）、トリメチルインジウム（ＴＭＩ）を用い、Ｖ族ガス源としてはアンモニア（ＮＨ₃）を用いる。ｎ型ドーパント源としてはモノシラン（ＳｉＨ₄）を用い、ｐ型ドーパント源としてはビスシクロペンタディエニルマグネシウム（Ｃｐ₂Ｍｇ）を用いる。また、キャリアガスとしてはＨ₂を用いる。

まず、ＭＯＣＶＤ装置内にサファイア基板１を導入して、Ｈ₂中で基板温度約１０５０℃で基板を熱することにより、基板の表面処理を行う。次に、基板温度を約５００℃に下げてＧａＮまたはＡｌＮからなるバッファ層２を成長させる。ＧａＮからなるバッファ層の厚みは２５０オングストローム、ＡｌＮからなるバッファ層の厚みは５００オングストロームとする。

次に、基板温度を約１０２０℃に上げてｎ型ＧａＮ層３を厚み約４μｍ成長させる。

続いて、同じ基板温度でｎ型Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎクラッド層４ａを約０．１５μｍ〜０．３μｍ成長させ、その後、基板温度を約５００℃に下げてｎ型ＧａＮ緩衝層５を約２００オングストローム成長させる。さらに、上記ｎ型クラッド層４ａ／ｎ型緩衝層５の成長を繰り返して、下部クラッド層４の厚みを約１μｍとする。

次に、基板温度を約８００℃にしてノンドープまたはＳｉドープＩｎ_0.2Ｇａ_0.8Ｎ活性層［または発光層］６を厚み約２００オングストローム成長させる。

続いて、基板温度を約１０２０℃に上げてｐ型Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎクラッド層７ａを約０．１５μｍ〜０．３μｍ成長させ、その後、基板温度を約５００℃に下げてｐ型ＧａＮ緩衝層８を約２００オングストローム成長させる。さらに、上記ｐ型クラッド層７ａ／ｐ型緩衝層８の成長を繰り返して、上部クラッド層７の厚みを約１μｍにする。

引き続いて、ｐ型ＧａＮキャップ層９を厚み約１μｍ成長させる。 成長後のウェハーに対して約７００℃、Ｎ₂雰囲気中で熱アニーリングを行うことにより、ｐ型緩衝層８、ｐ型クラッド層７ａおよびｐ型キャップ層９を高濃度のｐ型層に変化させる。

その後、ｎ型電極１１形成のためにｎ型ＧａＮ層３が露出するまでエッチングを行い、これにより露出されたｎ型ＧａＮ層３上にｎ型電流１１を形成し、ｐ型キャップ層９の上にｐ型電流１０を形成する。

なお、ＧａＮ緩衝層の成長は、約１０００℃または約１２００℃等、クラッド層と同じかまたは高い成長温度で行ってもよいが、ＧａＮ緩衝層の蒸発を考慮すれば、約５００℃程度のクラッド層よりも低い成長温度で行うのが好ましい。

この実施形態１においては、ＡｌＧａＮクラッド層の間にＧａＮ緩衝層が形成されているので、表面状態が良好でクラックの無い良質なＡｌＧａＮクラッド層の結晶成長が可能であった。このように良質で厚膜のクラッド層が得られるので、量産性に優れ、電気特性および光学特性が良好なＡｌＧａＩｎＮ系半導体レーザおよび発光ダイオードの実現が可能となる。

（実施形態２）
この実施形態２では、厚み約０．１５〜０．３μｍのｎ型Ａｌ_0.3Ｇａ_0.7Ｎクラッド層４ａと厚み約２００オングストロームのｎ型ＧａＮ緩衝層５とを繰り返し成長して下部クラッド層４の厚みを約１μｍとし、厚み約０．１５〜０．３μｍのｐ型Ａｌ_0.3Ｇａ_0.7ＮＮクラッド層７ａと厚み約２００オングストロームのｐ型ＧａＮ緩衝層８とを繰り返し成長して上部クラッド層７の厚みを約１μｍとしている。また、活性層［または発光層］６としては、実施形態１と同様に、厚み約２００オングストロームのノンドープまたはＳｉドープＧａ_0.2Ｉｎ_0.8Ｎ層を形成している。その他の構造は、実施形態１と同様である。

この半導体レーザ［または発光ダイオード］の製造は、以下のようにして行われる。

各半導体層の成長は実施形態１と同様にＭＯＣＶＤ法により行い、基板としてサファイア（０００１）Ｃ面を用いる。ＩＩＩ族ガス源、Ｖ族ガス源、ｎ型ドーパント源、ｐ型ドーパント源およびキャリアガスとしては実施形態１と同様のものを用いる。

まず、実施形態１と同様にして、サファイア基板１上にバッファ層２およびｎ型ＧａＮ層３を成長させる。

続いて、ｎ型ＧａＮ層３と同じ約１０２０℃の基板温度でｎ型Ａｌ_0.3Ｇａ_0.7Ｎクラッド層４ａを約０．１５μｍ〜０．３μｍ成長させ、その後、基板温度を約５００℃に下げてｎ型ＧａＮ緩衝層５を約２００オングストローム成長させる。さらに、上記ｎ型クラッド層４ａ／ｎ型緩衝層５の成長を繰り返して、下部クラッド層４の厚みを約１μｍにする。

次に、実施形態１と同様にして活性層［または発光層］６を成長させる。 続いて、基板温度を約１０２０℃に上げてｐ型Ａｌ_0.3Ｇａ_0.7Ｎクラッド層７ａを約０．１５μｍ〜０．３μｍ成長させ、その後、基板温度を約５００℃に下げてｐ型ＧａＮ緩衝層８を約２００オングストローム成長させる。さらに、上記ｐ型クラッド層７ａ／ｐ型緩衝層８の成長を繰り返して、上部クラッド層７の厚みを約１μｍとする。

引き続いて、実施形態１と同様にしてｐ型キャップ層９を成長させ、ｐ型緩衝層８、ｐ型クラッド層７ａ、ｐ型キャップ層９を高濃度のｐ型層に変化させる。その後、実施形態１と同様にしてｐ型電極１０およびｎ型電極１１を形成する。

なお、ＧａＮ緩衝層の成長は、約１０００℃または約１２００℃等、クラッド層と同じかまたは高い成長温度で行ってもよいが、ＧａＮ緩衝層の蒸発を考慮すれば、約５００℃程度のクラッド層よりも低い成長温度で行うのが好ましい。

この実施形態２においても、ＡｌＧａＮクラッド層の間にＧａＮ緩衝層が形成されているので、表面状態が良好でクラックの無い良質なＡｌＧａＮクラッド層の結晶成長が可能であった。このように良質で厚膜のクラッド層が得られるので、量産性に優れ、電気特性および光学特性が良好なＡｌＧａＩｎＮ系半導体レーザおよび発光ダイオードの実現が可能となる。

（実施形態３）
この実施形態３では、厚み約０．１５〜０．３μｍのｎ型Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎクラッド層４ａと厚み約２００オングストロームのｎ型ＡｌＮ緩衝層５とを繰り返し成長して下部クラッド層４の厚みを約１μｍとし、厚み約０．１５〜０．３μｍのｐ型Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎクラッド層７ａと厚み約２００オングストロームのｐ型ＡｌＮ緩衝層８とを繰り返し成長して上部クラッド層７の厚みを約１μｍとしている。また、活性層［または発光層］６としては、実施形態１と同様に、厚み約２００オングストロームのノンドープまたはＳｉドープＧａ_0.2Ｉｎ_0.8Ｎ層を形成している。その他の構造は、実施形態１と同様である。

この半導体レーザ［または発光ダイオード］の製造は、以下のようにして行われる。

各半導体層の成長は実施形態１と同様にＭＯＣＶＤ法により行い、基板としてサファイア（０００１）Ｃ面を用いる。III族ガス源、Ｖ族ガス源、ｎ型ドーパント源、ｐ型ドーパント源およびキャリアガスとしては実施形態１と同様のものを用いる。

まず、実施形態１と同様にして、サファイア基板１上にバッファ層２およびｎ型ＧａＮ層３を成長させる。

続いて、ｎ型ＧａＮ層３と同じ約１０２０℃の基板温度でｎ型Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎクラッド層４ａを約０．１５μｍ〜０．３μｍ成長させ、その後、基板温度を約１０００℃または約１２００℃にしてｎ型ＡｌＮ緩衝層５を約２００オングストローム成長させる。さらに、上記ｎ型クラッド層４ａ／ｎ型緩衝層５の成長を繰り返して、下部クラッド層４の厚みを約１μｍにする。

次に、実施形態１と同様にして活性層［または発光層］６を成長させる。 続いて、基板温度を約１０２０℃に上げてｐ型Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎクラッド層７ａを約０．１５μｍ〜０．３μｍ成長させ、その後、基板温度を約５００℃に下げてｐ型ＡｌＮ緩衝層８を約２００オングストローム成長させる。さらに、上記ｐ型クラッド層７ａ／ｐ型緩衝層８の成長を繰り返して、上部クラッド層７の厚みを約１μｍにする。

引き続いて、実施形態１と同様にしてｐ型キャップ層９を成長させ、ｐ型緩衝層８、ｐ型上部クラッド層７、ｐ型キャップ層９を高濃度のｐ型層に変化させる。

その後、実施形態１と同様にしてｐ型電極１０およびｎ型電極１１を形成する。

なお、ＡｌＮ緩衝層の成長温度は、約５００℃程度の低温でもよいが、ＡｌＮ緩衝層はその蒸発を考慮しなくてよく、約１０００℃または約１２００℃等の高温の方が好ましい。また、成長中に温度を下げることなく成長を行い得るため製造が容易になる。

この実施形態３においては、ＡｌＧａＮクラッド層の間にＡｌＮ緩衝層が形成されているので、表面状態が良好でクラックの無い良質なＡｌＧａＮクラッド層の結晶成長が可能であった。このように良質で厚膜のクラッド層が得られるので、量産性に優れ、電気特性および光学特性が良好なＡｌＧａＩｎＮ系半導体レーザおよび発光ダイオードの実現が可能となる。

（実施形態４）
この実施形態４では、厚み約０．１５〜０．３μｍのｎ型Ａｌ_0.3Ｇａ_0.7Ｎクラッド層４ａと厚み約２００オングストロームのｎ型Ａｌ_0.05Ｇａ_0.95Ｎ緩衝層５とを繰り返し成長して下部クラッド層４の厚みを約１μｍとし、厚み約０．１５〜０．３μｍのｐ型Ａｌ_0.3Ｇａ_0.7Ｎクラッド層７ａと厚み約２００オングストロームのｐ型Ａｌ_0.05Ｇａ_0.95Ｎ緩衝層８とを繰り返し成長して上部クラッド層７ａの厚みを約１μｍとしている。また、活性層［または発光層］６としては、実施形態１と同様に、厚み約２００オングストロームのノンドープまたはＳｉドープＧａ_0.2Ｉｎ_0.8Ｎ層を形成している。その他の構造は、実施形態１と同様である。

この半導体レーザ［または発光ダイオード］の製造は、以下のようにして行われる。
各半導体層の成長は実施形態１と同様にＭＯＣＶＤ法により行い、基板としてサファイア（０００１）Ｃ面を用いる。III族ガス源、Ｖ族ガス源、ｎ型ドーパント源、ｐ型ドーパント源およびキャリアガスとしては実施形態１と同様のものを用いる。

まず、実施形態１と同様にして、サファイア基板１上にバッファ層２およびｎ型ＧａＮ層３を成長させる。

続いて、ｎ型ＧａＮ層３と同じ約１０２０℃の基板温度でｎ型Ａｌ_0.3Ｇａ_0.7Ｎクラッド層４ａを約０．１５μｍ〜０．３μｍ成長させ、その後、基板温度を約１０００℃または約１２００℃にしてｎ型Ａｌ_0.05Ｇａ_0.95Ｎ緩衝層５を約２００オングストローム成長させる。さらに、上記ｎ型クラッド層４ａ／ｎ型緩衝層５の成長を繰り返して、下部クラッド層４の厚みを約１μｍにする。

次に、実施形態１と同様にして活性層［または発光層］６を成長させる。 続いて、基板温度を約１０２０℃に上げてｐ型Ａｌ_0.3Ｇａ_0.7Ｎクラッド層７ａを約０．１５μｍ〜０．３μｍ成長させ、その後、基板温度を約１０００℃または約１２００℃にしてｐ型Ａｌ_0.05Ｇａ_0.95Ｎ緩衝層８を約２００オングストローム成長させる。さらに、上記ｐ型クラッド層７ａ／ｐ型緩衝層８の成長を繰り返して、上部クラッド層７の厚みを約１μｍにする。

引き続いて、実施形態１と同様にしてｐ型キャップ層９を成長させ、ｐ型緩衝層８、ｐ型クラッド層７ａ、ｐ型キャップ層９を高濃度のｐ型層に変化させる。その後、実施形態１と同様にしてｐ型電極１０およびｎ型電極１１を形成する。

なお、ＡｌＮ緩衝層の成長温度は、約５００℃程度の低温でもよいが、ＡｌＮ緩衝層はその蒸発を考慮しなくてよく、約１０００℃または約１２００℃等の高温の方が好ましい。また、成長中に温度を下げることなく成長を行い得るため製造が容易になる。

この実施形態４においては、ＡｌＧａＮクラッド層の間にＡｌＧａＮ緩衝層が形成されているので、表面状態が良好でクラックの無い良質なＡｌＧａＮクラッド層の結晶成長が可能であった。このように良質で厚膜のクラッド層が得られるので、量産性に優れ、電気特性および光学特性が良好なＡｌＧａＩｎＮ系半導体レーザおよび発光ダイオードの実現が可能となる。

（実施形態５）
図２は、本発明の他の実施形態であるＡｌＧａＮ／ＩｎＧａＮ／ＡｌＧａＮ系半導体レーザ［または発光ダイオード］を示す断面図である。

この素子は、サファイア基板１上に、薄層のＧａＮまたはＡｌＮからなるバッファ層２が形成され、その上に、ｎ型ＧａＮ層３、ｎ型下部クラッド層４、ノンドープまたはＳｉドープＡｌ_wＧａ_zＩｎ_1-w-zＮ（０≦ｗ≦１、０≦ｚ≦１）活性層［または発光層］６、ｐ型上部クラッド層７およびｐ型ＧａＮキャップ層９が積層形成されている。

ｎ型下部クラッド層４中には、ｎ型Ａｌ_yＧａ_1-yＮ（０＜ｙ＜１）クラッド層４ａと薄層のｎ型Ａｌ_xＧａ_1-xＮ（０≦ｘ≦１）緩衝層５が積層形成され、ｐ型上部クラッド層７中には、ｐ型Ａｌ_yＧａ_1-yＮ（０＜ｙ＜１）クラッド層７ａと薄層のｐ型Ａｌ_xＧａ_1-xＮ（０≦ｘ≦１）緩衝層８が積層形成されて、下部クラッド層４および上部クラッド層７の厚みが約１μｍ程度にされている。

ｐ型キャップ層９の上にはｐ型電極１０が形成されている。また、ｎ型下部クラッド層４、活性層［または発光層］６、ｐ型上部クラッド層７、ｐ型緩衝層８およびｐ型キャップ層９は、ｎ型ＧａＮ層３が一部露出するように部分的に除去され、そのｎ型ＧａＮ３の露出部上にｎ型電極１１が形成されている。

この実施形態５では、下部クラッド層４は、厚み約０．３μｍのｎ型Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎクラッド層４ａ、厚み約２００オングストロームのｎ型ＧａＮ緩衝層５、厚み約０．２５μｍのｎ型Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎクラッド層４ａ、厚み約２００オングストロームのｎ型ＧａＮ緩衝層５および厚み約０．１５μｍのｎ型Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎクラッド層４ａを順次成長している。また、上部クラッド層７は、厚み約０．１５μｍのｐ型Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎクラッド層７ａ、厚み約２００オングストロームのｐ型ＧａＮ緩衝層８、厚み約０．２５μｍのｐ型Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎクラッド層７ａ、厚み約２００オングストロームのｐ型ＧａＮ緩衝層８および厚み約０．３μｍのｐ型Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎクラッド層７ａを順次成長している。さらに、活性層［または発光層］６としては、実施形態１と同様に、厚み約２００オングストロームのノンドープまたはＳｉドープＧａ_0.2Ｉｎ_0.8Ｎ層を形成している。その他の構造は、実施形態１と同様である。

この半導体レーザ［または発光ダイオード］の製造は、以下のようにして行われる。

各半導体層の成長は実施形態１と同様にＭＯＣＶＤ法により行い、基板としてサファイア（０００１）Ｃ面を用いる。III族ガス源、Ｖ族ガス源、ｎ型ドーパント源、ｐ型ドーパント源およびキャリアガスとしては実施形態１と同様のものを用いる。

まず、実施形態１と同様にして、サファイア基板１上にバッファ層２およびｎ型ＧａＮ層３を成長させる。

続いて、ｎ型ＧａＮ層３と同じ約１０２０℃の基板温度でｎ型Ａｌ_0.3Ｇａ_0.7Ｎクラッド層４ａを約０．３μｍ成長させ、その後、基板温度を約５００℃に下げてｎ型ＧａＮ緩衝層５を約２００オングストローム成長させる。次に、約１０２０℃の基板温度でｎ型Ａｌ_0.3Ｇａ_0.7Ｎクラッド層４ａを約０．２５μｍ成長させ、その後、基板温度を約５００℃に下げてｎ型ＧａＮ緩衝層５を約２００オングストローム成長させる。さらに、約１０２０℃の基板温度でｎ型Ａｌ_0.3Ｇａ_0.7Ｎクラッド層４ａを約０．１５μｍ成長させる。

次に、実施形態１と同様にして活性層［または発光層］６を成長させる。 続いて、基板温度を約１０２０℃に上げてｐ型Ａｌ_0.3Ｇａ_0.7Ｎクラッド層７ａを約０．１５μｍ成長させ、その後、基板温度を約５００℃に下げてｐ型ＧａＮ緩衝層８を約２００オングストローム成長させる。次に、約１０２０℃の基板温度でｐ型Ａｌ_0.3Ｇａ_0.7Ｎクラッド層７ａを約０．２５μｍ成長させ、その後、基板温度を約５００℃に下げてｐ型ＧａＮ緩衝層８を約２００オングストローム成長らはる。さらに、約１０２０℃の基板温度でｐ型Ａｌ_0.3Ｇａ_0.7Ｎクラッド層７ａを約０．３μｍ成長させる。

引き続いて、実施形態１と同様にしてｐ型キャップ層９を成長させ、ｐ型緩衝層８、ｐ型クラッド層７ａ、ｐ型キャップ層９を高濃度のｐ型層に変化させる。その後、実施形態１と同様にしてｐ型電極１０およびｎ型電極１１を形成する。

なお、ＧａＮ緩衝層の成長は、約１０００℃または約１２００℃等、クラッド層と同じかまたは高い成長温度で行ってもよいが、ＧａＮ緩衝層の蒸発を考慮すれば、約５００℃程度のクラッド層よりも低い成長温度で行うのが好ましい。

この実施形態５においては、ＡｌＧａＮクラッド層の間にＧａＮ緩衝層が形成されているので、表面状態が良好でクラックの無い良質なＡｌＧａＮクラッド層の結晶成長が可能であった。また、活性層［または発光層］に近付くにつれてＡｌＧａＮクラッド層を薄くしているので、クラッド層の結晶状態をさらに良好にすることができた。このように良質で厚膜なクラッド層が得られるので、量産性に優れ、電気特性および光学特性が良好なＡｌＧａＩｎＮ系半導体レーザおよび発光ダイオードの実現が可能となる。

尚、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、成長条件、有機金属化合物ガスの種類、使用材料等は上記実施形態に示した以外のものを用いることができる。

本発明の一実施形態である半導体レーザ［または発光ダイオード］を示す断面模式図である。 本発明の他の実施形態である半導体レーザ［または発光ダイオード］を示す断面模式図である。 従来の半導体レーザ［または発光ダイオード］を示す断面模式図である。 従来の半導体レーザにおけるＡｌＧａＮクラッド層表面を示す平面模式図である。 従来の半導体レーザにおけるＡｌＧａＮクラッド層の作製工程を示す断面模式図である。

符号の説明

１ サファイア（０００１）基板２ ＧａＮまたはＡｌＮバッファ層３ ｎ型ＧａＮ層４ 下部クラッド層４ａ ｎ型Ａｌ_yＧａ_1-yＮ（０＜ｙ＜１）クラッド層５ 薄層ｎ型Ａｌ_xＧａ_1-xＮ（０≦ｘ≦１）緩衝層６ ノンドープまたはＳｉドープＡｌ_wＧａ_zＩｎ_1-w-zＮ（０≦ｗ≦１、０≦ｚ≦１）活性層または発光層７ 上部クラッド層７ａ ｐ型Ａｌ_yＧａ_1-yＮ（０＜ｙ＜１）クラッド層８ 薄層ｐ型Ａｌ_xＧａ_1-xＮ（０≦ｘ≦１）緩衝層９ ｐ型ＧａＮキャップ層１０ ｐ型電極１１ ｎ型電極

Claims (1)

1. 基板上に、少なくとも下部クラッド層と、活性層または発光層と、上部クラッド層を備える化合物半導体発光素子において、
   活性層または発光層はAlInGaNからなり、
   上部または下部クラッド層は、緩衝層とクラッド層の繰り返しからなり、
   緩衝層とクラッド層は組成が異なり、かつ、緩衝層の厚さは、クラッド層の厚さよりも薄いことを特徴とする化合物半導体発光素子。

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