JP2009182347A - 窒化物半導体発光素子及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】発光効率を向上させるとともに、閾値電流密度の低い窒化物半導体発光素子を提供することである。
【解決手段】窒化物半導体発光素子は、ｎ型ＧａＮ光ガイド層１４と、発光層１５と、ｐ型ＡｌＧａＮキャリアブロック層１６とを含み、発光層１５は、障壁層３０ａ／井戸層３１／障壁層３０ｂ／井戸層３１／障壁層３０ｂ／井戸層３１／障壁層３０ｃの順に積層されている。そして、井戸層３１は、不純物がドープされていないＩｎＧａＮ層であり、少なくとも井戸層３１に挟まれた障壁層３０ｂは、井戸層３１のＩｎ組成比と異なるＩｎＧａＮ層３３ｂと、ＧａＮ層３２ｂとを含み、ＩｎＧａＮ層３３ｂが一方の井戸層３１に接し、ＧａＮ層３２ｂがもう一方の井戸層に接する構成とする。
【選択図】図３

Description

本発明は、窒化物半導体発光素子に関し、詳しくはｎ型不純物がドープされたｎ型窒化物半導体層と、複数の井戸層と該井戸層よりもバンドギャップエネルギーの高い複数の障壁層とが積層されてなる多重量子井戸構造である発光層と、ｐ型不純物がドープされたｐ型窒化物半導体層とからなり、前記ｎ型窒化物半導体層と前記発光層と前記ｐ型窒化物半導体層とが順に積層された窒化物半導体発光素子に関するものである。なお、本明細書で説明する窒化物半導体とは、Ａｌ_xＧａ_yＩｎ_zＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）で構成される。また、この窒化物半導体において、その結晶構造が六方晶系であれば、少量のＡｓ、又はＰ元素が置換されていても構わない。

窒化物半導体は、高輝度青色ＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）、純緑色ＬＥＤの材料として用いられ、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実用化されている。また、青紫色半導体レーザ素子の材料としても用いられ、光ディスクの情報読み出し／書き込み用光源等への応用も期待されている。

このような窒化物半導体を用いた窒化物半導体レーザ素子の構成が、例えば、Ｊｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｖｏｌ．３９（２０００）ｐｐ．Ｌ６４７−Ｌ６５０に開示されている。この文献には、アンドープ（不純物を含まない）のＩｎ_0.15Ｇａ_0.85Ｎからなる４ｎｍの井戸層とｎ型不純物としてＳｉがドープされたＩｎ_0.02Ｇａ_0.98Ｎからなる１０ｎｍの障壁層とが積層してなる多重量子井戸構造の活性層を有する窒化物半導体レーザ素子が記載されている。

このように構成された窒化物半導体レーザ素子の発光層のバンドダイヤグラムを図１１に示す。図１１において、１００がｎ型窒化物半導体層、１０１がｐ型窒化物半導体層、１０２が井戸層、１０３が障壁層、１０４が発光層を示している。

Ｊｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｖｏｌ．３９（２０００）ｐｐ．Ｌ６４７−Ｌ６５０

しかしながら、発光層となる活性層にＳｉ等の不純物をドープすることによって、活性層内でのフリーキャリア散乱の増加や結晶性の悪化を招くため、半導体レーザ素子等においては、発生する光出力の低下の原因となる。従って、発光効率が低下し、閾値電流密度が高くなってしまう。

本発明は、上記の問題点に鑑み、発光効率を向上させるとともに、閾値電流密度の低い窒化物半導体発光素子を提供することを目的とする。また、この窒化物半導体発光素子の製造方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために本発明の窒化物半導体発光素子は、ｎ型不純物がドープされたｎ型窒化物半導体層と、ＩｎＧａＮ層からなる複数の井戸層と該井戸層よりもバンドギャップエネルギーの高い複数の障壁層とが積層された多重量子井戸構造からなる発光層と、ｐ型不純物がドープされたｐ型窒化物半導体層とが、この順に積層されてなる窒化物半導体発光素子において、
少なくとも前記井戸層に接して挟まれた障壁層は、前記井戸層のＩｎ組成比と異なるＩｎ_xＧａ_1-xＮ層（０＜ｘ≦０．０５）とＧａＮ層とを含んでおり、
前記障壁層のＩｎ_xＧａ_1-xＮ層は前記ｎ型窒化物半導体層側の井戸層に接するとともに、前記障壁層のＧａＮ層は前記ｐ型窒化物半導体層側の井戸層に接し、
前記ＧａＮ層の厚みは、前記障壁層のＩｎ_xＧａ_1-xＮ層の厚みと等しいかそれよりも薄いことを特徴とするものである。

この構成によると、発光効率を向上させるとともに、閾値電流密度の低い窒化物半導体発光素子を提供することができる。

また上記目的を達成するために本発明の窒化物半導体発光素子は、ｎ型窒化物半導体層と、ＩｎＧａＮ層からなる複数の井戸層と該井戸層よりもバンドギャップエネルギーの高い複数の障壁層とが積層された多重量子井戸構造からなる発光層と、ｐ型ＡｌＧａＮ層とが、この順に積層されてなる窒化物半導体発光素子において、
少なくとも前記井戸層に接して挟まれた障壁層は、前記井戸層のＩｎ組成比と異なるＩｎ_xＧａ_1-xＮ層（０＜ｘ≦０．０５）とＧａＮ層とを含んでおり、
前記井戸層に接して挟まれた障壁層のＩｎ_xＧａ_1-xＮ層は前記ｎ型窒化物半導体層側の井戸層に接するとともに、前記井戸層に接して挟まれた障壁層のＧａＮ層は前記ｐ型ＡｌＧａＮ層側の井戸層に接し、
前記ＧａＮ層の厚みは、前記井戸層に接して挟まれた障壁層のＩｎ_xＧａ_1-xＮ層の厚みと等しいかそれよりも薄く、
前記発光層のｐ型ＡｌＧａＮ層側の最外層も前記障壁層であり、前記最外層の障壁層のＩｎ_xＧａ_1-xＮ層（０＜ｘ≦０．０５）は井戸層のＩｎ組成比とは異なるとともに井戸層に接していて、
前記最外層の障壁層のＩｎ_xＧａ_1-xＮ層とｐ型ＡｌＧａＮ層との間に、アンドープのＧａＮ層、アンドープのＡｌＧａＮ層、ＳｉがドープされたＧａＮ層、又はＳｉがドープされたＡｌＧａＮ層が７ｎｍ以上３５ｎｍ以下の厚みで設けられていることを特徴とするものである。

また本発明の窒化物半導体発光素子の製造方法は、上記の窒化物半導体発光素子の製造方法であって、前記障壁層のＧａＮ層を積層する工程の温度が、同じ障壁層のＩｎＧａＮ層を積層する工程の温度と等しいか、それよりも大きく１５０℃以下の範囲内であることを特徴とするものである。

この製造方法によると、障壁層に含まれるＧａＮ層は、同じ障壁層に含まれるＩｎＧａＮ層の結晶性を悪化させずに且つＧａＮ層の結晶性もある程度損なわない温度範囲で成長させられるので、発光効率の低下と閾値電流密度の増大を抑えることができる。

本発明によると、井戸層は、不純物がドープされていないＩｎＧａＮ層であり、少なくとも井戸層に挟まれた障壁層は、井戸層のＩｎ組成比と異なるＩｎＧａＮ層と、ＧａＮ層とを含み、ＩｎＧａＮ層が一方の井戸層に接し、ＧａＮ層がもう一方の井戸層に接することにより、発光効率を向上させるとともに、閾値電流密度の低い窒化物半導体発光素子を提供することができる。

本発明の窒化物半導体発光素子の構成を示す概略断面図である。 本発明のタイプＡの発光層の断面図である。 本発明のタイプＢの発光層の断面図である。 本発明のタイプＡの発光層のバンドダイヤグラムである。 本発明のタイプＢの発光層のバンドダイヤグラムである。 種々の窒化物半導体発光素子のＥＬ発光スペクトルを示す図である。 本発明の他の窒化物半導体レーザ素子の発光層のバンドダイヤグラムである。 本発明の他の窒化物半導体レーザ素子の発光層のバンドダイヤグラムである。 本発明の他の窒化物半導体レーザ素子の発光層のバンドダイヤグラムである。 本発明の窒化物半導体レーザ素子を搭載したＤＶＤ装置の部分概略構成図である。 従来の窒化物半導体レーザ素子の発光層のバンドダイヤグラムである。

〈窒化物半導体発光素子の構成〉
図１は、窒化物半導体発光素子の構成を示す概略断面図である。窒化物半導体発光素子１０は、（０００１）面ｎ型ＧａＮ基板１１の表面上に、ｎ型ＧａＮ層１２、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層１３、ｎ型ＧａＮ光ガイド層１４、発光層１５、ｐ型ＡｌＧａＮキャリアブロック層１６、ｐ型ＧａＮ光ガイド層１７、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１８、ｐ型ＧａＮコンタクト層１９が順に積層されて構成される。

更に、このように各窒化物半導体層が積層されて構成された窒化物半導体発光素子１０は、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１８の上側部分及びｐ型ＧａＮコンタクト層１９がストライプ状のリッジ構造とされ、このリッジ構造の両側にＳｉＯ₂誘電体膜２０が設けられる。そして、ｎ型ＧａＮ基板１１の裏面にｎ電極２１が設けられるとともに、ｐ型ＧａＮコンタクト層１９及びＳｉＯ₂誘電体膜２０の表面にｐ電極２２が設けられる。

この窒化物半導体発光素子１０はＭＯＣＶＤ法（有機金属気相成長法）によって、窒化物半導体からなる積層構造をＧａＮ基板１１表面上に形成することで作製される。

まず、ＭＯＣＶＤ装置を用いてｎ型ＧａＮ基板１１上にＶ族原料のＮＨ₃とＩＩＩ族原料のＴＭＧａ（トリメチルガリウム）又はＴＥＧａ（トリエチルガリウム）にＳｉＨ₄を加え、１０５０℃の成長温度でｎ型ＧａＮ層１２の下地層を１μｍ形成する。このｎ型ＧａＮ層１２はｎ型ＧａＮ基板１１の表面モフォロジーの改善と研磨によるｎ型ＧａＮ基板１１の表面に残留した応力歪みを緩和させてエピタキシャル成長に相応しい最表面を形成するためのものである。

次に、ＴＭＡｌ（トリメチルアルミニウム）又はＴＥＡｌ（トリエチルアルミニウム）のＩＩＩ族原料を用いて、厚さ１．２μｍのｎ型ＡｌＧａＮクラッド層１３（Ｓｉ不純物濃度１×１０¹⁸ｃｍ^-3）を成長させ、続いて厚さ０．１μｍのｎ型ＧａＮ光ガイド層１４（Ｓｉ不純物濃度１×１０¹⁸ｃｍ^-3）を成長させる。ここで、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層１３のＡｌ組成比は０．０７とする。

その後、基板温度を８００℃に下げて発光層１５を形成する。発光層１５は、厚さ４ｎｍのアンドープのＩｎ_0.15Ｇａ_0.85Ｎ井戸層と、厚さ４ｎｍのＳｉがドープされたＧａＮ層（Ｓｉ不純物濃度１×１０¹⁸ｃｍ^-3）及び厚さ４ｎｍのアンドープのＩｎ_0.05Ｇａ_0.95Ｎ層からなる障壁層とが交互に３周期積層された多重量子井戸構造を有している。即ち、障壁層／井戸層／障壁層／井戸層／障壁層／井戸層／障壁層の順で積層されている。

なお、上記の多重量子井戸構造は障壁層を発光層１５の最外層としているが、井戸層／障壁層／井戸層／障壁層／・・・／井戸層のように、発光層１５の最外層を井戸層としてもよい。また、井戸層は１０層以下であれば後述する閾値電流密度が低く、室温連続発振が可能である。

次に、基板温度を再び１０５０℃まで上昇させて、厚さ２０ｎｍのｐ型ＡｌＧａＮキャリアブロック層１６、厚さ０．１μｍのｐ型ＧａＮ光ガイド層１７、厚さ０．５μｍのｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１８、厚さ０．１μｍのｐ型ＧａＮコンタクト層１９を順次成長させる。ここで、ｐ型ＡｌＧａＮキャリアブロック層１６のＡｌ組成比は０．３、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１８のＡｌ組成比は０．１とする。また、ｐ型不純物としてはＭｇ（ＥｔＣＰ₂Ｍｇ：ビスエチルシクロペンタジエチルマグネシウム）を用いる。

続いて、上記のように成長したエピウエハーをＭＯＣＶＤ装置から取り出し、電極を形成する。ここで、ｎ電極２１はエピウエハーの裏面にＨｆ／Ａｌの順に形成され、ｎ型電極パッドとしてＡｕが蒸着される。なお、ｎ電極材料としては、他にＴｉ／Ａｌ、Ｔｉ／Ｍｏ、Ｈｆ／Ａｕ等を用いることができる。

一方、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１８及びｐ型ＧａＮコンタクト層１９はストライプ状にエッチングされ、リッジストライプ部が形成される。このリッジストライプ部の幅は１．７μｍである。そして、ＳｉＯ₂誘電体膜２０が２００ｎｍ蒸着され、ｐ型ＧａＮコンタクト層１９が露出される。その後、ｐ電極２２がＰｄ（１５ｎｍ）／Ｍｏ（１５ｎｍ）／Ａｕ（２００ｎｍ）の順に蒸着形成される。

なお、窒化物半導体発光素子１０に使用される各層のＡｌ組成比は上記以外の組成比を用いてもよいし、ＧａＮ／ＡｌＧａＮからなる超格子を用いてもよい。

また、上記においては、基板としてＧａＮ基板１１を用いているが、他にＡｌＧａＮ基板、Ｓｉ基板の（１１１）面、サファイア基板上に形成されたＥＬＯＧ（Ｅｐｉｔａｘｉａｌｌｙ ｌａｔｅｒｌｌｙ ｏｖｅｒｇｒｏｗｎ ＧａＮ）基板、ＧａＮ基板上に形成されたＥＬＯＧ基板、Ｓｉ（１１１）面上に形成されたＥＬＯＧ基板等を用いてもよい。ＥＬＯＧ基板を用いる場合には、成長抑制膜（例えば、ＳｉＯ₂膜）の幅の中央上方、及び成長抑制膜が形成されていない領域の幅の中央上方に、窒化物半導体発光素子１０のリッジストライプ部分又はその電流狭窄部分が含まれないように作製される。これにより、素子の発振寿命を長寿命化することができる。

上記の窒化物半導体発光素子１０は、窒化物半導体レーザ素子、発光ダイオード、スーパールミネッセントダイオード等に適用することができる。

〈従来の窒化物半導体発光素子との比較〉
従来の窒化物半導体発光素子の性能と比較実験するために、本発明の窒化物半導体発光素子１０の実施例として２つの構成の窒化物半導体レーザ素子を作製した。何れの素子も図１の発光層１５の構成を変化させたものである。１つ目の窒化物半導体レーザ素子（以下、タイプＡと称す）の発光層１５の断面図を図２に示す。

図２ではｎ型ＧａＮ光ガイド層１４の上に、障壁層３０ａ／井戸層３１／障壁層３０ｂ／井戸層３１／障壁層３０ｂ／井戸層３１／障壁層３０ｃの順に積層されてなる発光層１５が形成されている。

ここで、井戸層３１はアンドープのＩｎ_0.15Ｇａ_0.85Ｎ層である。また、障壁層３０ａ、３０ｂ、３０ｃはそれぞれ２層構造である。障壁層３０ａ、３０ｂ、３０ｃのｎ型ＧａＮ光ガイド層１４側にはｎ型ＧａＮ層３２ａ、３２ｂ、３２ｃが形成され、ｐ型ＡｌＧａＮキャリアブロック層１６側にはＩｎ_0.05Ｇａ_0.95Ｎ層３３ａ、３３ｂ、３３ｃが形成される。

次に、２つ目の窒化物半導体レーザ素子（以下、タイプＢと称す）の発光層１５の断面図を図３に示す。

図３ではｎ型ＧａＮ光ガイド層１４の上に、障壁層３０ａ／井戸層３１／障壁層３０ｂ／井戸層３１／障壁層３０ｂ／井戸層３１／障壁層３０ｃの順に積層されてなる発光層１５が形成されている。

ここで、井戸層３１はアンドープのＩｎ_0.15Ｇａ_0.85Ｎ層である。また、障壁層３０ａ、３０ｂ、３０ｃはそれぞれ２層構造である。障壁層３０ａ、３０ｂ、３０ｃのｎ型ＧａＮ光ガイド層１４側にはＩｎ_0.05Ｇａ_0.95Ｎ層３３ａ、３３ｂ、３３ｃが形成され、ｐ型ＡｌＧａＮキャリアブロック層１６側にはｎ型ＧａＮ層３２ａ、３２ｂ、３２ｃが形成される。

このように、タイプＡとタイプＢとの違いは、障壁層３０ａ、３０ｂ、３０ｃを構成する２層の積層順序が逆になっていることである。

なお、発光層１５の最外層である障壁層３０ａ、３０ｃは、井戸層３１によって挟まれていないため、必ずしもｎ型ＧａＮ層３２ａ、３２ｃやＩｎ_0.05Ｇａ_0.95Ｎ層３３ａ、３３ｃとする必要はない。しかしながら、最外層の障壁層３０ａ、３０ｃも上記の構成とすることにより、本発明の効果が得られやすくなる。

また、実験の結果、ＩｎＧａＮ層３３ｃとｐ型ＡｌＧａＮキャリアブロック層１６との間に、アンドープのＩｎＧａＮ層、アンドープのＧａＮ層、アンドープのＡｌＧａＮ層、ＳｉがドープされたＧａＮ層、又はＳｉがドープされたＡｌＧａＮ層を７ｎｍ以上３５ｎｍ以下の厚みで挿入することが、閾値電流密度の低減のために好ましいことがわかった。ｐ型ＡｌＧａＮキャリアブロック層１６のＡｌ組成比が高いことによる結晶性の低下が転位を発生させ、それを通してＭｇが発光層１５に拡散するものと考えられる。従って、上記の層を挿入することによって、ｐ型層からのＭｇが発光層１５に拡散することを防止できる。また、これらの層を挿入することによって、ｐ−ｎジャンクションの位置がずれないように調整することもできるため、歩留まりが向上する。

図４は、タイプＡの窒化物半導体レーザ素子の発光層１５のバンドダイヤグラムであり、図５は、タイプＢの窒化物半導体レーザ素子の発光層１５のバンドダイヤグラムである。図４、図５より明らかなように、ｎ型ＧａＮ層３２ａ、３２ｂ、３２ｃ、ＩｎＧａＮ層３３ａ、３３ｂ、３３ｃ、井戸層３１の順にバンドギャップエネルギーが小さくなっていることがわかる。

次に、これらタイプＡ及びタイプＢの窒化物半導体レーザ素子と、従来例で示した図１１の窒化物半導体レーザ素子とのＬＥＤモードにおけるＥＬ発光強度の測定結果について説明する。測定に用いた注入電流密度は０．６７ｋＡｃｍ^-2である。

図６に、ＥＬ発光スペクトルを示す。各窒化物半導体レーザ素子の発光強度の最大値は、タイプＡが２２．３、タイプＢが１５．４、従来型が１３．６であった。それぞれ比較すると、タイプＢは従来型の約１．１倍であり、タイプＡは従来型の約１．６倍の発光強度となっている。なお、従来型の障壁層をｎ型ＩｎＧａＮ層からｎ型ＧａＮ層に変更して実験しても、そのＥＬ発光強度はほぼ同じ値であった。

このような実験結果から、窒化物半導体レーザ素子の発光効率（ＥＬ発光強度に比例）を向上させるためには、発光層１５に用いられる障壁層３０ａ、３０ｂ、３０ｃが少なくともＩｎＧａＮ層（但し、井戸層のＩｎ組成比と異なる）とＧａＮ層を含む必要があるという知見が得られた。

更に、発光層１５の構成（タイプＡ、タイプＢ）に着目すると、そのｎ型ＧａＮ層３２ａ、３２ｂ、３２ｃ、及びＩｎＧａＮ層３３ａ、３３ｂ、３３ｃの形成位置も重要であることがわかる。ＥＬ発光強度の測定結果から、タイプＡのＥＬ発光強度はタイプＢの約１．４倍となっていることがわかる。

しかしながら、このようにタイプＡ、タイプＢの違いによりＥＬ発光強度が向上する理由はあきらかではない。推測によれば、発光層１５の上に比較的Ａｌ組成比の高い（１５％以上４０％未満）ｐ型ＡｌＧａＮキャリアブロック層１６が近接して積層されており、このｐ型ＡｌＧａＮキャリアブロック層１６からの歪みが、タイプＡやタイプＢの障壁層３０ａ、３０ｂ、３０ｃの構造を有することによって適度に緩和されているのではないかと考えられる。

また、窒化物半導体は他のＩＩＩ−Ｖ族半導体とは異なり、窒化物半導体特有の非常に強い自発分極とピエゾ電界を有している（特にＡｌＧａＮ）。そのため、発光層１５のバンド構造が歪んで電子とホールの対が形成されにくくなっていると考えられる。そこで、はじめから発光層１５のバンド構造を傾けることによって、バンド構造の歪みが加わった状態でも電子とホールの形成が容易になるのではないかと考えられる。従って、タイプＡとタイプＢのＥＬ発光強度が異なるのではないかと考える。

〈障壁層中のＩｎＧａＮ層とＧａＮ層の不純物のドーピング〉
本発明において、障壁層３０ａ、３０ｂ、３０ｃ中のＩｎＧａＮ層３３ａ、３３ｂ、３３ｃとＧａＮ層３２ａ、３２ｂ、３２ｃには、不純物がドープされていてもよいし、されていなくても構わない。しかしながら、実験結果によれば、障壁層３０ａ、３０ｂ、３０ｃに全く不純物をドープしない場合、ＥＬ発光強度は非常に弱かった。これは、十分なキャリアが井戸層３１に注入されていないためではないかと考えられる。

従って、少なくとも障壁層３０ａ、３０ｂ、３０ｃ中のＩｎＧａＮ層３３ａ、３３ｂ、３３ｃとＧａＮ層３２ａ、３２ｂ、３２ｃのうち何れかの層に不純物をドープすることが好ましい。更に好ましい障壁層３０ａ、３０ｂ、３０ｃの構成は、不純物を含まないＩｎＧａＮ層３３ａ、３３ｂ、３３ｃとｎ型の不純物であるＳｉがドープされたＧａＮ層３２ａ、３２ｂ、３２ｃである。なぜなら、障壁層３０ａ、３０ｂ、３０ｃ全体には不純物がドープされないことによって、障壁層３０ａ、３０ｂ、３０ｃ内での自由キャリアによる散乱を低減し、内部損失が増大するのを防いで閾値電流密度を低くすることができるからである。

また、障壁層３０ａ、３０ｂ、３０ｃ中のＧａＮ層３２ａ、３２ｂ、３２ｃは、井戸層３１や障壁層に含まれたＩｎＧａＮ層と近い成長温度帯域（井戸層の成長温度に対して＋１５０℃以内）で成長するため、結晶性が悪化しやすい。ところが、Ｓｉ等の不純物をＧａＮ層３２ａ、３２ｂ、３２ｃにドープすると、井戸層３１へのキャリアの注入のみならず、ＧａＮ層自体の結晶性の改善を行えるので好ましい。なお、Ｓｉの濃度は１×１０¹⁷〜５×１０¹⁸ｃｍ^-3が好ましい。

また、窒化物半導体レーザ素子の低閾値電流密度化において、井戸層は不純物を含まないＩｎＧａＮから構成されることが好ましい。これは、井戸層内での自由キャリアによる散乱を低減し、内部損失が増大するのを防いで閾値電流密度を低くするためである。

〈障壁層の製造方法〉
発光層１５の製造において、障壁層に含まれるＧａＮ層は、同じ障壁層に含まれるＩｎＧａＮ層と同じ成長温度（７００〜８３０℃）か、＋１５０℃以内の高い温度で成長させることが好ましい。ＩｎＧａＮ層の成長温度よりも１５０℃を超えた高い成長温度でＧａＮ層を成長させると、ＧａＮ層の結晶性は向上するものの、ＩｎＧａＮ層が熱によるダメージを受けて結晶性が悪化する。一方、ＩｎＧａＮ層の成長温度よりも低い成長温度でＧａＮ層を成長させると、ＩｎＧａＮ層の熱によるダメージは減少するが、ＧａＮ層の結晶性が顕著に悪化してしまう。

〈発光層の層厚〉
上記のように、障壁層に含まれるＧａＮ層は、同じ障壁層に含まれるＩｎＧａＮ層の結晶性を悪化させずに且つＧａＮ層の結晶性もある程度損なわない温度範囲で成長させられる。さもなくば、窒化物半導体レーザ素子における発光効率の低下と閾値電流密度の増大を引き起こしてしまう。ＧａＮ層の結晶性のみを考慮すると上記の成長温度範囲に加えて、ある１つの障壁層に含まれるＧａＮ層の全層厚が、同じ障壁層に含まれるＩｎＧａＮ層の全層厚と等しいかそれよりも薄くすることが好ましい。即ち、障壁層中に占めるＧａＮ層の割合を小さくすることによって、発光層全体の結晶性を上げることができる。

具体的に、障壁層の厚みは５ｎｍ以上１２ｎｍ以下であることが好ましい。障壁層の厚みが５ｎｍよりも薄くなると、上述したバンド構造の傾きが弱くなるため好ましくない。一方、障壁層の厚みが１２ｎｍよりも厚くなると、バンド構造の傾きが強くなりすぎて、電子とホールの空間的な分離が大きくなるとともに、井戸層と井戸層との距離も離れすぎて移動度の小さいホールが各井戸層に注入されにくくなる可能性がある。

このような状態は、発光再結合の確率の低下に伴う発光効率の低下と、利得の低下に伴う閾値電流密度の増大を招くため好ましくない。

また、井戸層の厚みは２ｎｍ以上７ｎｍ以下であることが好ましい。井戸層の厚みが２ｎｍよりも薄くなると、量子井戸準位が高くなりすぎて、キャリアがしみ出して発光効率が低下するため好ましくない。一方、井戸層の厚みが７ｎｍよりも厚くなると、バンド構造の傾きが弱くなるため好ましくない。バンド構造の傾きによる効果が弱くなると、従来型のバンド構造で生じているバンド歪みが残り、電子とホールの空間的な分離が大きくなって発光効率の低下を招くおそれがある。

〈発光層のＩｎＧａＮ層のＩｎ組成比〉
発光層には、以下のＩｎＧａＮ層を用いることができる。障壁層に含まれるＩｎＧａＮ層はＩｎ_xＧａ_1-xＮ（０＜ｘ≦０．１）を用いることができる。更に好ましくはＩｎ組成比が０＜ｘ≦０．０５である。この範囲のＩｎ組成比を選択することにより、発光層のバンド構造を傾けることができ、窒化物半導体レーザ素子の発光効率を向上させることができる。

また、ＩｎＧａＮからなる井戸層はＩｎ_yＧａ_1-yＮ（ｘ＜ｙ≦０．１８）を用いることができる。更に好ましくはＩｎ組成比がＸ＜ｙ≦０．１である。実験結果によると、バンド構造を有する窒化物半導体レーザ素子は、従来型のバンド構造を有するそれと比較して、レーザの発振波長（あるいはＬＥＤモードにおける発光波長）が長波長化しやすい。そのため、本発明の井戸層のＩｎ組成比は、従来型のそれと比較して低くする必要がある。

このように、井戸層に含まれるＩｎ組成比が、従来に比べて低くすることができるため、Ｉｎによる偏析を抑えることができる。これにより、Ｉｎ偏析による利得の低下を防ぐことができ、発光効率の向上、及び閾値電流密度を低くすることができる。更には、井戸層の結晶成長温度を上げることができ、しいては障壁層の結晶成長温度も上げられるので、発光層の結晶性が向上する。

〈障壁層のＩｎＧａＮ層とＧａＮ層の構成〉
障壁層の構成は上述したＩｎＧａＮ層とＧａＮ層の２層からなる構成が好ましいが、他の構成も考えられる。

図７〜図９に、他の窒化物半導体レーザ素子の発光層のバンドダイヤグラムを示す。図７、図８は、障壁層３０ａ、３０ｂ、３０ｃのＩｎＧａＮ層３３ａ、３３ｂ、３３ｃとＧａＮ層３２ａ、３２ｂ、３２ｃとの間のバンド構造が連続的に変化する構成である。具体的には、ＩｎＧａＮ層３３ａ、３３ｂ、３３ｃの成長中にＩｎ組成比を徐々に変化させることによって連続的にバンド構造を変化させることができる。また、図９は、ＩｎＧａＮ層３３ａ、３３ｂ、３３ｃとＧａＮ層３２ａ、３２ｂ、３２ｃとの間に１層のＩｎＧａＮ層３４ａ、３４ｂ、３４ｃを挿入した例である。これにより障壁層が３層構造となる。具体的には、異なるＩｎ組成比を有するＩｎＧａＮ層３４ａ、３４ｂ、３４ｃを挿入することにより作製することができる。このように、障壁層を３層以上の構成としても何ら問題はない。

なお、図７〜図９の窒化物半導体レーザ素子は、上述したタイプＡとタイプＢとの関係のように層順を反転させてもよい。

〈窒化物半導体発光素子へのＡｓ又はＰの添加〉
窒化物半導体発光素子にＡｓを添加する場合はＡｓＨ₃（アルシン）又はＴＢＡｓ（ｔ−ブチルアルシン）を、Ｐを添加する場合はＰＨ₃（ホスフィン）又はＴＢＰＨ₃（ｔ−ブチルホスフィン）を、それぞれ用いることができる。また、窒化物半導体のＮ原料として、ＮＨ₃以外にジメチルヒドラジンを用いることもできる。

窒化物半導体発光素子に添加されるＡｓ又はＰの添加量（組成比）は、ある窒化物半導体層に含有されたＡｓ又はＰの総和の組成比をＸとし、同じくある窒化物半導体層に含有されたＮの組成比をＹとするとき、ＸはＹよりも小さく、Ｘ／（Ｘ＋Ｙ）は０．３（３０％）以下であり、好ましくは０．１５（１５％）以下である。また、Ａｓ又はＰの総和の下限値は１×１０¹⁸ｃｍ^-3以上である。

Ａｓ又はＰの総和の組成比Ｘが１５％よりも高くなると、窒化物半導体層内のある領域毎にＡｓ又はＰの組成比の異なる濃度分離が生じる可能性が高いため好ましくない。更に、Ａｓ又はＰの総和の組成比Ｘが３０％よりも高くなると、濃度分離から六方晶系と立方晶系が混在する結晶系分離に移行しやすくなって結晶性が低下してしまうため好ましくない。一方、Ａｓ又はＰの総和の添加量が１×１０¹⁸ｃｍ^-3よりも小さくなると、例えば、後述する発光層にＡｓ又はＰが含有されたことによる効果が得られにくくなる。

Ａｓ又はＰの少なくとも何れかが発光層に添加されると、発光層の電子とホールの有効質量を小さく、また電子とホールの移動度を大きくすることができる。前者は少ない電流注入量でレーザ発振のためのキャリア反転分布が得られることを意味し、後者は発光層で電子とホールが発光再結合によって消滅しても新たに電子・ホールが拡散により高速に注入されることを意味する。即ち、発光層にＡｓ又はＰのうち何れも含有しないＩｎＧａＮ系窒化物半導体レーザ素子と比べてさらに閾値電流密度が低く、自励発振特性（雑音特性）に優れた窒化物半導体発光素子を作製することができる。

また、Ａｓ又はＰのうち少なくとも何れかは、上記の発光層以外の層、例えば、光ガイド層、クラッド層、コンタクト層、クラック防止層にも用いることができる。

〈半導体光学装置への応用〉
以下に、窒化物半導体レーザ素子を半導体光学装置に利用する実施例について説明する。窒化物半導体レーザ素子は、レーザ発振閾値電流密度が低い（発光効率が高い）ことから低消費電力且つ携帯性に優れた高密度記録再生用光ディスク装置の光ピックアップとして好適に使用できる。

図１０は、窒化物半導体レーザ素子を搭載したＤＶＤ装置の部分概略構成図である。光ピックアップ４９に内に設けられた窒化物半導体レーザ素子からなるレーザ発振器４０から発振されたレーザ光は、入力情報に応じて光変調器４１で変換され、スプリッター４２、追従鏡４３、レンズ４４を通してディスク４５上に記録される。ディスク４５はモーター４６によって回転される。

再生時は、ディスク４５上のピット配列によって光学的に変化を受けたレーザ光がレンズ４４、追従鏡４３、スプリッター４２を通して光検出器４７で検出され、再生信号となる。これらの動作は制御回路４８によって制御される。なお、レーザ出力は、通常、記録時は３０ｍＷで、再生時は５ｍＷ程度である。

本発明の窒化物半導体発光素子は、上記の光ピックアップ４９を有する光ディスク装置の他に、例えば、レーザプリンター、バーコードリーダー、光の三原色レーザによるプロジェクター等にも利用可能である。更に、窒化物半導体発光素子を発光ダイオードやスーパールミネッセントダイオードとすることにより、高輝度白色光源装置として利用することができる。

１０ 窒化物半導体発光素子
１５ 発光層
３０ａ〜ｃ 障壁層
３１ 井戸層
３２ａ〜ｃ ｎ型ＧａＮ層
３３ａ〜ｃ ＩｎＧａＮ層

Claims (3)

1. ｎ型不純物がドープされたｎ型窒化物半導体層と、ＩｎＧａＮ層からなる複数の井戸層と該井戸層よりもバンドギャップエネルギーの高い複数の障壁層とが積層された多重量子井戸構造からなる発光層と、ｐ型不純物がドープされたｐ型窒化物半導体層とが、この順に積層されてなる窒化物半導体発光素子において、
   少なくとも前記井戸層に接して挟まれた障壁層は、前記井戸層のＩｎ組成比と異なるＩｎ_xＧａ_1-xＮ層（０＜ｘ≦０．０５）とＧａＮ層とを含んでおり、
   前記障壁層のＩｎ_xＧａ_1-xＮ層は前記ｎ型窒化物半導体層側の井戸層に接するとともに、前記障壁層のＧａＮ層は前記ｐ型窒化物半導体層側の井戸層に接し、
   前記ＧａＮ層の厚みは、前記障壁層のＩｎ_xＧａ_1-xＮ層の厚みと等しいかそれよりも薄いことを特徴とする窒化物半導体発光素子。
2. ｎ型窒化物半導体層と、ＩｎＧａＮ層からなる複数の井戸層と該井戸層よりもバンドギャップエネルギーの高い複数の障壁層とが積層された多重量子井戸構造からなる発光層と、ｐ型ＡｌＧａＮ層とが、この順に積層されてなる窒化物半導体発光素子において、
   少なくとも前記井戸層に接して挟まれた障壁層は、前記井戸層のＩｎ組成比と異なるＩｎ_xＧａ_1-xＮ層（０＜ｘ≦０．０５）とＧａＮ層とを含んでおり、
   前記井戸層に接して挟まれた障壁層のＩｎ_xＧａ_1-xＮ層は前記ｎ型窒化物半導体層側の井戸層に接するとともに、前記井戸層に接して挟まれた障壁層のＧａＮ層は前記ｐ型ＡｌＧａＮ層側の井戸層に接し、
   前記ＧａＮ層の厚みは、前記井戸層に接して挟まれた障壁層のＩｎ_xＧａ_1-xＮ層の厚みと等しいかそれよりも薄く、
   前記発光層のｐ型ＡｌＧａＮ層側の最外層も前記障壁層であり、前記最外層の障壁層のＩｎ_xＧａ_1-xＮ層（０＜ｘ≦０．０５）は井戸層のＩｎ組成比とは異なるとともに井戸層に接していて、
   前記最外層の障壁層のＩｎ_xＧａ_1-xＮ層とｐ型ＡｌＧａＮ層との間に、アンドープのＧａＮ層、アンドープのＡｌＧａＮ層、ＳｉがドープされたＧａＮ層、又はＳｉがドープされたＡｌＧａＮ層が７ｎｍ以上３５ｎｍ以下の厚みで設けられていることを特徴とする窒化物半導体発光素子。
3. 請求項１又は請求項２に記載の窒化物半導体発光素子の製造方法であって、
   前記障壁層のＧａＮ層を積層する工程の温度が、同じ障壁層のＩｎＧａＮ層を積層する工程の温度と等しいか、それよりも大きく１５０℃以下の範囲内であることを特徴とする窒化物半導体発光素子の製造方法。

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