JP2009239083A

JP2009239083A - 半導体発光素子

Info

Publication number: JP2009239083A
Application number: JP2008084219A
Authority: JP
Inventors: Shoji Kubota; 将司久保田; Kuniyoshi Okamoto; 國美岡本; Taketoshi Tanaka; 岳利田中
Original assignee: Rohm Co Ltd
Current assignee: Rohm Co Ltd
Priority date: 2008-03-27
Filing date: 2008-03-27
Publication date: 2009-10-15

Abstract

【課題】非極性面または半極性面を成長主面としたIII族窒化物半導体を用いて、発光効率の向上された半導体発光素子を提供する。
【解決手段】半導体レーザダイオード７０は、基板１と、この基板１上に形成されたIII族窒化物半導体積層構造２とを含む。基板１は、ｍ面を主面としたＧａＮ単結晶基板である。III族窒化物半導体積層構造２が結晶成長させられている。III族窒化物半導体積層構造２は、ｎ型半導体層１１、発光層１０、およびｐ型半導体層１２を積層して構成されている。発光層１０は、ＩｎＧａＮ量子井戸層とＡｌＧａＮ障壁層とを積層した多重量子井戸構造を有している。ＡｌＧａＮ障壁層は、ＩｎＧａＮ量子井戸層の圧縮応力を緩和する歪み補償層として機能する。
【選択図】図１

Description

この発明は、III族窒化物半導体を用いた半導体発光素子（発光ダイオード、レーザダイオード等）に関する。

III族窒化物半導体とは、III-Ｖ族半導体においてＶ族元素として窒素を用いた半導体である。窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化ガリウム（ＧａＮ）、窒化インジウム（ＩｎＮ）が代表例である。一般には、Ａｌ_XＩｎ_YＧａ_1-X-YＮ（０≦Ｘ≦１，０≦Ｙ≦１，０≦Ｘ＋Ｙ≦１）と表わすことができる。
青色や緑色といった短波長のレーザ光源は、ＤＶＤに代表される光ディスクへの高密度記録、画像処理、医療機器、計測機器などの分野で活用されるようになってきている。このような短波長レーザ光源は、たとえば、ＧａＮ半導体を用いたレーザダイオードで構成されている。

ＧａＮ半導体レーザダイオードは、ｃ面を主面とする窒化ガリウム（ＧａＮ）基板上にIII族窒化物半導体を有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ：Metal-Organic Vapor Phase Epitaxy）によって成長させて製造される。より具体的には、ＧａＮ基板上に、有機金属気相成長法によって、ｎ型ＧａＮコンタクト層、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層、ｎ型ＧａＮガイド層、発光層（活性層）、ｐ型ＧａＮガイド層、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層、ｐ型ＧａＮコンタクト層が順に成長させられ、これらの半導体層からなる半導体積層構造が形成される。発光層では、ｎ型層から注入される電子とｐ型層から注入される正孔との再結合による発光が生じる。その光は、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層およびｐ型ＡｌＧａＮクラッド層の間に閉じ込められ、半導体積層構造の積層方向と垂直な方向に伝搬する。その伝搬方向の両端に共振器端面が形成されており、この一対の共振器端面間で、誘導放出を繰り返しながら光が共振増幅され、その一部がレーザ光として共振器端面から出射される。
T. Takeuchi et al., Jap. J. Appl. Phys. 39, 413-416, 2000

半導体レーザダイオードの重要な特性の一つは、レーザ発振を生じさせるための閾値電流（発振閾値）である。この閾値電流が低いほど、エネルギー効率の良いレーザ発振が可能になる。
ところが、ｃ面を主面として成長された発光層から生じる光はランダム偏光であるため、ＴＥモードの発振に寄与する光の割合が少ない。そのため、レーザ発振の効率が必ずしもよくなく、閾値電流を低減するうえで、改善の余地がある。

そこで、ｍ面等の非極性面を主面とするレーザダイオードが提案されている。たとえば、ｍ面を結晶成長主面とするIII族窒化物半導体積層構造でレーザダイオードを作製すると、発光層は、ｍ面に平行な偏光成分（より具体的にはａ軸方向の偏光成分）を多く含む光を発生する。これにより、発光層で生じた光のうち、多くの割合をレーザ発振に寄与させることができるので、レーザ発振の効率が良くなり、閾値電流を低減することができる。

その他、発光層が量子井戸構造（より具体的にはＩｎを含むもの）からなる場合に、量子井戸での自発圧電分極によるキャリアの分離が抑制されるので、これによっても、発光効率が増加する。さらに、ｍ面を結晶成長の主面とすることで、結晶成長を極めて安定に行うことができ、ｃ面やその他の結晶面を結晶成長の主面とする場合に比較して、結晶性を向上することができる。その結果、高性能のレーザダイオードの作製が可能になる。

一方、発光波長を４５０ｎｍ以上の長波長とするには、量子井戸層のＩｎ組成を増大させる必要がある。また、光閉じ込めのためにクラッド層とガイド層との間の屈折率差を確保するために、ガイド層にはＩｎＧａＮ層を適用する必要がある。
ところが、ｍ面ＧａＮ層上にＩｎＧａＮ量子井戸層およびＩｎＧａＮガイド層をコヒーレントに成長させると、これらの層には、面内異方性圧縮応力が働く。より具体的には、ｃ軸に垂直な方向、すなわち、ａ軸方向に沿って比較的大きな圧縮応力が生じる。これは、ＩｎＧａＮのａ軸格子定数が、ＧａＮのａ軸格子定数よりも大きいからである。そのため、ＩｎＧａＮ量子井戸層またはＩｎＧａＮガイド層のＩｎ組成や膜厚を大きくしたりすると、ａ軸方向に沿って結晶欠陥が生じる。この結晶欠陥は、蛍光顕微鏡により観察したときに、ａ軸方向に平行なダークラインとして観察される。したがって、非発光性の欠陥であると考えられる。この非発光性の欠陥を抑制することができれば、さらに発光効率を高めることができると考えられる。

レーザダイオードに限らず、ｍ面を主面とするIII族窒化物半導体で発光ダイオード等の他の発光デバイスを作製する場合においても、同様の課題がある。また、他の非極性面であるａ面や半極性面を成長主面としたIII族窒化物半導体を用いる発光素子についても、同様の課題がある。
そこで、この発明の目的は、非極性面または半極性面を成長主面としたIII族窒化物半導体を用いて、発光効率の向上された半導体発光素子を提供することである。

前記の目的を達成するための請求項１記載の発明は、非極性面または半極性面を成長主面とするIII族窒化物半導体からなり、発光層にＩｎを含む量子井戸層を有する半導体発光素子において、無歪みの状態での格子定数が前記量子井戸層の格子定数よりも小さく、Ａｌを含むIII族窒化物半導体からなる歪み補償層が、量子井戸層および障壁層を有する量子井戸構造の発光層内、または当該発光層に隣接する隣接層内に介在していることを特徴とする、半導体発光素子である。

量子井戸層は、Ｉｎを含むIII族窒化物半導体（たとえばＩｎＧａＮ層）からなり、したがって、無歪みの状態での格子定数が比較的大きいので、下地層（たとえば、ＧａＮ層）に対してコヒーレントに成長したときに、成長主面（非極性面または半極性面）に沿う方向への圧縮歪みが生じる。一方、歪み補償層は、Ａｌを含むIII族窒化物半導体からなり、したがって、無歪みの状態での格子定数が比較的小さいから、下地層に対してコヒーレントに成長したときには、成長主面（非極性面または半極性面）に沿う方向への引っ張り歪みが生じる。このような歪み補償層が、発光層内または発光層に隣接する隣接層内に設けられることによって、量子井戸層の圧縮応力を緩和することができる。その結果、量子井戸層の結晶欠陥を少なくすることができるので、発光効率を向上することができる。

前記歪み補償層は、たとえば、ＡｌＧａＮ層からなっていてもよい。このＡｌＧａＮ層には、微量のＩｎ（たとえば、結晶成長室内の雰囲気中に残留するＩｎ）が取り込まれていてもよい。
前記歪み補償層が隣接層に設けられるときには、発光層よりも前に形成される隣接層内に設けられることが好ましい。これにより、発光層内の量子井戸層における圧縮応力を効果的に緩和することができる。たとえば、基板上にIII族窒化物半導体を成長させる場合には、発光層と基板との間に配置される隣接層内に歪み補償層を設けることが好ましい。

請求項２記載の発明は、前記歪み補償層が、前記障壁層内に設けられている、請求項１記載の半導体発光素子である。このような構成により、量子井戸層に隣接して歪み補償層が配置されていることによって、量子井戸層における圧縮応力を効果的に低減できる。
前記障壁層の全部が歪み補償層であってもよいし、障壁層の一部が歪み補償層であってもよい。より具体的には、障壁層全体をＡｌＧａＮ層としてもよく、障壁層をＩｎＧａＮ層（ただし、量子井戸層よりもＩｎ組成が少ないもの）とＡｌＧａＮ層（歪み補償層）とで構成してもよい。ＩｎＧａＮ層とＡｌＧａＮ層とで歪み補償層を構成する場合には、ＩｎＧａＮ層と量子井戸層との間にＡｌＧａＮ歪み補償層を介在させることが好ましい。

請求項３記載の発明は、前記歪み補償層が、前記量子井戸層に接するように設けられている、請求項２記載の半導体発光素子である。この構成では、歪み補償層が量子井戸層に接しているので、量子井戸層の圧縮応力を一層効果的に低減できる。
請求項４記載の発明は、前記歪み補償層が、前記隣接層内に設けられ、前記量子井戸構造に接している、請求項１記載の半導体発光素子である。この構成によれば、隣接層内に設けられる歪み補償層が、量子井戸構造に接しているので、量子井戸層の圧縮応力を効果的に低減でき、その結晶欠陥を抑制できる。

より具体的には、請求項５に記載されているように、前記歪み補償層が、前記量子井戸構造の障壁層に接していることが好ましい。
請求項６記載の発明は、前記歪み補償層が、前記隣接層内に設けられ、前記量子井戸構造に接していない、請求項１記載の半導体発光素子である。このような構成でも、量子井戸層の圧縮歪みの低減に効果があり、量子井戸層における結晶欠陥を低減できる。

請求項７記載の発明は、前記隣接層が、Ｉｎを含むIII族窒化物半導体（たとえば、ＩｎＧａＮ）からなる、請求項１〜６のいずれか一項に記載の半導体発光素子である。このような構成の場合、隣接層においても圧縮応力が生じる結果、量子井戸層における圧縮応力に起因する結晶欠陥が多くなるおそれがある。このような構成の場合に、歪み補償層を発光層内または隣接層内に設けることによって、量子井戸層における結晶欠陥を効果的に低減することができる。

請求項８記載の発明は、前記隣接層が、ガイド層およびクラッド層を含み、前記クラッド層が、Ａｌの平均組成が５％以下のIII族窒化物半導体からなる、請求項１〜７のいずれか一項に記載の半導体発光素子である。たとえば、発光層の発光波長を４５０ｎｍ以上の長波長域に設定する場合、ガイド層にはＩｎＧａＮ層を適用し、クラッド層にはＡｌＧａＮ層を適用するとよい。そして、クラッド層のＡｌ平均組成を５％以下とすることによって、良好な光閉じ込め構造を形成することができる。

請求項９記載の発明は、前記量子井戸構造は、厚さ１００Å以下の少なくとも１つの量子井戸層を含む、請求項１〜８のいずれか一項に記載の半導体発光素子である。量子井戸層の厚さを１００Å以下とすることによって、量子効果により、発光効率を高めることができる。このような薄い量子井戸層における圧縮応力に起因する結晶欠陥が、歪み補償層の働きによって低減されることになる。したがって、量子効果との相乗効果によって、優れた発光効率を実現することができる。

請求項１０記載の発明は、前記成長主面がｍ面である、請求項１〜９のいずれか一項に記載の半導体発光素子である。ｍ面を主面とするIII族窒化物半導体結晶の成長は安定しており、良好な結晶性を有している。このような良好な結晶性のIII族窒化物半導体で構成された半導体発光素子に歪み補償層を導入することによって、量子井戸層の圧縮応力を効果的に低減できるから、量子井戸層は結晶欠陥が極めて少ない状態となる。これにより、優れた発光効率を実現できる。

以下では、この発明の実施の形態を、添付図面を参照して詳細に説明する。
図１は、この発明の一実施形態に係る半導体レーザダイオードの構成を説明するための斜視図であり、図２は、図１のII−II線に沿う縦断面図であり、図３は、図１のIII−III線に沿う横断面図である。
この半導体レーザダイオード７０は、基板１と、基板１上に結晶成長によって形成されたIII族窒化物半導体積層構造２と、基板１の裏面（III族窒化物半導体積層構造２と反対側の表面）に接触するように形成されたｎ型電極３と、III族窒化物半導体積層構造２の表面に接触するように形成されたｐ型電極４とを備えたファブリペロー型のものである。

基板１は、この実施形態では、ＧａＮ単結晶基板で構成されている。この基板１は、非極性面の一つであるｍ面を主面としたものであり、この主面上における結晶成長によって、III族窒化物半導体積層構造２が形成されている。したがって、III族窒化物半導体積層構造２は、ｍ面を結晶成長主面とするIII族窒化物半導体からなる。
III族窒化物半導体積層構造２を形成する各層は、基板１に対してコヒーレントに成長されている。コヒーレントな成長とは、下地層からの格子の連続性を保った状態での結晶成長をいう。下地層との格子不整合は、結晶成長される層の格子の歪みによって吸収され、下地層との界面での格子の連続性が保たれる。無歪みの状態でのＩｎＧａＮのａ軸格子定数はＧａＮのａ軸格子定数よりも大きいので、ＩｎＧａＮ層にはａ軸方向への圧縮応力（圧縮歪み）が生じる。これに対して、無歪みの状態でのＡｌＧａＮのａ軸格子定数はＧａＮのａ軸格子定数よりも小さいので、ＡｌＧａＮ層にはａ軸方向への引っ張り応力（引っ張り歪み）が生じる。

III族窒化物半導体積層構造２は、発光層１０と、ｎ型半導体層１１と、ｐ型半導体層１２とを備えている。ｎ型半導体層１１は発光層１０に対して基板１側に配置されており、ｐ型半導体層１２は発光層１０に対してｐ型電極４側に配置されている。こうして、発光層１０が、ｎ型半導体層１１およびｐ型半導体層１２によって挟持されていて、ダブルヘテロ接合が形成されている。発光層１０には、ｎ型半導体層１１から電子が注入され、ｐ型半導体層１２から正孔が注入される。これらが発光層１０で再結合することにより、光が発生するようになっている。

ｎ型半導体層１１は、基板１側から順に、ｎ型ＧａＮコンタクト層１３（たとえば２μｍ厚）、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層１４（１．５μｍ厚以下。たとえば１．０μｍ厚）およびｎ型ＩｎＧａＮガイド層１５（たとえば０．１μｍ厚）を積層して構成されている。一方、ｐ型半導体層１２は、発光層１０の上に、順に、ｐ型ＩｎＧａＮガイド層１６（たとえば０．１μｍ厚）、ｐ型ＡｌＧａＮ電子ブロック層１７（たとえば２０ｎｍ厚）、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１８（１．５μｍ厚以下。たとえば０．４μｍ厚）およびｐ型ＧａＮコンタクト層１９（たとえば０．３μｍ厚）を積層して構成されている。

ｎ型ＧａＮコンタクト層１３およびｐ型ＧａＮコンタクト層１９は、それぞれｎ型電極３およびｐ型電極４とのオーミックコンタクトをとるための低抵抗層である。ｎ型ＧａＮコンタクト層１３は、ＧａＮにたとえばｎ型ドーパントとしてのＳｉを高濃度にドープ（ドーピング濃度は、たとえば、３×１０¹⁸cm^-3）することによってｎ型半導体とされている。また、ｐ型ＧａＮコンタクト層１９は、ｐ型ドーパントとしてのＭｇを高濃度にドープ（ドーピング濃度は、たとえば、３×１０¹⁹cm^-3）することによってｐ型半導体層とされている。

ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層１４およびｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１８は、発光層１０からの光をそれらの間に閉じ込める光閉じ込め効果を生じるものである。ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層１４は、ＡｌＧａＮにたとえばｎ型ドーパントとしてのＳｉをドープ（ドーピング濃度は、たとえば、１×１０¹⁸cm^-3）することによってｎ型半導体とされている。また、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１８は、ｐ型ドーパントとしてのＭｇをドープ（ドーピング濃度は、たとえば、１×１０¹⁹cm^-3）することによってｐ型半導体層とされている。ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層１４は、ｎ型ＩｎＧａＮガイド層１５よりもバンドギャップが広く、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１８は、ｐ型ＩｎＧａＮガイド層１６よりもバンドギャップが広い。これにより、良好な閉じ込めを行うことができ、低閾値および高効率の半導体レーザダイオードを実現できる。

発光層１０の発光波長が４５０ｎｍ以上の長波長域に設定されている場合には、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層１４およびｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１８は、Ａｌの平均組成が５％以下のＡｌＧａＮで構成されていることが好ましい。これにより、良好な光閉じ込めを実現できる。クラッド層１４，１８は、ＡｌＧａＮ層とＧａＮ層との超格子構造で構成することもできる。この場合でも、クラッド層１４，１８全体のＡｌ平均組成が５％以下とされることが好ましい。

ｎ型ＩｎＧａＮガイド層１５およびｐ型ＩｎＧａＮガイド層１６は、発光層１０にキャリア（電子および正孔）を閉じ込めるためのキャリア閉じ込め効果を生じる半導体層であり、かつ、クラッド層１４，１８とともに、発光層１０への光閉じ込め構造を形成している。これにより、発光層１０における電子および正孔の再結合の効率が高められるようになっている。ｎ型ＩｎＧａＮガイド層１５は、ＩｎＧａＮにたとえばｎ型ドーパントとしてのＳｉをドープ（ドーピング濃度は、たとえば、１×１０¹⁸cm^-3）することによりｎ型半導体とされており、ｐ型ＩｎＧａＮガイド層１６は、ＩｎＧａＮにたとえばｐ型ドーパントとしてのＭｇをドープする（ドーピング濃度は、たとえば、５×１０¹⁸cm^-3）ことによってｐ型半導体とされている。

ｐ型ＡｌＧａＮ電子ブロック層１７は、ＡｌＧａＮにｐ型ドーパントとしてのたとえばＭｇをドープ（ドーピング濃度は、たとえば、５×１０¹⁸cm^-3）して形成されたｐ型半導体であり、発光層１０からの電子の流出を防いで、電子および正孔の再結合効率を高めている。
発光層１０は、たとえばＩｎＧａＮを含むＭＱＷ(multiple-quantum well)構造（多重量子井戸構造）を有しており、電子と正孔とが再結合することにより光が発生し、その発生した光を増幅させるための層である。

発光層１０は、この実施形態では、図４に示すように、ＩｎＧａＮ層からなる量子井戸層（たとえば３ｎｍ厚）２２１とＡｌＧａＮ層からなる障壁層（たとえば９ｎｍ厚）２２２とを交互に複数周期繰り返し積層して構成された多重量子井戸（ＭＱＷ：Multiple-Quantum Well）構造を有している。この場合に、ＩｎＧａＮからなる量子井戸層２２１は、Ｉｎの組成比が５％以上とされることにより、バンドギャップが比較的小さくなり、ＡｌＧａＮからなる障壁層２２２は、バンドギャップが比較的大きくなる。たとえば、量子井戸層２２１と障壁層２２２とは交互に２〜７周期繰り返し積層されており、これにより、多重量子井戸構造の発光層１０が構成されている。発光波長は、量子井戸層２２１のバンドギャップに対応しており、バンドギャップの調整は、インジウム（Ｉｎ）の組成比を調整することによって行うことができる。インジウムの組成比を大きくするほど、バンドギャップが小さくなり、発光波長が大きくなる。この実施形態では、発光波長は、量子井戸層（ＩｎＧａＮ層）におけるＩｎの組成を調整することによって、４５０ｎｍ〜５５０ｎｍとされている。前記多重量子井戸構造は、Ｉｎを含む量子井戸層２２１の数が３以下とされることが好ましい。

図１等に示すように、ｐ型半導体層１２は、その一部が除去されることによって、リッジストライプ２０を形成している。より具体的には、ｐ型コンタクト層１９、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１８、ｐ型ＡｌＧａＮ電子ブロック層１７およびｐ型ＩｎＧａＮガイド層１６の一部がエッチング除去され、横断面視ほぼ台形形状（メサ形）のリッジストライプ２０が形成されている。このリッジストライプ２０は、ｃ軸方向に沿って形成されている。

III族窒化物半導体積層構造２は、リッジストライプ２０の長手方向両端における劈開により形成された一対の端面２１，２２（劈開面）を有している。この一対の端面２１，２２は、互いに平行であり、いずれもｃ軸に垂直である。こうして、ｎ型ＩｎＧａＮガイド層１５、発光層１０およびｐ型ＩｎＧａＮガイド層１６によって、端面２１，２２を共振器端面とするファブリペロー共振器が形成されている。すなわち、発光層１０で発生した光は、共振器端面２１，２２の間を往復しながら、誘導放出によって増幅される。そして、増幅された光の一部が、共振器端面２１，２２からレーザ光として素子外に取り出される。

ｎ型電極３およびｐ型電極４は、たとえばＡｌ金属からなり、それぞれｐ型コンタクト層１９および基板１にオーミック接続されている。ｐ型電極４がリッジストライプ２０の頂面（ストライプ状の接触領域）のｐ型ＧａＮコンタクト層１９だけに接触するように、ｐ型ＩｎＧａＮガイド層１６、ｐ型ＡｌＧａＮ電子ブロック層１７およびｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１８の露出面を覆う絶縁層６が設けられている。これにより、リッジストライプ２０に電流を集中させることができるので、効率的なレーザ発振が可能になる。また、リッジストライプ２０の表面は、ｐ型電極４との接触部を除く領域が絶縁層６で覆われて保護されているので、横方向の光閉じ込めを緩やかにして制御を容易にすることができるとともに、側面からのリーク電流を防ぐことができる。絶縁層６は、屈折率が１よりも大きな絶縁材料、たとえば、ＳｉＯ₂やＺｒＯ₂で構成することができる。

さらに、リッジストライプ２０の頂面はｍ面となっていて、このｍ面にｐ型電極４が形成されている。そして、ｎ型電極３が形成されている基板１の裏面もｍ面である。このように、ｐ型電極４およびｎ型電極３のいずれもがｍ面に形成されているので、レーザの高出力化や高温動作に十分に耐えられる信頼性を実現できる。
共振器端面２１，２２は、それぞれ絶縁膜２３，２４（図１では図示を省略した。）によって被覆されている。共振器端面２１は、＋ｃ軸側端面であり、共振器端面２２は−ｃ軸側端面である。すなわち、共振器端面２１の結晶面は＋ｃ面であり、共振器端面２２の結晶面は−ｃ面である。−ｃ面側の絶縁膜２４は、アルカリに溶けるなど化学的に弱い−ｃ面を保護する保護膜として機能することができ、半導体レーザダイオード７０の信頼性の向上に寄与する。

図５に図解的に示すように、＋ｃ面である共振器端面２１を被覆するように形成された絶縁膜２３は、たとえばＺｒＯ₂の単膜からなる。これに対し、−ｃ面である共振器端面２２に形成された絶縁膜２４は、たとえばＳｉＯ₂膜とＺｒＯ₂膜とを交互に複数回（図５の例では５回）繰り返し積層した多重反射膜で構成されている。絶縁膜２３を構成するＺｒＯ₂の単膜は、その厚さがλ／２ｎ₁（ただし、λは発光層１０の発光波長。ｎ₁はＺｒＯ₂の屈折率）とされている。一方、絶縁膜２４を構成する多重反射膜は、膜厚λ／４ｎ₂（但しｎ₂はＳｉＯ₂の屈折率）のＳｉＯ₂膜と、膜厚λ／４ｎ₁のＺｒＯ₂膜とを交互に積層した構造となっている。

このような構造により、＋ｃ軸側端面２１における反射率は小さく、−ｃ軸側端面２２における反射率が大きくなっている。より具体的には、たとえば、＋ｃ軸側端面２１の反射率は２０％程度とされ、−ｃ軸側端面２２における反射率は９９．５％程度（ほぼ１００％）となる。したがって、＋ｃ軸側端面２１から、より大きなレーザ出力が出射されることになる。すなわち、この半導体レーザダイオード７０では、＋ｃ軸側端面２１が、レーザ出射端面とされている。

このような構成によって、ｎ型電極３およびｐ型電極４を電源に接続し、ｎ型半導体層１１およびｐ型半導体層１２から電子および正孔を発光層１０に注入することによって、この発光層１０内で電子および正孔の再結合を生じさせ、波長４５０ｎｍ〜５５０ｎｍの光を発生させることができる。この光は、共振器端面２１，２２の間をガイド層１５，１６に沿って往復しながら、誘導放出によって増幅される。そして、レーザ出射端面である共振器端面２１から、より多くのレーザ出力が外部に取り出されることになる。

図６は、III族窒化物半導体の結晶構造のユニットセルを表した図解図である。III族窒化物半導体の結晶構造は、六方晶系で近似することができ、一つのIII族原子に対して４つの窒素原子が結合している。４つの窒素原子は、III族原子を中央に配置した正四面体の４つの頂点に位置している。これらの４つの窒素原子は、一つの窒素原子がIII族原子に対して＋ｃ軸方向に位置し、他の三つの窒素原子がIII族原子に対して−ｃ軸側に位置している。このような構造のために、III族窒化物半導体では、分極方向がｃ軸に沿っている。

ｃ軸は六角柱の軸方向に沿い、このｃ軸を法線とする面（六角柱の頂面）がｃ面（０００１）である。ｃ面に平行な２つの面でIII族窒化物半導体の結晶を劈開すると、＋ｃ軸側の面（＋ｃ面）はIII族原子が並んだ結晶面となり、−ｃ軸側の面（−ｃ面）は窒素原子が並んだ結晶面となる。そのため、ｃ面は、＋ｃ軸側と−ｃ軸側とで異なる性質を示すので、極性面(Polar Plane)と呼ばれる。

＋ｃ面と−ｃ面とは異なる結晶面であるので、それに応じて、異なる物性を示す。具体的には、＋ｃ面は、アルカリに強いなどといった化学反応性に対する耐久性が高く、逆に、−ｃ面は化学的に弱く、たとえば、アルカリに溶けてしまうことが分かっている。
一方、六角柱の側面がそれぞれｍ面（１０-１０）であり、隣り合わない一対の稜線を通る面がａ面（１１-２０）である。これらは、ｃ面に対して直角な結晶面であり、分極方向に対して直交しているため、極性のない平面、すなわち、非極性面(Nonpolar Plane)である。さらに、ｃ面に対して傾斜している（平行でもなく直角でもない）結晶面は、分極方向に対して斜めに交差しているため、若干の極性のある平面、すなわち、半極性面(Semipolar Plane)である。半極性面の具体例は、（１０-１-１）面、（１０-１-３）面、（１１-２２）面などの面である。

非特許文献１に、ｃ面に対する結晶面の偏角と当該結晶面の法線方向の分極との関係が示されている。この非特許文献１から、（１１-２４）面、（１０-１２）面なども分極の少ない結晶面であり、大きな偏光状態の光を取り出すために採用される可能性のある有力な結晶面であると言える。
たとえば、ｍ面を主面とするＧａＮ単結晶基板は、ｃ面を主面としたＧａＮ単結晶から切り出して作製することができる。切り出された基板のｍ面は、たとえば、化学的機械的研磨処理によって研磨され、（０００１）方向および（１１−２０）方向の両方に関する方位誤差が、±１°以内（好ましくは±０．３°以内）とされる。こうして、ｍ面を主面とし、かつ、転位や積層欠陥といった結晶欠陥のないＧａＮ単結晶基板が得られる。このようなＧａＮ単結晶基板の表面には、原子レベルの段差が生じているにすぎない。

このようにして得られるＧａＮ単結晶基板上に、有機金属気相成長法によって、半導体レーザダイオード構造を構成するIII族窒化物半導体積層構造２が成長させられる。
ｍ面を主面とするＧａＮ単結晶基板１上にｍ面を成長主面とするIII族窒化物半導体積層構造２を成長させてａ面に沿う断面を電子顕微鏡（ＳＴＥＭ：走査透過電子顕微鏡）で観察すると、III族窒化物半導体積層構造２には、転位の存在を表す条線が見られない。そして、表面状態を光学顕微鏡で観察すると、ｃ軸方向への平坦性（最後部と最低部との高さの差）は１０Å以下であることが分かる。このことは、発光層１０、とくに量子井戸層のｃ軸方向への平坦性が１０Å以下であることを意味し、発光スペクトルの半値幅を低くすることができる。

このように、無転位でかつ積層界面が平坦なｍ面III族窒化物半導体を成長させることができる。ただし、ＧａＮ単結晶基板１の主面のオフ角は±１°以内（好ましくは±０．３°以内）とすることが好ましく、たとえば、オフ角を２°としたｍ面ＧａＮ単結晶基板上にＧａＮ半導体層を成長させると、ＧａＮ結晶がテラス状に成長し、オフ角を±１°以内とした場合のような平坦な表面状態とすることができないおそれがある。

ｍ面を主面としたＧａＮ単結晶基板上に結晶成長させられるIII族窒化物半導体は、ｍ面を成長主面として成長する。ｃ面を主面として結晶成長した場合には、ｃ軸方向の分極の影響で、発光層１０での発光効率が悪くなるおそれがある。これに対して、ｍ面を結晶成長主面とすれば、量子井戸層での分極が抑制され、発光効率が増加する。これにより、閾値の低下やスロープ効率の増加を実現できる。また、分極が少ないため、発光波長の電流依存性が抑制され、安定した発振波長を実現できる。

さらにまた、ｍ面を主面とすることにより、ｃ軸方向およびａ軸方向に物性の異方性が生じる。加えて、Ｉｎを含む発光層１０（活性層）には、格子歪みによる２軸性応力が生じている。その結果、ｃ面を主面とした場合よりも価電子帯の状態密度が小さくなって反転分布が得られやすくなり利得が増強され、レーザ特性が向上する。
また、ｍ面を結晶成長の主面とすることにより、III族窒化物半導体結晶の成長を極めて安定に行うことができ、ｃ面やａ面を結晶成長主面とする場合よりも、結晶性を向上することができる。これにより、高性能のレーザダイオードの作製が可能になる。

発光層１０は、ｍ面を結晶成長主面として成長させられたIII族窒化物半導体からなるので、ここから発生する光は、ａ軸方向、すなわちｍ面に平行な方向に偏光しており、ＴＥモードの場合、その進行方向はｃ軸方向である。したがって、半導体レーザダイオード７０は、結晶成長主面が偏光方向に平行であり、かつ、ストライプ方向、すなわち導波路の方向が光の進行方向と平行に設定されている。これにより、ＴＥモードの発振を容易に生じさせることができ、レーザ発振を生じさせるための閾値電流を低減することができる。

また、この実施形態では、基板１としてＧａＮ単結晶基板を用いているので、III族窒化物半導体積層構造２は、欠陥の少ない高い結晶品質を有することができる。その結果、高性能のレーザダイオードを実現できる。
さらにまた、実質的に転位のないＧａＮ単結晶基板上にIII族窒化物半導体積層構造を成長させることにより、このIII族窒化物半導体積層構造２は基板１の再成長面（ｍ面）からの積層欠陥や貫通転位が生じていない良好な結晶とすることができる。これにより、欠陥に起因する発光効率低下などの特性劣化を抑制することができる。

図７は、ｍ面ＧａＮ基板上にコヒーレントに成長させたＩｎＧａＮ層における面内圧縮歪みのＩｎＮモル分率依存性を示すグラフである。負の歪み量（％）は圧縮歪みを表し、正の歪み量は引っ張り歪みを表す。この図７から、ＩｎＮモル分率（InN molar fraction。すなわち、Ｉｎの組成）を増やすことによって、ａ軸方向圧縮歪みε_xxおよびｃ軸方向圧縮歪みε_zz、ならびにｍ軸方向引っ張り歪みε_yyが増大することが分かる。ａ軸方向圧縮歪みε_xxに着目すると、この歪みは、無歪みの状態におけるＩｎＧａＮのａ軸格子定数がＧａＮのａ軸格子定数よりも大きいことに起因するものである。そして、Ｉｎ組成の増大に伴って、格子不整合が増大するために、それに応じてａ軸方向圧縮歪みε_xxが増大することになるものと理解される。

一方、図８は、ｍ面ＧａＮ基板上にコヒーレントに成長させたＡｌＧａＮ層における面内圧縮歪みのＡｌＮモル分率依存性を示すグラフである。負の歪み量（％）は圧縮歪みを表し、正の歪み量は引っ張り歪みを表す。この図８から、ＡｌＮモル分率（AlN molar fraction。すなわち、Ａｌの組成）を増やすことによって、ａ軸方向引っ張り歪みε_xxおよびｃ軸方向引っ張り歪みε_zz、ならびにｍ軸方向圧縮歪みε_yyが増大することが分かる。ａ軸方向引っ張り歪みε_xxに着目すると、この歪みは、無歪みの状態におけるＡｌＧａＮのａ軸格子定数がＧａＮのａ軸格子定数よりも小さい（したがって、ＩｎＧａＮのａ軸格子定数よりも小さい）ことに起因するものである。そして、Ａｌ組成の増大に伴って、格子不整合が増大するために、それに応じてａ軸方向引っ張り歪みε_xxが増大することになるものと理解される。

この実施形態では、前述のとおり、発光層１０が、ＩｎＧａＮ層からなる量子井戸層２２１とＡｌＧａＮ層からなる障壁層２２２とを交互に積層した多重量子井戸構造を形成している。III族窒化物半導体積層構造２を構成する各層は、ｍ面ＧａＮ基板１に対してコヒーレントに成長されている。そのため、ａ軸方向に関して、ＩｎＧａＮ層には圧縮歪みが生じ、ＡｌＧａＮ層には引っ張り歪みが生じることになる。しかし、発光層１０では、これらが交互に積層されているため、ＩｎＧａＮ層からなる量子井戸層２２１の圧縮応力が、ＡｌＧａＮ層からなる障壁層２２２によって緩和されている。すなわち、障壁層２２２は、量子井戸層２２１の圧縮応力を緩和する歪み補償層として機能している。これにより、圧縮応力に起因する結晶欠陥を抑制できるため、量子井戸層２２１は、欠陥の少ない優れた結晶性を有することができる。より具体的には、ｍ面ＧａＮ基板上にＩｎＧａＮ層を形成した場合に見られるａ軸方向に平行なストライプ状結晶欠陥の発生を抑制または解消できる。これにより、量子井戸層２２１において発光に寄与することができる領域が増大するから、発光効率が向上し、それに応じて発振閾値を低減することができる。

しかも、この実施形態では、前述のとおり、量子井戸層２２１の厚さが１００Å以下とされているため、量子効果による発光効率の向上をも見込むことができる。量子井戸層２２１が量子効果を生じるほど薄く、しかも、結晶欠陥が少ない高品質の結晶状態であるため、優れた発光効率を実現できる。
図９は、III族窒化物半導体積層構造２を構成する各層を成長させるための処理装置の構成を説明するための図解図である。処理室３０内に、ヒータ３１を内蔵したサセプタ３２が配置されている。サセプタ３２は、回転軸３３に結合されており、この回転軸３３は、処理室３０外に配置された回転駆動機構３４によって回転されるようになっている。これにより、サセプタ３２に処理対象のウエハ３５を保持させることにより、処理室３０内でウエハ３５を所定温度に昇温することができ、かつ、回転させることができる。ウエハ３５は、前述のＧａＮ単結晶基板１を構成するＧａＮ単結晶ウエハである。

処理室３０には、排気配管３６が接続されている。排気配管３６はロータリポンプ等の排気設備に接続されている。これにより、処理室３０内の圧力は、１／１０気圧〜常圧とされ、処理室３０内の雰囲気は常時排気されている。
一方、処理室３０には、サセプタ３２に保持されたウエハ３５の表面に向けて原料ガスを供給するための原料ガス供給路４０が導入されている。この原料ガス供給路４０には、窒素原料ガスとしてのアンモニアを供給する窒素原料配管４１と、ガリウム原料ガスとしてのトリメチルガリウム（ＴＭＧ）を供給するガリウム原料配管４２と、アルミニウム原料ガスとしてのトリメチルアルミニウム（ＴＭＡｌ）を供給するアルミニウム原料配管４３と、インジウム原料ガスとしてのトリメチルインジウム（ＴＭＩｎ）を供給するインジウム原料配管４４と、マグネシウム原料ガスとしてのエチルシクロペンタジエニルマグネシウム（ＥｔＣｐ₂Ｍｇ）を供給するマグネシウム原料配管４５と、シリコンの原料ガスとしてのシラン（ＳｉＨ₄）を供給するシリコン原料配管４６とが接続されている。これらの原料配管４１〜４６には、それぞれバルブ５１〜５６が介装されている。各原料ガスは、いずれも水素もしくは窒素またはこれらの両方からなるキャリヤガスとともに供給されるようになっている。

たとえば、ｍ面を主面とするＧａＮ単結晶ウエハをウエハ３５としてサセプタ３２に保持させる。この状態で、バルブ５２〜５６は閉じておき、窒素原料バルブ５１を開いて、処理室３０内に、キャリヤガスおよびアンモニアガス（窒素原料ガス）が供給される。さらに、ヒータ３１への通電が行われ、ウエハ温度が１０００℃〜１１００℃（たとえば、１０５０℃）まで昇温される。これにより、表面の荒れを生じさせることなくＧａＮ半導体を成長させることができるようになる。

ウエハ温度が１０００℃〜１１００℃に達するまで待機した後、窒素原料バルブ５１、ガリウム原料バルブ５２およびシリコン原料バルブ５６が開かれる。これにより、原料ガス供給路４０から、キャリヤガスとともに、アンモニア、トリメチルガリウムおよびシランが供給される。その結果、ウエハ３５の表面に、シリコンがドープされたＧａＮ層からなるｎ型ＧａＮコンタクト層１３が成長する。

次に、窒素原料バルブ５１、ガリウム原料バルブ５２およびシリコン原料バルブ５６に加えて、アルミニウム原料バルブ５３が開かれる。これにより、原料ガス供給路４０から、キャリヤガスとともに、アンモニア、トリメチルガリウム、シランおよびトリメチルアルミニウムが供給される。その結果、ｎ型ＧａＮコンタクト層１３上に、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層１４がエピタキシャル成長させられる。このときＡｌＧａＮクラッド層１４のＡｌ組成が５％以下となるように、各原料ガス（とくにアルミニウム原料ガス）の流量比が調整される。

次いで、アルミニウム原料バルブ５３を閉じ、窒素原料バルブ５１、ガリウム原料バルブ５２、インジウム原料バルブ５４、およびシリコン原料バルブ５６を開く。これにより、原料ガス供給路４０から、キャリヤガスとともに、アンモニア、トリメチルガリウム、トリメチルインジウムおよびシランが供給される。その結果、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層１４上にｎ型ＩｎＧａＮガイド層１５がエピタキシャル成長させられる。このｎ型ＩｎＧａＮガイド層１５の形成時には、ウエハ３５の温度は、８００℃〜９００℃（たとえば８５０℃）とされることが好ましい。

次に、シリコン原料バルブ５６が閉じられ、多重量子井戸構造の発光層１０（活性層）の成長が行われる。発光層１０の成長は、窒素原料バルブ５１、ガリウム原料バルブ５２およびインジウム原料バルブ５４を開いてアンモニア、トリメチルガリウムおよびトリメチルインジウムをウエハ３５へと供給することによりＩｎＧａＮ層からなる量子井戸層２２１を成長させる工程と、インジウム原料バルブ５４を閉じ、窒素原料バルブ５１、ガリウム原料バルブ５２およびアルミニウム原料バルブ５３を開いてアンモニア、トリメチルガリウムおよびトリメチルアルミニウムをウエハ３５へと供給することにより、ＡｌＧａＮ層からなる障壁層２２２を成長させる工程とを交互に実行することによって行える。具体的には、障壁層２２２を始めに形成し、その上に量子井戸層２２１を形成する。これを、たとえば、２回に渡って繰り返し行い、最後に障壁層２２２を形成する。発光層１０の形成時には、ウエハ３５の温度は、たとえば、７００℃〜８００℃（たとえば７３０℃）とされることが好ましい。このとき、成長圧力は７００torr以上とすることが好ましく、これにより、耐熱性を向上することができる。

次に、アルミニウム原料バルブ５３が閉じられ、窒素原料バルブ５１、ガリウム原料バルブ５２、インジウム原料バルブ５４およびマグネシウム原料バルブ５５が開かれる。これにより、ウエハ３５に向けて、アンモニア、トリメチルガリウム、トリメチルインジウムおよびエチルシクロペンタジエニルマグネシウムが供給され、マグネシウムがドープされたｐ型ＩｎＧａＮ層からなるガイド層１６が形成されることになる。このｐ型ＩｎＧａＮガイド層１６の形成時には、ウエハ３５の温度は、８００℃〜９００℃（たとえば８５０℃）とされることが好ましい。

次いで、ｐ型ＡｌＧａＮ電子ブロック層１７が形成される。すなわち、窒素原料バルブ５１、ガリウム原料バルブ５２、アルミニウム原料バルブ５３およびマグネシウム原料バルブ５５が開かれ、他のバルブ５４，５６が閉じられる。これにより、ウエハ３５に向けて、アンモニア、トリメチルガリウム、トリメチルアルミニウムおよびエチルシクロペンタジエニルマグネシウムが供給され、マグネシウムがドープされたＡｌＧａＮ層からなるｐ型ＡｌＧａＮ電子ブロック層１７が形成されることになる。このｐ型ＡｌＧａＮ電子ブロック層１７の形成時には、ウエハ３５の温度は、９００℃〜１１００℃（たとえば１０００℃）とされることが好ましい。

次いで、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１８が形成される。すなわち、窒素原料バルブ５１、ガリウム原料バルブ５２、アルミニウム原料バルブ５３およびマグネシウム原料バルブ５５が開かれ、他のバルブ５４，５６が閉じられる。これにより、ウエハ３５に向けて、アンモニア、トリメチルガリウム、トリメチルアルミニウムおよびエチルシクロペンタジエニルマグネシウムが供給され、マグネシウムがドープされてｐ型とされたＡｌＧａＮ層からなるクラッド層１８が形成されることになる。このｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１８の形成時には、ウエハ３５の温度は、９００℃〜１１００℃（たとえば１０００℃）とされることが好ましい。また、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１８のＡｌ組成が５％以下となるように、各原料ガス（とくにアルミニウム原料ガス）の流量が調節されることが好ましい。

次に、ｐ型コンタクト層１９が形成される。すなわち、窒素原料バルブ５１、ガリウム原料バルブ５２およびマグネシウム原料バルブ５５が開かれ、他のバルブ５３，５４，５６が閉じられる。これにより、ウエハ３５に向けて、アンモニア、トリメチルガリウムおよびエチルシクロペンタジエニルマグネシウムが供給され、マグネシウムがドープされたＧａＮ層からなるｐ型ＧａＮコンタクト層１９が形成されることになる。ｐ型ＧａＮコンタクト層１９の形成時には、ウエハ３５の温度は、９００℃〜１１００℃（たとえば１０００℃）とされることが好ましい。

ｐ型半導体層１２を構成する各層は、１０００℃以下の平均成長温度で結晶成長させられることが好ましい。これにより、発光層１０への熱ダメージを低減できる。
ウエハ３５（ＧａＮ単結晶基板１）上にIII族窒化物半導体積層構造２の構成層１０，１３〜１９を成長するのに際しては、いずれの層の成長の際も、処理室３０内のウエハ３５に供給されるガリウム原料（トリメチルガリウム）のモル分率に対する窒素原料（アンモニア）のモル分率の比であるＶ／III比は、１０００以上（好ましくは３０００以上）の高い値に維持される。より具体的には、ｎ型クラッド層１４から最上層のｐ型コンタクト層１９までにおいて、Ｖ／III比の平均値が１０００以上であることが好ましい。これにより、ｎ型クラッド層１４、発光層１０およびｐ型クラッド層１８の全ての層において、点欠陥の少ない良好な結晶を得ることができる。

この実施形態では、上記のような高いＶ／III比を用い、かつ、ＧａＮ単結晶基板１とIII族窒化物半導体積層構造２との間にバッファ層を介在することなく、ｍ面等を主面とするIII族窒化物半導体積層構造２が、無転位の状態で、かつ、平坦に成長する。このIII族窒化物半導体積層構造２は、ＧａＮ単結晶基板１の主面から生じる積層欠陥や貫通転位を有していない。

こうして、ウエハ３５上にIII族窒化物半導体積層構造２が成長させられると、このウエハ３５は、エッチング装置に移され、たとえばプラズマエッチング等のドライエッチングによって、ｐ型半導体層１２の一部を除去してリッジストライプ２０が形成される。このリッジストライプ２０は、ｃ軸方向に平行になるように形成される。
リッジストライプ２０の形成後には、絶縁層６が形成される。絶縁層６の形成は、たとえば、リフトオフ工程を用いて行われる。すなわち、ストライプ状のマスクを形成した後、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１８およびｐ型ＧａＮコンタクト層１９の全体を覆うように絶縁体薄膜を形成した後、この絶縁体薄膜をリフトオフしてｐ型ＧａＮコンタクト層１９を露出させるようにして、絶縁層６を形成できる。

次いで、ｐ型ＧａＮコンタクト層１９にオーミック接触するｐ型電極４が形成され、ｎ型ＧａＮコンタクト層１３にオーミック接触するｎ型電極３が形成される。これらの電極３，４の形成は、たとえば、抵抗加熱または電子線ビームによる金属蒸着装置によって行うことができる。
次の工程は、個別素子への分割である。すなわち、ウエハ３５をリッジストライプ２０に平行な方向およびこれに垂直な方向に劈開して、半導体レーザダイオードを構成する個々の素子が切り出される。リッジストライプに平行な方向に関する劈開はａ面に沿って行われる。また、リッジストライプ２０に垂直な方向に関する劈開はｃ面に沿って行われる。こうして、＋ｃ面からなる共振器端面２１と、−ｃ面からなる共振器端面２２とが形成される。

次に、共振器端面２１，２２に、それぞれ前述の絶縁膜２３，２４が形成される。この絶縁膜２３，２４の形成は、たとえば、電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ）成膜法によって行うことができる。
図１０は、この発明の第２の実施形態に係る半導体レーザダイオードの発光層の構成を示す図解的な断面図である。図１〜図３を併せて参照し、本実施形態の半導体レーザダイオードを説明する。

この実施形態の発光層１０は、量子井戸層２２１および障壁層２２２Ａを交互に積層した多重量子井戸層を有している点で第１の実施形態と共通しているが、障壁層２２２Ａの構成が異なっている。すなわち、障壁層２２２Ａは、ＩｎＧａＮ層２２３と、このＩｎＧａＮ層２２３と量子井戸層２２１との間に介在された歪み補償層２２４とを有している。すなわち、歪み補償層２２４は、量子井戸層２２１に接している。

歪み補償層２２４は、ＡｌＧａＮ層からなる。量子井戸層２２１は、Ｉｎ組成が比較的多く（たとえば、５％以上）、障壁層２２２ＡのＩｎＧａＮ層２２３はＩｎ組成が比較的小さい（たとえば、５％未満）。そのため、ＩｎＧａＮ層２２３は、量子井戸層２２１よりもバンドギャップが大きい。
一方、図７から理解されるとおり、Ｉｎ組成が少ないＩｎＧａＮ層２２３は、Ｉｎ組成が多い量子井戸層２２１よりもａ軸方向圧縮歪みε_xxが小さい。そして、これらの間に、ａ軸方向引っ張り歪みを生じるＡｌＧａＮ層（図８参照）からなる歪み補償層２２４が介在されている。したがって、主として歪み補償層２２４の働きによって、量子井戸層２２１のａ軸方向圧縮応力が緩和されるので、第１の実施形態の場合と同様に、量子井戸層２２１における結晶欠陥を抑制でき、発光効率を向上できる。

歪み補償層２２４は、たとえば、Ａｌ組成が４％とされ、層厚は、１ｎｍ程度とされる。
この実施形態の半導体レーザダイオードの製造工程は、第１の実施形態の半導体レーザダイオードの製造工程と類似しており、図９に示す装置を用いてIII族窒化物半導体積層構造２の各層を形成できる。ただし、発光層１０の形成工程は、以下の通りとなる。

発光層１０の成長は、ＩｎＧａＮ量子井戸層２２１を形成する工程と、ＩｎＧａＮ層２２３を形成する工程と、ＡｌＧａＮ歪み補償層２２４を形成する工程とを含む。より具体的には、ｎ型ＩｎＧａＮガイド層１５上にＩｎＧａＮ層２２３が形成され、その上にＡｌＧａＮ歪み補償層２２４が形成され、その上にＩｎＧａＮ量子井戸層２２１が形成され、さらにその上にＡｌＧａＮ歪み補償層２２４が形成される。以後、ＩｎＧａＮ層２２３、ＡｌＧａＮ歪み補償層２２４、ＩｎＧａＮ量子井戸層２２１、およびＡｌＧａＮ歪み補償層２２４の形成を、この順序で所定回行い、必要数の量子井戸層２２１を形成する。そして、最後に、ＩｎＧａＮ層２２３が形成される。

ＩｎＧａＮ量子井戸層２２１およびＩｎＧａＮ層２２３の形成は、窒素原料バルブ５１、ガリウム原料バルブ５２およびインジウム原料バルブ５４を開き、残余の原料ガスバルブ５３，５５，５６を閉じて、アンモニア、トリメチルガリウムおよびトリメチルインジウムをウエハ３５へと供給することによって行うことができる。ただし、ＩｎＧａＮ層２２３のＩｎ組成がＩｎＧａＮ量子井戸層２２１のＩｎ組成よりも少なくなるように、各層の成長時の原料ガス（とくにインジウム原料ガス）の流量比が調節される。

ＡｌＧａＮ歪み補償層２２４の形成は、窒素原料バルブ５１、ガリウム原料バルブ５２およびアルミニウム原料バルブ５３を開き、残余の原料ガスバルブ５４，５５，５６を閉じて、アンモニア、トリメチルガリウムおよびトリメチルアルミニウムをウエハ３５へと供給することによって行える。
図１１は、この発明の第３の実施形態に係る半導体レーザダイオードの発光層付近の構成を示す図解的な断面図である。図１〜図３を併せて参照し、本実施形態の半導体レーザダイオードを説明する。

この実施形態の発光層１０は、量子井戸層２２１および障壁層２２２Ｂが交互に積層された多重量子井戸構造を有している点で、前述の第１および第２実施形態と共通している。ただし、障壁層２２２Ｂは、ＩｎＧａＮ層の単層（たとえば、厚さ９ｎｍ）からなり、このＩｎＧａＮ層が量子井戸層２２１に接している。量子井戸層２２１は、Ｉｎ組成が比較的多く（たとえば、５％以上）、障壁層２２２Ｂを構成するＩｎＧａＮ層はＩｎ組成が比較的小さい（たとえば、５％未満）。そのため、障壁層２２２Ｂは、量子井戸層２２１よりもバンドギャップが大きい。

一方、この実施形態では、発光層１０に隣接する隣接層であるｎ型ガイド層１５およびｐ型ガイド層１６には、発光層１０に接するように、ｎ型ＡｌＧａＮ層からなる歪み補償層６１ｎおよびｐ型ＡｌＧａＮ層からなる歪み補償層６１ｐがそれぞれ設けられている。より具体的には、発光層１０の最下層（基板１側）の障壁層２２２Ｂとｎ型ＡｌＧａＮ歪み補償層６１ｎとが接している。また、発光層１０の最上層（リッジストライプ２０側）の障壁層２２２Ｂとｐ型ＡｌＧａＮ歪み補償層６１ｐとが接している。

このような構成により、発光層１０の上下に接する歪み補償層６１ｎ，６１ｐの働きによって、量子井戸層２２１のａ軸方向圧縮応力が緩和されるので、第１および第２の実施形態の場合と同様に、量子井戸層２２１における結晶欠陥を抑制でき、発光効率を向上できる。
量子井戸層２２１での圧縮応力の低減に対する寄与は、発光層１０上に設けられたｐ型歪み補償層６１ｐよりも、発光層１０とＧａＮ基板１との間に設けられたｎ型歪み補償層６１ｎの方が大きい。これは、ｎ型歪み補償層６１ｎが、発光層１０よりも前に成長されるからである。したがって、ｎ型歪み補償層６１ｎだけで充分な応力緩和効果が得られる場合には、ｐ型歪み補償層６１ｐは省かれてもよい。

この実施形態の半導体レーザダイオードの製造工程は、第１の実施形態の半導体レーザダイオードの製造工程と類似しており、図９に示す装置を用いてIII族窒化物半導体積層構造２の各層を形成できる。ただし、ｎ型ガイド層１５のＩｎＧａＮ層部分の形成の後、ｎ型ＡｌＧａＮ歪み補償層６１ｎが形成され、その上に発光層１０が形成される。また、発光層１０の形成の後、ｐ型ＡｌＧａＮ歪み補償層６１ｐが形成され、その上にｐ型ガイド層１６のＩｎＧａＮ層部分が形成される。

ｎ型ＡｌＧａＮ歪み補償層６１ｎの形成時には、窒素原料バルブ５１、ガリウム原料バルブ５２、アルミニウム原料バルブ５３およびシリコン原料バルブ５６が開かれ、残余の原料ガスバルブ５４，５５が閉じられる。これにより、原料ガス供給路４０から、キャリヤガスとともに、アンモニア、トリメチルガリウム、トリメチルアルミニウムおよびシランが供給される。その結果、ｎ型ＩｎＧａＮガイド層１５上にｎ型ＡｌＧａＮ歪み補償層６１がエピタキシャル成長させられる。

ｐ型ＡｌＧａＮ歪み補償層６１ｐの形成時には、窒素原料バルブ５１、ガリウム原料バルブ５２、アルミニウム原料バルブ５３およびマグネシウム原料バルブ５５が開かれ、残余の原料ガスバルブ５４，５６が閉じられる。これにより、原料ガス供給路４０から、キャリヤガスとともに、アンモニア、トリメチルガリウム、トリメチルアルミニウムおよびエチルシクロペンタジエニルマグネシウムが供給される。その結果、発光層１０上にｐ型ＡｌＧａＮ歪み補償層６１ｐがエピタキシャル成長させられる。

図１２は、この発明の第４の実施形態に係る半導体レーザダイオードの発光層付近の構成を示す図解的な断面図である。この図１２において、前述の図１１に示された構成に対応する各部には、図１２の場合と同一の参照符号を付して示す。図１〜図３を併せて参照し、本実施形態の半導体レーザダイオードを説明する。
この実施形態では、発光層１０とＧａＮ基板１との間に設けられたｎ型ガイド層１５の膜厚途中位置にｎ型歪み補償層６２ｎが介在されている。すなわち、ｎ型ガイド層１５は、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層１４側の第１ＩｎＧａＮ部分１５１と、発光層１０側の第２ＩｎＧａＮ部分１５２とに分割されており、これらの間にｎ型ＡｌＧａＮ歪み補償層６２が介在されている。

また、発光層１０上に設けられたｐ型ガイド層１６の膜厚途中位置にｐ型歪み補償層６２ｐが介在されている。すなわち、ｐ型ガイド層１５は、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１８側の第１ＩｎＧａＮ部分１６１と、発光層１０側の第２ＩｎＧａＮ部分１６２とに分割されており、これらの間にｐ型ＡｌＧａＮ歪み補償層６２ｐが介在されている。
このような構成により、歪み補償層６２ｎ，６２ｐの働きによって、量子井戸層２２１のａ軸方向圧縮応力が緩和されるので、第１〜第３の実施形態の場合と同様に、量子井戸層２２１における結晶欠陥を抑制でき、発光効率を向上できる。

ｎ型ガイド層１５において、第１ＩｎＧａＮ部分１５１の層厚は、たとえば、５０ｎｍ程度とされ、第２ＩｎＧａＮ部分１５２の層厚は、たとえば、５０ｎｍ程度とされる。同様に、ｐ型ガイド層１６において、第１ＩｎＧａＮ部分１６１の層厚は、たとえば、５０ｎｍ程度とされ、第２ＩｎＧａＮ部分１６２の層厚は、たとえば、５０ｎｍ程度とされる。

ＡｌＧａＮ歪み補償層６２ｎ，６２ｐの形成方法は、前述の第３の実施形態のＡｌＧａＮ歪み補償層６１ｎ，６１ｐ場合と同様であるので、説明を省く。
量子井戸層２２１での圧縮応力の低減に対する寄与は、発光層１０よりも上に設けられたｐ型歪み補償層６２ｐよりも、発光層１０とＧａＮ基板１との間に設けられたｎ型歪み補償層６２ｎの方が大きい。これは、ｎ型歪み補償層６２ｎが、発光層１０よりも前に成長されるからである。したがって、ｎ型歪み補償層６２ｎだけで充分な応力緩和効果が得られる場合には、ｐ型歪み補償層６２ｐは省かれてもよい。

図１３は、この発明の第５の実施形態に係る発光ダイオードの構造を説明するための図解的な断面図である。この発光ダイオード８０は、ＧａＮ（窒化ガリウム）単結晶基板８１上にIII族窒化物半導体積層構造をなすIII族窒化物半導体層８２を成長させて構成された素子本体を有している。III族窒化物半導体層８２は、ＧａＮ単結晶基板８１側から順に、ｎ型コンタクト層１０１、発光層としての多重量子井戸（ＭＱＷ）層１０２、ｐ型電子阻止層１０３、およびｐ型コンタクト層１０４を積層した積層構造を有している。ｐ型コンタクト層１０４層の表面には、透明電極としてのｐ型電極（アノード電極）８３が形成されており、さらに、このｐ型電極８３の一部には、配線接続のための接続部８４が接合されている。また、ｎ型コンタクト層１０１には、ｎ型電極（カソード電極）８５が接合されている。こうして、発光ダイオード構造が形成されている。ｎ型コンタクト層１０１においてｎ型電極８５が接合される部分は、このｎ型電極８５との間にオーミック接合を形成する接触部１０１Ａをなしている。

ＧａＮ単結晶基板１は、支持基板（配線基板）９０に接合されている。支持基板９０の表面には、配線９１，９２が形成されている。そして、接続部８４と配線９１とがボンディングワイヤ９３で接続されており、ｎ型電極８５と配線９２とがボンディングワイヤ９４で接続されている。さらに、図示は省略するが、前記発光ダイオード構造と、ボンディングワイヤ９３，９４とが、エポキシ樹脂等の透明樹脂によって封止されることにより、発光ダイオード素子が構成されている。

ｎ型コンタクト層１０１は、シリコンをｎ型ドーパントとして添加したｎ型ＧａＮ層からなる。層厚は３μｍ以上とすることが好ましい。シリコンのドーピング濃度は、たとえば、１０¹⁸cm^-3とされる。
多重量子井戸層１０２としては、前述の図４（第１実施形態）または図１０（第２実施形態）の構造が適用される。これにより、量子井戸層２２１の圧縮応力がＡｌＧａＮからなる障壁層２２２（図４）または歪み補償層２２４（図１０）によって緩和される。そのため、量子井戸層２２１は結晶欠陥の少ない優れた結晶性を有するので、優れた発光効率を有することになる。

ｐ型電子阻止層１０３は、ｐ型ドーパントとしてのマグネシウムを添加したＡｌＧａＮ層からなる。層厚は、たとえば、２８ｎｍである。マグネシウムのドーピング濃度は、たとえば、３×１０¹⁹cm^-3とされる。
ｐ型コンタクト層１０４は、ｐ型ドーパントとしてのマグネシウムを高濃度に添加したＧａＮ層からなる。層厚は、たとえば、７０ｎｍである。マグネシウムのドーピング濃度は、たとえば、１０²⁰cm^-3とされる。ｐ型コンタクト層１０４の表面はIII族窒化物半導体層８２の表面８２ａをなし、この表面８２ａは鏡面となっている。この表面８２ａは、多重量子井戸層１０２で発生した光が取り出される光取り出し側表面である。

ｐ型電極８３は、Ｎｉ層とＡｕ層とから構成される透明な薄い金属層（たとえば、２００Å以下）で構成される。III族窒化物半導体層８２の表面８２ａが鏡面であるので、この表面８２ａに接して形成されるｐ型電極８３の表面８３ａ（光取り出し側表面）も鏡面となる。このように、III族窒化物半導体層８２の光取り出し側表面８２ａおよびｐ型電極８３の光取り出し側表面８３ａがいずれも鏡面であるので、多重量子井戸層１０２から発生した光は、その偏光状態にほとんど影響を与えることなく、ｐ型電極８３側へと取り出されることになる。

ｎ型電極８５は、Ｔｉ層とＡｌ層とから構成される膜である。
ＧａＮ単結晶基板８１は、非極性面（この実施形態ではｍ面）を主面とするＧａＮ単結晶からなる基板である。より具体的には、ＧａＮ単結晶基板８１の主面は、非極性面の面方位から±１°以内のオフ角を有する面である。
この発光ダイオード８０のIII族窒化物半導体層８２の形成には、前述の図９に示された装置を用いることができる。

ウエハ温度が１０００℃〜１１００℃に達するまで待機した後、窒素原料バルブ５１、ガリウム原料バルブ５２およびシリコン原料バルブ５６が開かれる。これにより、原料ガス供給路４０から、キャリヤガスとともに、アンモニア、トリメチルガリウムおよびシランが供給される。その結果、ウエハ３５の表面に、シリコンがドープされたＧａＮ層からなるｎ型コンタクト層１０１が成長する。

次に、シリコン原料バルブ５６が閉じられ、多重量子井戸層１０２の成長が行われる。多重量子井戸層１０２の形成方法は、前述の第１実施形態または第２実施形態の発光層１０の形成方法と、同様であるので、ここでは説明を省略する。
次いで、ｐ型電子阻止層１０３が形成される。すなわち、窒素原料バルブ５１、ガリウム原料バルブ５２、アルミニウム原料バルブ５３およびマグネシウム原料バルブ５５が開かれ、他のバルブ５４，５６が閉じられる。これにより、ウエハ３５に向けて、アンモニア、トリメチルガリウム、トリメチルアルミニウムおよびエチルシクロペンタジエニルマグネシウムが供給され、マグネシウムがドープされたＡｌＧａＮ層からなるｐ型電子阻止層１０３が形成されることになる。このｐ型電子阻止層１０３の形成時には、ウエハ３５の温度は、１０００℃〜１１００℃（たとえば１０００℃）とされることが好ましい。

次に、ｐ型コンタクト層１０４が形成される。すなわち、窒素原料バルブ５１、ガリウム原料バルブ５２およびマグネシウム原料バルブ５５が開かれ、他のバルブ５３，５４，５６が閉じられる。これにより、ウエハ３５に向けて、アンモニア、トリメチルガリウムおよびエチルシクロペンタジエニルマグネシウムが供給され、マグネシウムがドープされたＧａＮ層からなるｐ型コンタクト層１０４が形成されることになる。ｐ型コンタクト層１０４の形成時には、ウエハ３５の温度は、１０００℃〜１１００℃（たとえば１０００℃）とされることが好ましい。

こうして、ウエハ３５上にIII族窒化物半導体層８２が成長させられると、このウエハ３５は、エッチング装置に移され、たとえばプラズマエッチングによって、ｎ型コンタクト層１０１を露出させるための凹部８７が形成される。凹部８７は、多重量子井戸層１０２、ｐ型電子阻止層１０３およびｐ型コンタクト層１０４を島状に取り囲むように形成されてもよく、これにより、多重量子井戸層１０２、ｐ型電子阻止層１０３およびｐ型コンタクト層１０４をメサ形に整形するものであってもよい。

次いで、抵抗加熱または電子線ビームによる金属蒸着装置によって、ｐ型電極８３、接続部８４、ｎ型電極８５が形成される。これにより、発光ダイオード構造を得ることができる。
このようなウエハプロセスの後に、ウエハ３５の劈開によって個別素子が切り出され、この個別素子は、ダイボンディングおよびワイヤボンディングによってリード電極に接続された後、エポキシ樹脂等の透明樹脂中に封止される。こうして、発光ダイオード素子８０が作製される。

ウエハ３５（ＧａＮ単結晶基板１）上にIII族窒化物半導体層８２の構成層１０１〜１０４の成長に際しては、いずれの層の成長の際も、処理室３０内のウエハ３５に供給されるガリウム原料（トリメチルガリウム）のモル分率に対する窒素原料（アンモニア）のモル分率の比であるＶ／III比は、３０００以上の高い値に維持される。この実施形態では、このような高いＶ／III比を用い、かつ、ＧａＮ単結晶基板８１とIII族窒化物半導体層８２との間にバッファ層を介在することなく、ｍ面等を主面とするIII族窒化物半導体層８２が、無転位の状態で、かつ、平坦に成長する。

以上、この発明の５つの実施形態について説明したが、この発明はさらに他の形態で実施することもできる。
たとえば、前述の第１〜第４の実施形態では、リッジストライプ２０をｃ軸に平行に形成した構造について説明したが、リッジストライプ２０をａ軸に平行とし、共振器端面をａ面としてもよい。また、基板１の主面は、ｍ面に限らず、他の非極性面であるａ面としてもよいし、半極性面としてもよい。

さらにまた、III族窒化物半導体積層構造２を構成する各層の層厚や不純物濃度等は一例であり、適宜適切な値を選択して用いることができる。
また、III族窒化物半導体積層構造２を形成した後にレーザリフトオフなどで基板１を除去し、基板１のない半導体レーザダイオードとすることもできる。
また、前述の第５の実施形態では、多重量子井戸層１０２内に歪み補償層を設ける例について説明したが、図１１または図１２に示す構成をとることもできる。つまり、多重量子井戸層１０２に隣接するｎ型コンタクト層１０１にｎ型ＡｌＧａＮ歪み補償層を設けてもよい。このｎ型ＡｌＧａＮ歪み補償層は、図１１の構成に倣って、多重量子井戸層１０２に接するように設けられることが好ましいが、図１２の構成に倣って、ｎ型コンタクト層１０１の層厚途中に設けられてもよい。

また、前述の第５の実施形態では、一つの非極性面であるｍ面を成長主面とするIII族窒化物半導体積層構造を有する発光ダイオードを例にとったが、別の非極性面であるａ面を成長主面とするIII族窒化物半導体積層構造でダイオード構造を形成してもよい。さらには、非極性面に限らず、半極性面を成長主面とするIII族窒化物半導体積層構造でダイオード構造を形成した場合にも、この発明を適用することができる。

また、前述の実施形態では、量子井戸層が複数個設けられた多重量子井戸構造の発光層を有する素子について説明したが、発光層の構造は、量子井戸層が１個の量子井戸構造としてもよい。
その他、特許請求の範囲に記載された事項の範囲で種々の設計変更を施すことが可能である。

この発明の第１の実施形態に係る半導体レーザダイオードの構成を説明するための斜視図である。図１のII−II線に沿う縦断面図である。図１のIII−III線に沿う横断面図である。前記半導体レーザダイオードの発光層の構成を説明するための図解的な断面図である。共振器端面に形成された絶縁膜（反射膜）の構成を説明するための図解図である。 III族窒化物半導体の結晶構造のユニットセルを表した図解図である。ｍ面ＧａＮ基板上にコヒーレントに成長させたＩｎＧａＮ層における面内圧縮歪みのＩｎＮモル分率依存性を示すグラフである。ｍ面ＧａＮ基板上にコヒーレントに成長させたＡｌＧａＮ層における面内圧縮歪みのＡｌＮモル分率依存性を示すグラフである。 III族窒化物半導体積層構造を構成する各層を成長させるための処理装置の構成を説明するための図解図である。この発明の第２の実施形態に係る半導体レーザダイオードの発光層の構成を示す図解的な断面図である。この発明の第３の実施形態に係る半導体レーザダイオードの発光層の構成を示す図解的な断面図である。この発明の第４の実施形態に係る半導体レーザダイオードの発光層の構成を示す図解的な断面図である。この発明の第５の実施形態に係る発光ダイオードの構造を説明するための図解的な断面図である。

符号の説明

１基板（ＧａＮ単結晶基板）
２ III族窒化物半導体積層構造
３ｎ側電極
４ｐ側電極
６絶縁層
１０発光層
２２１量子井戸層
２２２，２２２Ａ，２２２Ｂ障壁層
２２３ＩｎＧａＮ層
２２４歪み補償層
１１ｎ型半導体層
１２ｐ型半導体層
１３ｎ型ＧａＮコンタクト層
１４ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層
１５ｎ型ガイド層
１５１第１ＩｎＧａＮ部分
１５２第２ＩｎＧａＮ部分
１６ｐ型ガイド層
１６１第１ＩｎＧａＮ部分
１６２第２ＩｎＧａＮ部分
１７ｐ型ＡｌＧａＮ電子ブロック層
１８ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層
１９ｐ型ＧａＮコンタクト層
２０リッジストライプ
２１，２２端面
２３，２４絶縁膜
２６ｎ型ＩｎＧａＮ層
３０処理室
３１ヒータ
３２サセプタ
３３回転軸
３４回転駆動機構
３５基板
３６排気配管
４０原料ガス導入路
４１窒素原料配管
４２ガリウム原料配管
４３アルミニウム原料配管
４４インジウム原料配管
４５マグネシウム原料配管
４６シリコン原料配管
５１窒素原料バルブ
５２ガリウム原料バルブ
５３アルミニウム原料バルブ
５４インジウム原料バルブ
５５マグネシウム原料バルブ
５６シリコン原料バルブ
６１ｎ，６１ｐ歪み補償層
６２ｎ，６２ｐ歪み補償層
７０半導体レーザダイオード
８０発光ダイオード
８１ＧａＮ単結晶基板
８２ III族窒化物半導体層
８３ｐ型電極
８４接続部
８５ｎ型電極
８７凹部
９０支持基板
９１，９２配線
９３，９４ボンディングワイヤ
１０１ｎ型コンタクト層
１０２多重量子井戸層
１０４ｐ型コンタクト層

Claims

非極性面または半極性面を成長主面とするIII族窒化物半導体からなり、発光層にＩｎを含む量子井戸層を有する半導体発光素子において、
無歪みの状態での格子定数が前記量子井戸層の格子定数よりも小さく、Ａｌを含むIII族窒化物半導体からなる歪み補償層が、量子井戸層および障壁層を有する量子井戸構造の発光層内、または当該発光層に隣接する隣接層内に介在していることを特徴とする、半導体発光素子。
前記歪み補償層が、前記障壁層内に設けられている、請求項１記載の半導体発光素子。
前記歪み補償層が、前記量子井戸層に接するように設けられている、請求項２記載の半導体発光素子。
前記歪み補償層が、前記隣接層内に設けられ、前記量子井戸構造に接している、請求項１記載の半導体発光素子。
前記歪み補償層が、前記量子井戸構造の障壁層に接している、請求項４記載の半導体発光素子。
前記歪み補償層が、前記隣接層内に設けられ、前記量子井戸構造に接していない、請求項１記載の半導体発光素子。
前記隣接層が、Ｉｎを含むIII族窒化物半導体からなる、請求項１〜６のいずれか一項に記載の半導体発光素子。
前記隣接層が、ガイド層およびクラッド層を含み、前記クラッド層が、Ａｌの平均組成が５％以下のIII族窒化物半導体からなる、請求項１〜７のいずれか一項に記載の半導体発光素子。
前記量子井戸構造は、厚さ１００Å以下の少なくとも１つの量子井戸層を含む、請求項１〜８のいずれか一項に記載の半導体発光素子。
前記成長主面がｍ面である、請求項１〜９のいずれか一項に記載の半導体発光素子。