JP2011023398A - 半導体発光素子 - Google Patents

Abstract

【課題】動作電圧の上昇を抑制することが可能な半導体発光素子を提供する。
【解決手段】この窒化物半導体レーザ素子１００（半導体発光素子）は、Ｉｎを含む活性層１４と、活性層１４上に形成されたｐ型クラッド層１８と、活性層１４とｐ型クラッド層１８との間にそれぞれ形成された、アンドープＡｌＧａＮ層１６およびｐ型ＡｌＧａＮ層１７とを備えている。そして、アンドープＡｌＧａＮ層１６は、ｐ型ＡｌＧａＮ層１７より活性層１４側に配されているとともに、２ｎｍ以下の厚みに形成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体発光素子に関し、特に、窒化物半導体からなる活性層を有する半導体発光素子に関する。

ＧａＮ、ＡｌＮ、ＩｎＮおよびそれらの混晶に代表される窒化物半導体は、ＡｌＧａＩｎＡｓ系半導体やＡｌＧａＩｎＰ系半導体に比べてバンドギャップＥｇが大きく、かつ直接遷移型の半導体材料であるという特徴を有している。このため、これらの窒化物半導体は、紫外線から緑色に及ぶ波長領域における発光が可能な半導体レーザ素子や、紫外線から赤色までの広い発光波長範囲をカバーできる発光ダイオード素子などの半導体発光素子を構成する材料として注目されており、プロジェクターやフルカラーディスプレー、さらには環境・医療分野など、広く応用が考えられている。

また、従来、窒化物半導体を用いた半導体レーザ素子（半導体発光素子）において、基板上に、Ｉｎを含む活性層が形成された半導体レーザ素子が知られている。

図１６は、従来の一例による半導体レーザ素子を示した断面図である。図１６を参照して、従来の一例による半導体レーザ素子では、ｎ型ＧａＮ基板５００上に、ｎ型半導体層５１０、活性層５２０およびｐ型半導体層５３０が順次形成されている。上記活性層５１０は、ＩｎＧａＮからなる井戸層を含む量子井戸構造を有しており、上記ｐ型半導体層５３０は、活性層５２０側から順次形成された、ｐ型ＡｌＧａＮ層、ｐ型クラッド層およびｐ型コンタクト層から構成されている。また、ｐ型半導体層５３０には、ｐ型不純物としてＭｇ（マグネシウム）がドープされている。また、ｐ型半導体層５３０には、凸状のリッジ部５３５が形成されており、ｐ型半導体層５３０上には、このリッジ部５３５の側面を埋め込む絶縁層５４０が形成されている。さらに、絶縁層５４０上には、ｐ側電極５５０が形成されており、ｎ型ＧａＮ基板５００の裏面には、ｎ側電極５６０が形成されている。なお、上記ｐ型ＡｌＧａＮ層は、活性層５２０を保護する役割を有している。

上記のように構成された従来の半導体レーザ素子では、ｐ型クラッド層やｐ型コンタクト層の形成工程、その後のレーザ素子形成工程によって、ｐ型ＡｌＧａＮ層から活性層５２０へＭｇの拡散が引き起こされる。

ここで、活性層へＭｇが拡散すると、拡散したＭｇは光吸収を起こすことが分かっている（たとえば、非特許文献１参照）。このため、図１６に示した従来の半導体レーザ素子では、活性層へＭｇが拡散することにより、発振閾値電流が上昇したり、発光効率が低下したりするという不都合があった。また、Ｍｇの拡散によって活性層に欠陥が増殖するため、素子寿命が低下するという不都合もあった。したがって、図１６に示した半導体レーザ素子の構成では、素子特性が低下するという問題点があった。

そこで、従来、ｐ型ＡｌＧａＮ層から活性層へＭｇが拡散するのを抑制するために、ｐ型ＡｌＧａＮ層の活性層側の一部をアンドープＡｌＧａＮ層とした半導体レーザ素子が提案されている（たとえば、特許文献１参照）。

特開平６−２８３８２５号公報

「ワイドギャップ半導体 光・電子デバイス」森北出版、２０６頁

しかしながら、上記特許文献１に記載された半導体レーザ素子では、ｐ型ＡｌＧａＮ層の活性層側の一部をアンドープＡｌＧａＮ層とすることによって、アンドープＡｌＧａＮ層は低濃度のｎ型の性質を示すため、ｐｎ接合がＡｌＧａＮ層（ｐ型ＡｌＧａＮ層＋アンドープＡｌＧａＮ層）中に存在するという不都合がある。このため、ビルトイン電圧が増加するので、動作電圧が上昇するという問題点がある。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、この発明の１つの目的は、動作電圧の上昇を抑制することが可能な半導体発光素子を提供することである。

この発明のもう１つの目的は、ｐ型不純物の活性層への拡散を抑制することによって、素子特性を向上させることが可能な半導体発光素子を提供することである。

本願発明者らが、上記の問題に着目して種々の実験を行うとともに、鋭意検討した結果、動作電圧の上昇とアンドープＡｌＧａＮ層の層厚（厚み）との間に相関があることを見出した。

すなわち、この発明の一の局面による半導体発光素子は、Ｉｎを含む活性層と、活性層上に形成されたｐ型クラッド層と、活性層とｐ型クラッド層との間にそれぞれ形成された、アンドープＡｌＧａＮ層およびｐ型ＡｌＧａＮ層とを備えている。そして、アンドープＡｌＧａＮ層は、ｐ型ＡｌＧａＮ層より活性層側に配されているとともに、２ｎｍ以下の厚みに形成されている。

この一の局面による半導体発光素子では、上記のように、ｐ型ＡｌＧａＮ層より活性層側に配されたアンドープＡｌＧａＮ層の厚みを２ｎｍ以下に構成することによって、ｐｎ接合をアンドープＡｌＧａＮ層より活性層側に形成することができる。これにより、ビルトイン電圧の増加を抑制することができる。その結果、動作電圧の上昇を抑制することができる。

また、一の局面では、ｐ型ＡｌＧａＮ層の活性層側にアンドープＡｌＧａＮ層を形成することによって、ｐ型ＡｌＧａＮ層などから拡散したｐ型不純物をアンドープＡｌＧａＮ層で吸収することができるので、ｐ型不純物が活性層へ拡散するのを抑制することができる。これにより、活性層にｐ型不純物が拡散することに起因する発振閾値電流の上昇、および、発光効率の低下を抑制することができる。また、ｐ型不純物が活性層に拡散するのを抑制することによって、ｐ型不純物が活性層に拡散することに起因して、活性層に欠陥が増殖するという不都合が生じるのを抑制することができる。これにより、素子寿命の低下を抑制することができる。したがって、このように構成することにより、素子特性を向上させることができる。また、素子の信頼性を向上させることもできる。

上記一の局面による半導体発光素子において、好ましくは、上記アンドープＡｌＧａＮ層は、１ｎｍ以下の厚みで形成されている。このように構成すれば、ビルトイン電圧の増加を十分に抑制することができるので、動作電圧の上昇を十分に抑制することができる。

上記一の局面による半導体発光素子において、好ましくは、活性層とアンドープＡｌＧａＮ層との間には、ＩｎＧａＮ層、ＧａＮ層およびＡｌＧａＮ層の少なくとも１つを含むアンドープ層がさらに形成されている。このように構成すれば、ｐ型不純物がドープされていないアンドープ層が、活性層近傍に配されることになるので、ｐ型不純物（たとえば、Ｍｇ）による光吸収を抑制することができる。このため、これによっても、発振閾値電流の上昇、および、発光効率の低下を抑制することができる。

上記一の局面による半導体発光素子において、ｐ型ＡｌＧａＮ層には、ｐ型不純物として、Ｍｇをドープすることができる。

上記一の局面による半導体発光素子において、好ましくは、アンドープＡｌＧａＮ層のＡｌ組成比、および、ｐ型ＡｌＧａＮ層のＡｌ組成比は、それぞれ、０．１５以上０．５以下である。このように、アンドープＡｌＧａＮ層およびｐ型ＡｌＧａＮ層のＡｌ組成比を高くすることによって、ｐ型不純物（たとえば、Ｍｇ）の活性層への拡散を容易に抑制することができる。これは、ＡｌＮの結合エネルギーとＧａＮの結合エネルギーとの差によるもので、ＡｌＮの結合エネルギーの方が、ＧａＮの結合エネルギーより高いためである。加えて、Ａｌは、ＭｇやＢｅなどのｐ型不純物と反応し易いために、ｐ型不純物の活性層への拡散が抑制される。

また、このように構成すれば、活性層に含まれるＩｎの蒸発を抑制するために、アンドープＡｌＧａＮ層およびｐ型ＡｌＧａＮ層を比較的低温で形成した場合でも、結晶性が悪化するのを抑制することができる。このため、結晶性が良好なアンドープＡｌＧａＮ層およびｐ型ＡｌＧａＮ層を形成することができるので、アンドープＡｌＧａＮ層およびｐ型ＡｌＧａＮ層によって、Ｉｎの蒸発を抑制し、活性層を保護することができる。これにより、活性層の組成が設計値からずれたりするのを抑制することができる。また、結晶性の悪化に起因する量子井戸の界面における平坦性の悪化を抑制することができる。このため、量子井戸の界面における平坦性の悪化を抑制することによって、量子井戸の界面の平坦性が悪化することに起因して、量子効果が失われたりするという不都合が生じるのを抑制することができる。さらに、発振閾値電流が増加したり、発光効率が低下したりするという不都合が生じるのを抑制することもできる。

さらに、このように構成すれば、アンドープＡｌＧａＮ層およびｐ型ＡｌＧａＮ層を、キャリア（電子）のオーバーフローを抑制するキャリアバリアとして効果的に機能させることができる。これにより、ｐ型不純物の活性層への拡散を抑制しながら、温度特性を向上させることもできる。その結果、半導体発光素子の高出力化、および、８０℃以上での高温度動作を実現することが可能となる。

上記一の局面による半導体発光素子において、好ましくは、ｐ型ＡｌＧａＮ層は、アンドープＡｌＧａＮ層上に接するように形成されており、アンドープＡｌＧａＮ層とｐ型ＡｌＧａＮ層との合計厚みは、５ｎｍ以上である。このように構成すれば、アンドープＡｌＧａＮ層およびｐ型ＡｌＧａＮ層によって、活性層を効果的に保護することができるとともに、アンドープＡｌＧａＮ層およびｐ型ＡｌＧａＮ層を、キャリアバリアとしてより効果的に機能させることができる。なお、アンドープＡｌＧａＮ層とｐ型ＡｌＧａＮ層との合計厚みを、５ｎｍ以上とすることによって、アンドープＡｌＧａＮ層とｐ型ＡｌＧａＮ層との合計厚みが小さくなり過ぎることに起因して、トンネル効果によってキャリアバリアの効果が低減するという不都合が生じるのを抑制することができる。

この場合において、好ましくは、ｐ型ＡｌＧａＮ層は、アンドープＡｌＧａＮ層上に接するように形成されているとともに、アンドープＡｌＧａＮ層およびｐ型ＡｌＧａＮ層は、実質的に同一のＡｌ組成比を有しており、そのＡｌ組成比を百分率で表した際に、アンドープＡｌＧａＮ層およびｐ型ＡｌＧａＮ層の合計厚み（ｎｍ）と、Ａｌ組成比（％）との積が１５００％・ｎｍ以下である。このように構成すれば、ＡｌＧａＮ層とＧａＮ層との格子不整合などに起因して、アンドープＡｌＧａＮ層およびｐ型ＡｌＧａＮ層にクラックが発生するという不都合が生じるのを抑制することができる。これにより、アンドープＡｌＧａＮ層およびｐ型ＡｌＧａＮ層にクラックが発生するのを抑制することができるので、クラックの発生に起因するキャリアバリア効果の低減を抑制することができる。また、このように構成すれば、活性層に歪みが加わるのを抑制することができるので、活性層に欠陥が増殖するのを効果的に抑制することができる。これにより、容易に、信頼性を向上させることができる。

上記一の局面による半導体発光素子において、好ましくは、ｐ型ＡｌＧａＮ層のキャリア濃度が、１×１０¹⁵ｃｍ^-2以上である。このように構成すれば、ｐ型ＡｌＧａＮ層を十分にｐ型化することができるので、アンドープＡｌＧａＮ層の厚みを２ｎｍ以下に構成した場合に、容易に、ｐｎ接合をアンドープＡｌＧａＮ層より活性層側に形成することができる。なお、上記キャリア濃度は、ドーピング濃度とは異なる。

上記一の局面による半導体発光素子において、好ましくは、成長主面を有し、成長主面上に、少なくとも、活性層、アンドープＡｌＧａＮ層、ｐ型ＡｌＧａＮ層、およびｐ型クラッド層が形成される基板をさらに備え、基板の成長主面には、厚み方向に掘り込まれた溝部が形成されている。このように構成すれば、基板に形成された溝部によって、格子不整合などに起因して生じる歪みを緩和することができるので、クラックの発生を効果的に抑制することができる。これにより、アンドープＡｌＧａＮ層およびｐ型ＡｌＧａＮ層のＡｌ組成比を容易に高くすることができるとともに、アンドープＡｌＧａＮ層とｐ型ＡｌＧａＮ層との合計厚みを容易に大きくすることができる。その結果、容易に、動作電圧の上昇を抑制しながら、素子特性を向上させることができる。

上記一の局面による半導体発光素子において、好ましくは、成長主面を有し、成長主面上に、少なくとも、活性層、アンドープＡｌＧａＮ層、ｐ型ＡｌＧａＮ層、およびｐ型クラッド層が形成される基板をさらに備え、上記基板は、ｎ型ＧａＮ基板であり、活性層は、Ａｌ_xＧａ_yＩｎ_1-x-yＮ（０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１）層を含む。このように構成すれば、発光効率の高い、高出力の半導体発光素子を容易に得ることができる。

上記一の局面による半導体発光素子において、成長主面を有し、成長主面上に、少なくとも、活性層、アンドープＡｌＧａＮ層、ｐ型ＡｌＧａＮ層、およびｐ型クラッド層が形成される基板をさらに備え、上記基板と活性層との間には、ｎ型クラッド層がさらに形成されているとともに、ｐ型クラッド層上には、コンタクト層がさらに形成されているのが好ましい。

以上のように、本発明によれば、動作電圧の上昇を抑制することが可能な半導体発光素子を容易に得ることができる。

また、本発明によれば、ｐ型不純物の活性層への拡散を抑制することによって、素子特性を向上させることが可能な半導体発光素子を容易に得ることができる。

本発明の第１実施形態による窒化物半導体レーザ素子の構造を示した断面図である。 本発明の第１実施形態による窒化物半導体レーザ素子の活性層の構造を説明するための断面図である。 本発明の第１実施形態による窒化物半導体レーザ素子のバンド構造を示した図である。 本発明の第１実施形態による窒化物半導体レーザ素子の製造方法を説明するための平面図（基板を上面側から見た平面図）である。 本発明の第１実施形態による窒化物半導体レーザ素子の製造方法を説明するための断面図である。 本発明の第１実施形態による窒化物半導体レーザ素子の製造方法を説明するための断面図である。 本発明の第１実施形態による窒化物半導体レーザ素子の製造方法を説明するための断面図である。 本発明の第１実施形態による窒化物半導体レーザ素子の製造方法を説明するための断面図である。 本発明の第１実施形態による窒化物半導体レーザ素子の製造方法を説明するための断面図である。 アンドープＡｌＧａＮ層の層厚と動作電圧との関係を示した相関図である。 キャリアバリア層のＡｌ組成比（％）と温度特性との関係を示した相関図である。 キャリアバリア層の層厚と温度特性との関係を示した相関図である。 本発明の第２実施形態による窒化物半導体レーザ素子の構造を示した断面図である。 本発明の第２実施形態による窒化物半導体レーザ素子のバンド構造を示した図である。 本発明の第２実施形態による窒化物半導体レーザ素子の製造方法を説明するための断面図である。 従来の一例による半導体レーザ素子を示した断面図である。

本発明を具体化した実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、以下の実施形態では、半導体発光素子の一例である窒化物半導体レーザ素子に本発明を適用した場合について説明する。

（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態による窒化物半導体レーザ素子の構造を示した断面図である。図２は、本発明の第１実施形態による窒化物半導体レーザ素子の活性層の構造を説明するための断面図である。図３は、本発明の第１実施形態による窒化物半導体レーザ素子のバンド構造を示した図である。なお、図３は、ｎ型クラッド層からｐ型クラッド層までの伝導帯のバンド構造を示している。まず、図１〜図３を参照して、本発明の第１実施形態による窒化物半導体レーザ素子１００の構造について説明する。

第１実施形態による窒化物半導体レーザ素子１００は、図１に示すように、ｎ型ＧａＮ基板１０の成長主面（ｃ面（０００１））上に、約０．１μｍ〜約１０μｍ（たとえば約４μｍ）の厚みを有するｎ型ＧａＮからなるｎ型バッファ層１１が形成されている。ｎ型バッファ層１１上には、約０．５μｍ〜約３．０μｍ（たとえば約２μｍ）の厚みを有するｎ型Ａｌ_0.05Ｇａ_0.95Ｎからなるｎ型クラッド層１２が形成されている。ｎ型クラッド層１２上には、約０．０１μｍ〜約０．２μｍ（たとえば約０．１μｍ）の厚みを有するｎ型ＧａＮからなるｎ側光ガイド層１３が形成されている。ｎ側光ガイド層１３上には、活性層１４が形成されている。なお、ｎ型ＧａＮ基板１０は、本発明の「基板」の一例である。

この活性層１４は、図２に示すように、アンドープＩｎＧａＮからなる３つの井戸層１４ａと、アンドープＧａＮからなる２つの障壁層１４ｂとが交互に積層された多重量子井戸（ＭＱＷ）構造を有している。なお、井戸層１４ａは、たとえば、約４ｎｍの厚みを有するＩｎ_xＧａ_1-xＮ（ｘ＝０．０５〜０．１）から構成されており、障壁層１４ｂは、たとえば、約８ｎｍの厚みを有するＧａＮから構成されている。

また、活性層１４上には、図１に示すように、約０．０１μｍ〜約０．２μｍ（たとえば約０．１μｍ）の厚みを有するアンドープＧａＮからなるｐ側光ガイド層１５が形成されている。ｐ側光ガイド層１５上には、ｐ型不純物の活性層１４への拡散を抑制するアンドープＡｌＧａＮ層１６が形成されており、このアンドープＡｌＧａＮ層１６上には、ｐ型ＡｌＧａＮ層１７が形成されている。そして、アンドープＡｌＧａＮ層１６とｐ型ＡｌＧａＮ層１７とによって、キャリア（電子）のオーバーフローを抑制するキャリアバリア層３０が構成されている。このキャリアバリア層３０は、活性層１４（井戸層１４ａ）のＩｎの蒸発を防止して、活性層１４を保護する役割も有している。また、ｐ側光ガイド層１５は、活性層１４の最終バリア層として機能する。なお、ｐ側光ガイド層１５は、本発明の「アンドープ層」の一例である。

ここで、第１実施形態では、上記アンドープＡｌＧａＮ層１６は、２ｎｍ以下の厚みに形成されている。また、アンドープＡｌＧａＮ層１６とｐ型ＡｌＧａＮ層１７との合計厚み（キャリアバリア層３０の厚み）は、５ｎｍ以上となるように構成されている。具体的には、上記アンドープＡｌＧａＮ層１６は、２ｎｍの厚みに形成されているとともに、上記ｐ型ＡｌＧａＮ層１７は、１８ｎｍの厚みに形成されている。このため、アンドープＡｌＧａＮ層１６とｐ型ＡｌＧａＮ層１７との合計厚み（キャリアバリア層３０の厚み）は、５ｎｍより大きい２０ｎｍとなっている。なお、アンドープＡｌＧａＮ層１６の厚みは、２ｎｍ以下に構成されているのが好ましく、１ｎｍ以下に構成されていればより好ましい。ただし、アンドープＡｌＧａＮ層１６の厚みは、０より大きい。また、アンドープＡｌＧａＮ層１６とｐ型ＡｌＧａＮ層１７との合計厚み（キャリアバリア層３０の厚み）は、５ｎｍ以上に構成されているのが好ましく、７ｎｍ以上に構成されていればより好ましい。

また、第１実施形態では、アンドープＡｌＧａＮ層１６およびｐ型ＡｌＧａＮ層１７のＡｌ組成比は、１５％以上５０％以下（０．１５以上０．５以下）に構成されている。具体的には、第１実施形態では、アンドープＡｌＧａＮ層１６およびｐ型ＡｌＧａＮ層１７のＡｌ組成比（キャリアバリア層３０のＡｌ組成比）は、それぞれ、３０％に構成されている。このため、図３に示すように、キャリアバリア層３０によって、キャリア（電子）に対して十分に高いエネルギー障壁が形成されるので、活性層１４に注入されたキャリア（電子）がｐ型半導体層へ流入するのをより効果的に防ぐことが可能となる。

なお、アンドープＡｌＧａＮ層１６およびｐ型ＡｌＧａＮ層１７のＡｌ組成比は、１５％以上５０％以下（０．１５以上０．５以下）に構成されているのが好ましく、２５％以上５０％以下（０．２５以上０．５以下）に構成されていればより好ましい。

さらに、第１実施形態では、ｐ型ＡｌＧａＮ層１７が十分にｐ型化するように、ｐ型ＡｌＧａＮ層１７のｐ型キャリア濃度が１×１０¹⁵ｃｍ^-2以上に設定されている。なお、ここでいうキャリア濃度は、ドーピング濃度とは異なる。

また、上記キャリアバリア層３０（ｐ型ＡｌＧａＮ層１７）上には、凸部と、凸部以外の平坦部とを有するｐ型Ａｌ_0.05Ｇａ_0.95Ｎからなるｐ型クラッド層１８が形成されている。ｐ型クラッド層１８の凸部上には、約０．０１μｍ〜約１．０μｍ（たとえば約０．０５μｍ）の厚みを有するｐ型ＧａＮからなるコンタクト層１９が形成されている。そして、このコンタクト層１９とｐ型クラッド層１８の凸部とによって、約１μｍ〜約１０μｍ（たとえば約１．５μｍ）の幅を有するストライプ状（細長状）のリッジ部２０が構成されている。このリッジ部２０は、［１−１００］方向に延びるように形成されている。

なお、第１実施形態による窒化物半導体レーザ素子１００では、ｎ型不純物にＳｉ（シリコン）が用いられており、ｐ型不純物にＭｇが用いられている。

また、第１実施形態では、ｎ型ＧａＮ基板１０の所定領域に、ｎ型ＧａＮ基板１０の成長主面から厚み方向に掘り込まれた溝部１０ａが形成されている。この溝部１０ａは、たとえば、約１．５μｍ〜約２μｍの深さを有しているとともに、約２μｍ〜約２．５μｍの幅を有している。また、溝部１０ａは、リッジ部２０と平行（［１−１００］方向）に延びるように形成されている。さらに、上記溝部１０ａは、窒化物半導体レーザ素子１００の一方の側面側に配されている。そして、この溝部１０ａから所定の距離以上（たとえば、５μｍ以上）隔てた領域上に、上記リッジ部２０が形成されている。

また、第１実施形態では、ｎ型ＧａＮ基板１０に溝部１０ａが形成されることによって、ｎ型ＧａＮ基板１０の成長主面上に形成された窒化物半導体各層の表面に窪み４０が形成されている。そして、この窪み４０によって、ＡｌＧａＮとＧａＮとの格子不整合などに起因して生じる歪みが緩和されている。

ただし、キャリアバリア層３０のＡｌ組成比、および、キャリアバリア層３０の厚みが大きくなり過ぎると、格子不整合などに起因する歪みの影響が大きくなり過ぎるため、クラックの発生を抑制することが困難となる。そのため、キャリアバリア層３０は、Ａｌ組成比（％）と層厚（ｎｍ）との積が、１５００％・ｎｍ以下となるように構成されているのが好ましい。具体的には、キャリアバリア層３０は、たとえば、Ａｌ組成比が５０％以下、層厚が３０ｎｍ以下に構成されているのが好ましい。

リッジ部２０を構成するコンタクト層１９上には、約５ｎｍ〜約１００ｎｍ（たとえば約１５ｎｍ）の厚みを有するコンタクト電極２２がストライプ状（細長状）に形成されている。このコンタクト電極２２は、コンタクト層１９と直接接触するように形成されている。なお、窒化物半導体は、ｐ型半導体の抵抗率が大きくｐ型キャリアが生じ難いため、オーミック接触が取り難いという不都合がある。このため、コンタクト電極２２は、コンタクト層１９とオーミック接触を取るために、仕事関数の大きい金属材料であるＰｄから構成されている。

リッジ部２０の両脇には、約０．１μｍ〜約０．３μｍ（たとえば約０．１５μｍ）の厚みを有するＳｉＯ₂からなる絶縁層２１が形成されている。

また、絶縁層２１の上面上には、コンタクト電極２２よりも大きい平面積を有するｐ側パッド電極２３が、コンタクト電極２２の一部を覆うように形成されている。このｐ側パッド電極２３は、コンタクト電極２２の一部を覆っている部分において、コンタクト電極２２と直接接触している。また、ｐ側パッド電極２３は、絶縁層２１側からＴｉ層（図示せず）およびＡｕ層（図示せず）が順次積層された多層構造からなる。また、ｎ型ＧａＮ基板１０の裏面上には、多層構造からなるｎ側電極２４が形成されている。

なお、拡散したｐ型不純物は活性化しにくい。これは、拡散するｐ型不純物は格子間などに入り易いので、ｐ型キャリアとなりにくいためである。

図４〜図９は、本発明の第１実施形態による窒化物半導体レーザ素子の製造方法を説明するための図である。次に、図１、図２および図４〜図９を参照して、本発明の第１実施形態による窒化物半導体レーザ素子１００の製造方法について説明する。

まず、図４に示すように、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術などを用いて、ｎ型ＧａＮ基板１０（半導体ウェハ）に複数の溝部１０ａを形成する。この際、複数の溝部１０ａを、互いに所定の距離を隔てるとともに、同一方向（［１−１００］方向）に延びるようにストライプ状に形成する。また、複数の溝部１０ａは、［１−１００］方向と直交する［１１−２０］方向に約１５０μｍ〜約６００μｍ（たとえば、約４００μｍ）の周期Ｔで等間隔に形成する。なお、複数の溝部１０ａは、それぞれ、ｎ型ＧａＮ基板１０の厚み方向の深さおよび幅の少なくとも一方が１μｍ以上となるように形成する。具体的には、たとえば、溝部１０ａは、ｎ型ＧａＮ基板１０の厚み方向の深さが、約１．５μｍ〜約２μｍとなるように形成するとともに、その幅が、約２μｍ〜約２．５μｍとなるように形成する。

次に、図５に示すように、ＭＯＣＶＤ（Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法を用いて、ｎ型ＧａＮ基板１０上に、窒化物半導体各層を成長させる。具体的には、ｎ型ＧａＮ基板１０の成長主面（ｃ面（０００１））上に、約０．１μｍ〜約１０μｍ（たとえば約４μｍ）の厚みを有するｎ型ＧａＮからなるｎ型バッファ層１１、約０．５μｍ〜約３．０μｍ（たとえば約２μｍ）の厚みを有するｎ型Ａｌ_0.05Ｇａ_0.95Ｎからなるｎ型クラッド層１２、約０．０１μｍ〜約０．２μｍ（たとえば約０．１μｍ）の厚みを有するｎ型ＧａＮからなるｎ側光ガイド層１３、活性層１４を順次成長させる。

なお、活性層１４を成長させる際には、図２に示したように、ｎ側光ガイド層１３上に、約４ｎｍの厚みを有するアンドープＩｎ_xＧａ_1-xＮ（ｘ＝０．０５〜０．１）からなる３つの井戸層１４ａと、約８ｎｍの厚みを有するアンドープＧａＮからなる２つの障壁層１４ｂとを交互に成長させる。これにより、ｎ側光ガイド層１３上に、３つの井戸層１４ａと２つの障壁層１４ｂとからなるＭＱＷ構造を有する活性層１４が形成される。

続いて、図５に示すように、ＭＯＣＶＤ法を用いて、活性層１４上に、約０．０１μｍ〜約０．２μｍ（たとえば約０．１μｍ）の厚みを有するアンドープＧａＮからなるｐ側光ガイド層１５、アンドープＡｌＧａＮ層１６、ｐ型ＡｌＧａＮ層１７、約０．１μｍ〜約１．０μｍ（たとえば約０．５μｍ）の厚みを有するｐ型Ａｌ_0.05Ｇａ_0.95Ｎからなるｐ型クラッド層１８、約０．０１μｍ〜約１．０μｍ（たとえば約０．０５μｍ）の厚みを有するｐ型ＧａＮからなるコンタクト層１９を順次成長させる。なお、アンドープＡｌＧａＮ層１６とｐ型ＡｌＧａＮ層１７とによって、キャリアバリア層３０が構成される。

このとき、ｎ型半導体層（ｎ型バッファ層１１、ｎ型クラッド層１２およびｎ側光ガイド層１３）は、約１２００℃の成長温度で成長させる。活性層１４およびｐ側光ガイド層１５は、約８００℃の成長温度で成長させる。アンドープＡｌＧａＮ層１６は、約８００℃から約８５０℃まで成長温度を上げながら成長させる。ｐ型ＡｌＧａＮ層１７は、約８５０℃から約１２００℃まで成長温度を上げながら成長させる。すなわち、キャリアバリア層３０（アンドープＡｌＧａＮ層１６およびｐ型ＡｌＧａＮ層１７）を成長させる際には、その成長温度を、約８００℃から約１２００℃まで徐々に（たとえば、１００℃／５分）昇温しながら成長させる。また、ｐ型クラッド層１８およびコンタクト層１９は、それぞれ、約１２００℃の成長温度で成長させる。

なお、ＡｌＧａＮ層は出来るだけ高い温度で形成することで、ＡｌＧａＮ層中の欠陥が抑制される。そして、ＡｌＧａＮ層中の欠陥を抑制することによって、ｐ型不純物（Ｍｇ）の拡散が抑制される。したがって、出来るだけ早くｐ型ＡｌＧａＮ層１７の成長温度を９００℃以上、できれば１０００℃以上にすることが好ましい。

これらの窒化物半導体の原料としては、たとえば、Ｇａの原料としてトリメチルガリウム（（ＣＨ₃）₃Ｇａ：ＴＭＧａ）を、Ａｌの原料としてトリメチルアルミニウム（（ＣＨ₃）₃Ａｌ：ＴＭＡｌ）を、Ｉｎの原料としてトリメチルインジウム（（ＣＨ₃）₃Ｉｎ：ＴＭＩｎ）を、Ｎの原料としてＮＨ₃を用いることができる。また、キャリアガスとしては、たとえば、Ｈ₂を用いることができる。ドーパントについては、ｎ型ドーパント（ｎ型不純物）としては、たとえば、モノシラン（ＳｉＨ₄）を用いることができ、ｐ型ドーパント（ｐ型不純物）としては、たとえば、シクロペンタジエニルマグネシウム（ＣＰ₂Ｍｇ）を用いることができる。

ここで、第１実施形態では、Ａｌ組成比が１５％以上５０％以下（０．１５以上０．５以下）となるように、アンドープＡｌＧａＮ層１６およびｐ型ＡｌＧａＮ層１７（キャリアバリア層３０）を形成する。具体的には、アンドープＡｌＧａＮ層１６およびｐ型ＡｌＧａＮ層１７（キャリアバリア層３０）を、そのＡｌ組成比が３０％となるように形成する。

また、第１実施形態では、上記アンドープＡｌＧａＮ層１６を、２ｎｍ以下の厚みに形成する。また、アンドープＡｌＧａＮ層１６とｐ型ＡｌＧａＮ層１７との合計厚み（キャリアバリア層３０の厚み）が、５ｎｍ以上となるように、各層を形成する。具体的には、上記アンドープＡｌＧａＮ層１６を、２ｎｍの厚みに形成するとともに、上記ｐ型ＡｌＧａＮ層１７を、１８ｎｍの厚みに形成する。

さらに、第１実施形態では、ｐ型ＡｌＧａＮ層１７のｐ型キャリア濃度が１×１０¹⁵ｃｍ^-2以上となるように設定する。このため、ｐ型ＡｌＧａＮ層１７には、１×１０¹⁹ｃｍ^-3以上のドーピング濃度で、ｐ型不純物であるＭｇをドープする。

なお、第１実施形態では、ｎ型ＧａＮ基板１０に溝部１０ａを形成することによって、図１に示したように、窒化物半導体各層の表面に窪み４０が形成された状態となる。そして、この窪み４０によって、格子不整合などに起因して生じる歪みが緩和されている。このため、キャリアバリア層３０のＡｌ組成比を、通常よりも高くした場合でも、クラックの発生が抑制される。

続いて、図６に示すように、ｐ型クラッド層１８の途中の深さまでエッチングを行うことにより、［１−１００］方向に延びるストライプ状（細長状）のリッジ部２０を形成する。

次に、図７に示すように、スパッタ法などにより、約０．１μｍ〜約０．３μｍ（たとえば約０．１５μｍ）の厚みを有するＳｉＯ₂層を全面に形成する。そして、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を用いて、ＳｉＯ₂層のリッジ部２０上面部分を除去する。これにより、ＳｉＯ₂層に開口部が形成され、リッジ部２０の上面（コンタクト層１９）が露出されるとともに、リッジ部２０の両脇に、ＳｉＯ₂層からなる絶縁層２１が形成される。

その後、リッジ部２０の上部以外の領域にレジスト（図示せず）を形成し、たとえば、ＥＢ蒸着法などを用いて、コンタクト層１９上に、Ｐｄからなるコンタクト電極を形成する。この際、コンタクト電極は、その厚みが５ｎｍ以上１００ｎｍ以下（たとえば１５ｎｍ）となるように形成する。そして、リフトオフによりレジスト（図示せず）を除去する。このようにして形成されたコンタクト電極２２が図８に示されている。

なお、ｎ型ＧａＮ基板１０の上面全面にコンタクト電極を形成した後、リッジ部２０の上部以外をフォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を用いて除去することにより、コンタクト層１９上に、コンタクト電極２２を形成してもよい。

次に、絶縁層２１が形成されたｎ型ＧａＮ基板１０の上面上の全面にレジスト（図示せず）を形成するとともに、フォトリソグラフィ技術を用いて、リッジ部２０（コンタクト電極２２）の一部を含む所定領域を露出させる開口部をレジスト（図示せず）に形成する。そして、レジスト（図示せず）が形成されたｎ型ＧａＮ基板１０上に、真空蒸着法などを用いて、基板側からＴｉ層（図示せず）およびＡｕ層（図示せず）を順次形成することにより、多層構造からなるｐ側パッド電極を形成する。その後、リフトオフによりレジストを除去する。これにより、図９に示すように、コンタクト電極２２の一部を覆うように（コンタクト電極２２の上面の一部と直接接触する）ｐ側パッド電極２３が形成される。

続いて、基板（半導体ウェハ）を分割し易くするために、ｎ型ＧａＮ基板１０の裏面を研削または研磨することにより、ｎ型ＧａＮ基板１０を約８０μｍ〜約１５０μｍ（たとえば約１００μｍ）の厚みまで薄くする。そして、研削または研磨した面にドライエッチングなどを施して表面を調整する。

次に、ｎ型ＧａＮ基板１０の裏面上に、真空蒸着法などを用いて、多層構造からなるｎ側電極２４を形成する。

最後に、劈開により基板（半導体ウェハ）を分割することによって、個々のチップ（窒化物半導体レーザ素子）に個片化する。このようにして、本発明の第１実施形態による窒化物半導体レーザ素子１００が製造される。

第１実施形態では、上記のように、ｐ型ＡｌＧａＮ層１７より活性層１４側に配されたアンドープＡｌＧａＮ層１６の厚みを２ｎｍ以下（２ｎｍ）に構成することによって、ビルトイン電圧の増加を抑制することができる。これにより、動作電圧の上昇を抑制することができる。これは、ｐ型不純物（Ｍｇ）が含まれていないアンドープＡｌＧａＮ層１６の厚みが２ｎｍ以下と薄いことで、ｐｎ接合がキャリアバリア層３０中に無く、アンドープＡｌＧａＮ層１６（キャリアバリア層３０）より活性層１４側に形成されるためである。

すなわち、Ｉｎの蒸発を防止するために、活性層１４は比較的低温（約８００℃）で形成されるため、活性層１４は、低濃度のｎ型の性質を示すと考えられる。このため、図３に示すように、ｐｎ接合は、ｎ型の性質を示す活性層１４とｐ型ＡｌＧａＮ層１７との間に位置していると考えられる。また、アンドープＡｌＧａＮ層１６は、最初は低温（約８００℃）から成長が開始するため、アンドープの層（アンドープＡｌＧａＮ層１６（ｐ側光ガイド層１５も含む））も、低濃度のｎ型の性質を示すと考えられる。ここで、アンドープＡｌＧａＮ層１６の厚みが大きい場合には、ｐｎ接合は、キャリアバリア層３０中に位置する一方、アンドープＡｌＧａＮ層１６の厚みが小さくなると、上述のように、ｐｎ接合が、アンドープＡｌＧａＮ層１６（キャリアバリア層３０）より活性層１４側（たとえば、ｐ側光ガイド層１５）に位置すると考えられる。これにより、ビルトイン電圧への影響が小さくなると考えられる。したがって、上記のように、動作電圧の上昇を抑制することが可能となる。

また、第１実施形態では、ｐ型ＡｌＧａＮ層１７の活性層１４側にアンドープＡｌＧａＮ層１６を形成することによって、ｐ型ＡｌＧａＮ層１７などから拡散したｐ型不純物（Ｍｇ）をアンドープＡｌＧａＮ層１６で吸収することができるので、ｐ型不純物（Ｍｇ）が活性層１４へ拡散するのを抑制することができる。これにより、活性層１４にｐ型不純物（Ｍｇ）が拡散することに起因する発振閾値電流の上昇、および、発光効率の低下を抑制することができる。また、ｐ型不純物（Ｍｇ）が活性層１４に拡散するのを抑制することによって、ｐ型不純物（Ｍｇ）が活性層１４に拡散することに起因して、活性層１４に欠陥が増殖するという不都合が生じるのを抑制することができる。これにより、素子寿命の低下を抑制することができる。したがって、このように構成することにより、素子特性を向上させることができる。また、素子の信頼性を向上させることもできる。

なお、上記した第１実施形態の構成において、アンドープＡｌＧａＮ層１６の厚みが１ｎｍ以下に構成されていればより好ましい。このように構成すれば、ビルトイン電圧の増加を十分に抑制することができるので、動作電圧の上昇を十分に抑制することができる。また、アンドープＡｌＧａＮ層１６の厚みは、０．３ｎｍ以上であるのが好ましく、０．６ｎｍ以上であればより好ましい。このように構成すれば、活性層１４へのｐ型不純物（Ｍｇ）の拡散を容易に抑制することができる。

また、第１実施形態では、上記のように、活性層１４とアンドープＡｌＧａＮ層１６との間に、アンドープＧａＮからなるｐ側光ガイド層１５を形成することによって、ｐ型不純物であるＭｇがドープされていないｐ側光ガイド層１５が、活性層１４の近傍に配されることになるので、活性層１４とアンドープＡｌＧａＮ層１６との間に、Ｍｇがドープされたｐ型半導体層が形成される場合と異なり、Ｍｇによる光吸収を抑制することができる。このため、これによっても、発振閾値電流の上昇、および、発光効率の低下を抑制することができる。

また、第１実施形態では、キャリアバリア層３０（アンドープＡｌＧａＮ層１６およびｐ型ＡｌＧａＮ層１７）のＡｌ組成比を、１５％以上５０％以下である３０％に構成することによって、Ｍｇの活性層１４への拡散を容易に抑制することができる。これは、ＡｌＮの結合エネルギーとＧａＮの結合エネルギーとの差によるもので、ＡｌＮの結合エネルギーの方が、ＧａＮの結合エネルギーより高いためである。加えて、キャリアバリア層３０のＡｌ組成比を高くすることにより、Ａｌは、ＭｇやＢｅなどのｐ型不純物と反応し易いために、Ｍｇの活性層への拡散が抑制される。

また、第１実施形態では、活性層１４（井戸層１４ａ）に含まれるＩｎの蒸発を抑制するために、アンドープＡｌＧａＮ層１６およびｐ型ＡｌＧａＮ層１７を比較的低温で形成した場合でも、アンドープＡｌＧａＮ層１６およびｐ型ＡｌＧａＮ層１７のＡｌ組成比を高くすることによって、結晶性が悪化するのを抑制することができる。このため、結晶性が良好なアンドープＡｌＧａＮ層１６およびｐ型ＡｌＧａＮ層１７を形成することができるので、キャリアバリア層３０（アンドープＡｌＧａＮ層１６およびｐ型ＡｌＧａＮ層１７）によって、Ｉｎの蒸発を抑制し、活性層１４を保護することができる。これにより、活性層１４の組成が設計値からずれたりするのを抑制することができる。また、結晶性の悪化に起因する量子井戸の界面における平坦性の悪化を抑制することができる。このため、量子井戸の界面における平坦性の悪化を抑制することによって、量子井戸の界面の平坦性が悪化することに起因して、量子効果が失われたりするという不都合が生じるのを抑制することができる。さらに、発振閾値電流が増加したり、発光効率が低下したりするという不都合が生じるのを抑制することもできる。

また、第１実施形態では、アンドープＡｌＧａＮ層１６およびｐ型ＡｌＧａＮ層１７のＡｌ組成比を、１５％以上５０％以下に構成することによって、キャリア（電子）に対して十分に高いエネルギー障壁を形成することができるので、アンドープＡｌＧａＮ層１６およびｐ型ＡｌＧａＮ層１７を、キャリア（電子）のオーバーフローを抑制するキャリアバリア（キャリアバリア層３０）として効果的に機能させることができる。これにより、Ｍｇの活性層１４への拡散を抑制しながら、温度特性を向上させることができる。その結果、窒化物半導体レーザ素子の高出力化、および、８０℃以上での高温度動作を実現することが可能となる。

また、第１実施形態では、キャリアバリア層３０の厚み（アンドープＡｌＧａＮ層１６とｐ型ＡｌＧａＮ層１７との合計厚み）を、５ｎｍ以上とすることによって、キャリアバリア層３０により、活性層１４を効果的に保護することができる。加えて、アンドープＡｌＧａＮ層１６およびｐ型ＡｌＧａＮ層１７を、キャリアバリアとしてより効果的に機能させることができる。なお、キャリアバリア層３０の厚み（アンドープＡｌＧａＮ層１６とｐ型ＡｌＧａＮ層１７との合計厚み）を、５ｎｍ以上とすることによって、キャリアバリア層３０の厚み（アンドープＡｌＧａＮ層１６とｐ型ＡｌＧａＮ層１７との合計厚み）が小さくなり過ぎることに起因して、トンネル効果によってキャリアバリアの効果が低減するという不都合が生じるのを抑制することができる。

また、第１実施形態では、キャリアバリア層３０のＡｌ組成比を１５％以上にするとともに、その厚みを５ｎｍ以上とすることによって、下地の平坦性が悪い場合でも、活性層１４を効果的に保護することができる。これは、Ａｌ組成比が高くなると、活性層を保護する効果が高くなるとともに、厚みが大きくなることでも、活性層を保護する効果が高くなるためである。

また、第１実施形態では、ｐ型ＡｌＧａＮ層１７のキャリア濃度を、１×１０¹⁵ｃｍ^-2以上に設定することによって、ｐ型ＡｌＧａＮ層１７を十分にｐ型化することができるので、アンドープＡｌＧａＮ層１６の厚みを２ｎｍ以下に構成した際に、容易に、ｐｎ接合をアンドープＡｌＧａＮ層１６（キャリアバリア層３０）より活性層１４側に形成することができる。すなわち、ｐ型ＡｌＧａＮ層１７のキャリア濃度を、１×１０¹⁵ｃｍ^-2以上とすることによって、ｐ型ＡｌＧａＮ層１７のキャリア濃度が１×１０¹⁵ｃｍ^-2より低濃度となることに起因して、ｐｎ接合が、活性層１４と反対方向側に形成され易くなるという不都合が生じるのを抑制することができる。このため、ｐ型ＡｌＧａＮ層１７の活性層１４側に接するアンドープＡｌＧａＮ層１６の厚みを２ｎｍ以下とすることにより、容易に、ｐｎ接合をアンドープＡｌＧａＮ層１６（キャリアバリア層３０）より活性層１４側に持ってくることができる。これにより、容易に、ビルトイン電圧の増加を抑制することができる。

なお、上述のように、ｐ型ＡｌＧａＮ層１７には、ｐ型化されたキャリアが存在することが重要である。拡散によってＭｇが存在してもｐ型キャリアにはなっていない。ｐ型キャリアにならなければ、ｐｎ接合をアンドープＡｌＧａＮ層１６（キャリアバリア層３０）より活性層１４側に持ってくることが困難となる。

また、第１実施形態では、ｎ型ＧａＮ基板１０に、成長主面から厚み方向に掘り込まれた溝部１０ａを形成することによって、窒化物半導体各層の表面に窪み４０が形成されるので、この窪み４０によって、格子不整合などに起因して生じる歪みを緩和することができる。このため、クラックの発生を効果的に抑制することができる。これにより、キャリアバリア層３０（アンドープＡｌＧａＮ層１６およびｐ型ＡｌＧａＮ層１７）のＡｌ組成比を容易に高くすることができるとともに、キャリアバリア層３０の厚み（アンドープＡｌＧａＮ層１６とｐ型ＡｌＧａＮ層１７との合計厚み）を容易に大きくすることができる。その結果、容易に、動作電圧の上昇を抑制しながら、素子特性を向上させることができる。また、クラックの発生を抑制することによって、クラックの発生に起因するキャリアバリア効果の低減を抑制することができる。さらに、活性層１４に歪みが加わるのを抑制することができるので、活性層１４に欠陥が増殖するのを効果的に抑制することができる。これにより、容易に、信頼性を向上させることができる。

また、上記第１実施形態において、キャリアバリア層３０の厚み（ｎｍ）とキャリアバリア層３０のＡｌ組成比（％）との積が１５００％・ｎｍ以下となるように構成することによって、クラックの発生を抑制することができる。これにより、クラックの発生に起因するキャリアバリア効果の低減を抑制することができる。また、このように構成すれば、活性層１４に歪みが加わるのを抑制することができるので、活性層１４に欠陥が増殖するのを効果的に抑制することができる。これにより、容易に、信頼性を向上させることができる。

次に、上記実施形態による窒化物半導体レーザ素子の効果を確認するために行った実験について説明する。

この実験では、素子特性に及ぼすアンドープＡｌＧａＮ層の層厚の影響を調べるために、アンドープＡｌＧａＮ層の層厚を種々変えた窒化物半導体レーザ素子を作製し、光出力１５０ｍＷ時の動作電圧の測定を行った。なお、測定に供した窒化物半導体レーザ素子は、アンドープＡｌＧａＮ層の層厚を除き、いずれの素子も上記第１実施形態と同様の構成とした。

その結果を、図１０に示す。図１０は、アンドープＡｌＧａＮ層の層厚と動作電圧との関係を示した相関図である。なお、図１０において、縦軸は、光出力１５０ｍＷ時の動作電圧（Ｖ）を示しており、横軸は、アンドープＡｌＧａＮ層の厚み（ｎｍ）を示している。

図１０より、アンドープＡｌＧａＮ層の層厚が大きくなるに従い動作電圧の上昇が大きくなる傾向が見られる。一方、アンドープＡｌＧａＮ層の層厚が２ｎｍ以下では、動作電圧の上昇は０．１Ｖと非常に小さい結果となった。また、アンドープＡｌＧａＮ層の層厚が１ｎｍ以下では、動作電圧の上昇は全く見られなかった。これより、ｐ型不純物（Ｍｇ）の活性層への拡散を抑制するために、アンドープＡｌＧａＮ層を形成した場合でも、アンドープＡｌＧａＮ層の層厚を２ｎｍ以下とすることによって、動作電圧の上昇が抑制され、素子特性にほとんど影響を及ぼさないことが確認された。また、アンドープＡｌＧａＮ層の層厚を１ｎｍ以下とすれば、動作電圧の上昇が十分に抑制され、素子特性には全く影響を及ぼさないことが確認された。

次に、温度特性に及ぼすキャリアバリア層のＡｌ組成比の影響を調べるために、キャリアバリア層のＡｌ組成比を種々変えた窒化物半導体レーザ素子を作製し、温度特性の測定を行った。なお、測定に供した窒化物半導体レーザ素子は、いずれも、上記第１実施形態と同様、キャリアバリア層の層厚を２０ｎｍとした。また、その他の構成も、上記第１実施形態と同様とした。

また、温度特性の測定は、２５℃における閾値電流（Ｉ_th1）と、８０℃における閾値電流（Ｉ_th2）とを測定し、以下の（１）式より、温度特性Ｔ₀（Ｋ）を求めた。
温度特性 Ｔ₀＝（Ｔ₂−Ｔ₁）／ｌｎ（Ｉ_th2／_Ith1）・・・・・（１）
Ｔ₁（Ｋ）：測定温度 ２９８Ｋ（２５℃）
Ｔ₂（Ｋ）：測定温度 ３５３Ｋ（８０℃）
Ｉ_th1 ：２５℃での閾値電流
Ｉ_th2 ：８０℃での閾値電流

また、基準となる温度特性レベルを、温度特性が十分に高いといえるレベルである１００（Ｋ）以上に設定した。具体的には、温度特性の基準レベルを１５０（Ｋ）に設定した。

その結果を、図１１に示す。図１１は、キャリアバリア層のＡｌ組成比（％）と温度特性との関係を示した相関図である。なお、図１１において、縦軸は、温度特性Ｔ₀（２５−８０℃ Ｋ）を示しており、横軸は、キャリアバリア層のＡｌ組成比（％）を示している。

図１１より、キャリアバリア層のＡｌ組成比が大きくなるに従い温度特性Ｔ₀が大きくなる傾向が見られ、キャリアバリア層のＡｌ組成比が１５％以上で、温度特性Ｔ₀が、基準レベルである１５０（Ｋ）以上となる結果が得られた。これより、キャリアバリア層のＡｌ組成比を１５％以上とすることで、十分に高い温度特性が得られることが確認された。

続いて、温度特性に及ぼすキャリアバリア層の層厚の影響を調べるために、キャリアバリア層の層厚を種々変えた窒化物半導体レーザ素子を作製し、温度特性の測定を行った。なお、キャリアバリア層のＡｌ組成比は、１５％および３０％の２種類とした。また、温度特性の測定は、上記と同様に行った。

その結果を、図１２に示す。図１２は、キャリアバリア層の層厚と温度特性との関係を示した相関図である。なお、図１２において、縦軸は、温度特性Ｔ₀（２５−８０℃ Ｋ）を示しており、横軸は、キャリアバリア層の層厚（ｎｍ）を示している。

図１２より、Ａｌ組成比１５％および３０％のいずれにおいても、キャリアバリア層の層厚が５ｎｍ以上で、温度特性Ｔ₀が、基準レベルである１５０（Ｋ）以上となる結果が得られた。これより、キャリアバリア層の層厚を５ｎｍ以上とすることで、十分に高い温度特性が得られることが確認された。

（第２実施形態）
図１３は、本発明の第２実施形態による窒化物半導体レーザ素子の構造を示した断面図である。図１４は、本発明の第２実施形態による窒化物半導体レーザ素子のバンド構造を示した図である。なお、図１４は、ｎ型クラッド層からｐ型クラッド層までの伝導帯のバンド構造を示している。次に、図１３および図１４を参照して、本発明の第２実施形態による窒化物半導体レーザ素子２００の構造について説明する。

この第２実施形態による窒化物半導体レーザ素子２００では、図１３および図１４に示すように、上記第１実施形態の構成において、アンドープＡｌＧａＮ層２１６（１６）が、１ｎｍの厚みに形成されており、ｐ型ＡｌＧａＮ層２１７（１７）が、１９ｎｍの厚みに形成されている。そのため、アンドープＡｌＧａＮ層２１６（１６）とｐ型ＡｌＧａＮ層２１７（１７）との合計厚み（キャリアバリア層３０の厚み）は、上記第１実施形態と同様、２０ｎｍとなっている。また、アンドープＡｌＧａＮ層２１６（１６）およびｐ型ＡｌＧａＮ層２１７（１７）のＡｌ組成比（キャリアバリア層３０のＡｌ組成比）は、上記第１実施形態と同様、３０％に構成されている。

また、第２実施形態では、ｐ側光ガイド層２１５（１５）がアンドープＩｎＧａＮから構成されており、その厚みが上記第１実施形態に比べて小さくなっている。光ガイド層の厚みが小さくなると、光閉じ込めの効果が低減するため、第２実施形態では、光閉じ込めを有効に行うために、キャリアバリア層３０上に、さらに、光ガイド層２１８が形成されている。

具体的には、第２実施形態では、活性層１４とキャリアバリア層３０との間に、約０．０１μｍ〜約０．１μｍ（たとえば約０．０５μｍ）の厚みを有するアンドープＩｎＧａＮからなるｐ側光ガイド層２１５（１５）が形成されている。また、キャリアバリア層３０の活性層１４とは反対側（キャリアバリア層３０とｐ型クラッド層１８との間）に、約０．０１μｍ〜約０．２μｍ（たとえば約０．１μｍ）の厚みを有するｐ型ＧａＮからなる光ガイド層２１８が形成されている。

また、アンドープＩｎＧａＮからなるｐ側光ガイド層２１５（１５）は、活性層１４の最終バリア層として機能する。この場合、上記キャリアバリア層３０は、ｐ側光ガイド層２１５（１５）のＩｎの蒸発を防ぐ蒸発防止層としても作用する。

また、第２実施形態では、ｐ側光ガイド層２１５（１５）の厚みを小さく形成することによって、第１実施形態に比べて、ｐｎ接合がより活性層１４側（または、活性層１４中）に形成されると考えられる。

なお、第２実施形態のその他の構成は、上記第１実施形態と同様である。また、キャリアバリア層３０（アンドープＡｌＧａＮ層２１６（１６）とｐ型ＡｌＧａＮ層２１７（１７））の好ましい構成も、上記第１実施形態と同様である。

図１５は、本発明の第２実施形態による窒化物半導体レーザ素子の製造方法を説明するための断面図である。次に、図１５を参照して、本発明の第２実施形態による窒化物半導体レーザ素子２００の製造方法について説明する。

まず、上記第１実施形態と同様のｎ型ＧａＮ基板１０（溝部１０ａが形成されたｎ型ＧａＮ基板１０）を用いて、その成長主面上に、窒化物半導体各層を成長させる。

具体的には、図１５に示すように、ＭＯＣＶＤ法を用いて、ｎ型ＧａＮ基板１０の成長主面（ｃ面（０００１））上に、約０．１μｍ〜約１０μｍ（たとえば約４μｍ）の厚みを有するｎ型ＧａＮからなるｎ型バッファ層１１、約０．５μｍ〜約３．０μｍ（たとえば約２μｍ）の厚みを有するｎ型Ａｌ_0.05Ｇａ_0.95Ｎからなるｎ型クラッド層１２、約０．０１μｍ〜約０．２μｍ（たとえば約０．１μｍ）の厚みを有するｎ型ＧａＮからなるｎ側光ガイド層１３、活性層１４、約０．０１μｍ〜約０．１μｍ（たとえば約０．０５μｍ）の厚みを有するアンドープＩｎＧａＮからなるｐ側光ガイド層２１５（１５）、１ｎｍの厚みを有するアンドープＡｌ_0.3Ｇａ_0.7ＮからなるアンドープＡｌＧａＮ層２１６（１６）、１９ｎｍの厚みを有するｐ型Ａｌ_0.3Ｇａ_0.7Ｎからなるｐ型ＡｌＧａＮ層２１７（１７）、約０．０１μｍ〜約０．２μｍ（たとえば約０．１μｍ）の厚みを有するｐ型ＧａＮからなる光ガイド層２１８、約０．１μｍ〜約１．０μｍ（たとえば約０．５μｍ）の厚みを有するｐ型Ａｌ_0.05Ｇａ_0.95Ｎからなるｐ型クラッド層１８、約０．０１μｍ〜約１．０μｍ（たとえば約０．０５μｍ）の厚みを有するｐ型ＧａＮからなるコンタクト層１９を順次成長させる。

このとき、ｎ型半導体層（ｎ型バッファ層１１、ｎ型クラッド層１２およびｎ側光ガイド層１３）は、約１２００℃の成長温度で成長させる。活性層１４およびｐ側光ガイド層２１５（１５）は、約８００℃の成長温度で成長させる。アンドープＡｌＧａＮ層２１６（１６）は、約８００℃から約９００℃まで成長温度を上げながら成長させる。ｐ型ＡｌＧａＮ層２１７（１７）は、約９００℃から約１２００℃まで成長温度を上げながら成長させる。すなわち、キャリアバリア層３０（アンドープＡｌＧａＮ層２１６（１６）およびｐ型ＡｌＧａＮ層２１７（１７））を成長させる際には、その成長温度を、約８００℃から約１２００℃まで徐々に（たとえば、１００℃／５分）昇温しながら成長させる。また、光ガイド層２１８、ｐ型クラッド層１８およびコンタクト層１９は、それぞれ、約１２００℃の成長温度で成長させる。

また、第２実施形態では、上記第１実施形態と同様、ｐ型ＡｌＧａＮ層２１７（１７）のｐ型キャリア濃度が１×１０¹⁵ｃｍ^-2以上となるように設定する。このため、ｐ型ＡｌＧａＮ層２１７（１７）には、１×１０¹⁹ｃｍ^-3以上のドーピング濃度で、ｐ型不純物であるＭｇをドープする。

その後、上記第１実施形態と同様の工程を経て、本発明の第２実施形態による窒化物半導体レーザ素子２００が製造される。

第２実施形態では、上記のように、アンドープＡｌＧａＮ層２１６（１６）の厚みを１ｎｍ以下（１ｎｍ）に構成することによって、ビルトイン電圧の増加を十分に抑制することができるので、動作電圧の上昇を十分に抑制することができる。

第２実施形態のその他の効果は、上記第１実施形態と同様である。

なお、今回開示された実施形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施形態の説明ではなく特許請求の範囲によって示され、さらに特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれる。

たとえば、上記第１および第２実施形態では、半導体発光素子の一例である窒化物半導体レーザ素子に本発明を適用した例を示したが、本発明はこれに限らず、窒化物半導体レーザ素子以外の半導体発光素子（たとえば、発光ダイオード素子）に本発明を適用してもよい。

また、上記第１および第２実施形態では、クラックの発生を抑制するために、基板に溝部を形成した例を示したが、本発明はこれに限らず、基板に溝部を形成しない構成にしてもよい。この場合、アンドープＡｌＧａＮ層（Ａｌ組成比１５％、層厚１ｎｍ）、ｐ型ＡｌＧａＮ層（Ａｌ組成比１５％〜１７％、層厚９ｎｍ）のように、Ａｌ組成比を下げたり、層厚を小さくしたりするのが好ましい。このように構成することにより、格子歪みなどに起因するクラックの発生が抑制されるので、素子寿命を向上させることが可能となる。

また、上記第１および第２実施形態において、窒化物半導体レーザ素子に溝部を含まないように、ウェハを分割してもよい。なお、本発明における「基板に溝部が形成されている」とは、分割前のウェハ（基板）に溝部が形成されていればよい。

また、上記第１および第２実施形態では、アンドープＡｌＧａＮ層とｐ型ＡｌＧａＮ層とを同じＡｌ組成比に構成した例を示したが、本発明はこれに限らず、アンドープＡｌＧａＮ層とｐ型ＡｌＧａＮ層とは、異なるＡｌ組成比となるように構成されていてもよい。この場合、ｐ型ＡｌＧａＮ層のＡｌ組成比の方が高いとキャリアバリアとしては効果的である。一方、アンドープＡｌＧａＮ層のＡｌ組成比の方が高いと活性層の保護に効果的である。

また、上記第１および第２実施形態では、成長温度を徐々に昇温しながら、アンドープＡｌＧａＮ層およびｐ型ＡｌＧａＮ層を成長させた例を示したが、本発明はこれに限らず、それぞれの層で成長温度を固定して、各半導体層を成長させてもよい。

また、上記第１および第２実施形態では、基板にｎ型ＧａＮ基板を用いた例を示したが、本発明はこれに限らず、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ、または、ＡｌＧａＩｎＮなどからなる基板や、サファイア基板などの絶縁性基板を用いてもよい。なお、基板上に結晶成長される窒化物半導体層の各層については、その厚みや組成等は、所望の特性に合うものに適宜組み合わせたり、変更したりすることが可能である。たとえば、半導体層を追加または削除したり、半導体層の順序を一部入れ替えたりしてもよい。また、導電型を一部の半導体層について変更してもよい。すなわち、窒化物半導体レーザ素子としての基本特性が得られる限り自由に変更可能である。

また、上記第１および第２実施形態では、ｃ面を成長主面とするｎ型ＧａＮ基板を用いた例を示したが、本発明はこれに限らず、ｍ面やａ面などの無極性面、または、半極性面を成長主面とする基板を用いてもよい。

また、上記第１および第２実施形態において、アンドープＡｌＧａＮ層のＡｌ組成比は、Ａｌ_xＧａ_1-xＮ（０＜ｘ≦１）の範囲内において、適宜変更することができる。また、ｐ型ＡｌＧａＮ層のＡｌ組成比も、Ａｌ_yＧａ_1-yＮ（０＜ｙ≦１）の範囲内において、適宜変更することができる。

また、上記第１および第２実施形態において、ｎ型クラッド層、ｐ型クラッド層およびコンタクト層は、それぞれ、Ａｌ_xＧａ_1-xＮ層（０≦ｘ≦１）から構成することができる。また、活性層および光ガイド層は、Ａｌ_xＧａ_yＩｎ_1-x-yＮ層（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）を含んで構成することができる。

また、上記第１および第２実施形態では、絶縁層をＳｉＯ₂から構成した例を示したが、本発明はこれに限らず、ＳｉＯ₂以外の絶縁性材料から構成してもよい。たとえば、ＳｉＮ、Ａｌ₂Ｏ₃やＺｒＯ₂などから絶縁層を構成してもよい。

また、上記第１および第２実施形態では、ＭＯＣＶＤ法を用いて、窒化物半導体各層を結晶成長させた例を示したが、本発明はこれに限らず、ＭＯＣＶＤ法以外のエピタキシャル成長法を用いて、窒化物半導体各層を結晶成長させてもよい。ＭＯＣＶＤ法以外の方法としては、たとえば、ＨＶＰＥ法（Ｈｙｄｒｉｄｅ Ｖａｐｏｒ Ｐｈａｓｅ Ｅｐｉｔａｘｙ）、および、ＭＢＥ法（Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｂｅａｍ Ｅｐｉｔａｘｙ）などが挙げられる。

また、上記第１および第２実施形態では、ｎ側光ガイド層をｎ型に構成した例を示したが、本発明はこれに限らず、ｎ側光ガイド層をアンドープとすることもできる。

また、上記第１実施形態では、ｐ側光ガイド層としてアンドープＧａＮガイド層を形成した例を示したが、本発明はこれに限らず、ｐ側光ガイド層は、ＩｎＧａＮガイド層、ＩｎＧａＮ／ＧａＮガイド層、または、ＩｎＧａＮ／ＧａＮ／ＡｌＧａＮガイド層とすることもできる。このように構成した場合でも、上記第１実施形態と同様の効果を得ることができる。

また、上記第２実施形態では、ｐ側光ガイド層としてアンドープＩｎＧａＮガイド層を形成した例を示したが、本発明はこれに限らず、ｐ側光ガイド層は、ＧａＮガイド層、ＩｎＧａＮ／ＧａＮガイド層、および、ＩｎＧａＮ／ＧａＮ／ＡｌＧａＮガイド層とすることもできる。このように構成した場合でも、上記第１実施形態と同様の効果を得ることができる。また、ｎ型光ガイド層も上記と同様に構成することができる。

また、上記第２実施形態では、キャリアバリア層とｐ型クラッド層との間に、ｐ型ＧａＮからなる光ガイド層を形成した例を示したが、本発明はこれに限らず、キャリアバリア層とｐ型クラッド層との間に形成される光ガイド層を、ｐ型ＡｌＧａＮから構成してもよい。また、ｎ型光ガイド層も上記と同様に構成することができる。

１０ ｎ型ＧａＮ基板（基板）
１０ａ 溝部
１１ ｎ型バッファ層
１２ ｎ型クラッド層
１３ ｎ側光ガイド層
１４ 活性層
１５、２１５ ｐ側光ガイド層（アンドープ層）
１６、２１６ アンドープＡｌＧａＮ層
１７、２１７ ｐ型ＡｌＧａＮ層
１８ ｐ型クラッド層
１９ コンタクト層
２０ リッジ部
２１ 絶縁層
２２ コンタクト電極
２３ ｐ側パッド電極
２４ ｎ側電極
３０ キャリアバリア層
１００、２００ 窒化物半導体レーザ素子
２１８ 光ガイド層

Claims (10)

1. Ｉｎを含む活性層と、
   前記活性層上に形成されたｐ型クラッド層と、
   前記活性層と前記ｐ型クラッド層との間にそれぞれ形成された、アンドープＡｌＧａＮ層およびｐ型ＡｌＧａＮ層とを備え、
   前記アンドープＡｌＧａＮ層は、前記ｐ型ＡｌＧａＮ層より前記活性層側に配されているとともに、２ｎｍ以下の厚みに形成されていることを特徴とする、半導体発光素子。
2. 前記活性層と前記アンドープＡｌＧａＮ層との間には、ＩｎＧａＮ層、ＧａＮ層およびＡｌＧａＮ層の少なくとも１つを含むアンドープ層がさらに形成されていることを特徴とする、請求項１に記載の半導体発光素子。
3. 前記ｐ型ＡｌＧａＮ層には、ｐ型不純物として、Ｍｇがドープされていることを特徴とする、請求項１または２に記載の半導体発光素子。
4. 前記アンドープＡｌＧａＮ層のＡｌ組成比、および、前記ｐ型ＡｌＧａＮ層のＡｌ組成比は、それぞれ、０．１５以上０．５以下であることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の半導体発光素子。
5. 前記ｐ型ＡｌＧａＮ層は、前記アンドープＡｌＧａＮ層上に接するように形成されており、
   前記アンドープＡｌＧａＮ層と前記ｐ型ＡｌＧａＮ層との合計厚みは、５ｎｍ以上であることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載の半導体発光素子。
6. 前記ｐ型ＡｌＧａＮ層は、前記アンドープＡｌＧａＮ層上に接するように形成されているとともに、アンドープＡｌＧａＮ層およびｐ型ＡｌＧａＮ層は、実質的に同一のＡｌ組成比を有しており、そのＡｌ組成比を百分率で表した際に、アンドープＡｌＧａＮ層および前記ｐ型ＡｌＧａＮ層の合計厚みと、Ａｌ組成比（％）との積が１５００％・ｎｍ以下であることを特徴とする、請求項５に記載の半導体発光素子。
7. 前記ｐ型ＡｌＧａＮ層のキャリア濃度が、１×１０¹⁵ｃｍ^-2以上であることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか１項に記載の半導体発光素子。
8. 成長主面を有し、前記成長主面上に、少なくとも、前記活性層、前記アンドープＡｌＧａＮ層、前記ｐ型ＡｌＧａＮ層、および前記ｐ型クラッド層が形成される基板をさらに備え、
   前記基板の成長主面には、厚み方向に掘り込まれた溝部が形成されていることを特徴とする、請求項１〜７のいずれか１項に記載の半導体発光素子。
9. 成長主面を有し、前記成長主面上に、少なくとも、前記活性層、前記アンドープＡｌＧａＮ層、前記ｐ型ＡｌＧａＮ層、および前記ｐ型クラッド層が形成される基板をさらに備え、
   前記基板は、ｎ型ＧａＮ基板であり、
   前記活性層は、Ａｌ_xＧａ_yＩｎ_1-x-yＮ（０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１）層を含むことを特徴とする、請求項１〜８のいずれか１項に記載の半導体発光素子。
10. 成長主面を有し、前記成長主面上に、少なくとも、前記活性層、前記アンドープＡｌＧａＮ層、前記ｐ型ＡｌＧａＮ層、および前記ｐ型クラッド層が形成される基板をさらに備え、
    前記基板と前記活性層との間には、ｎ型クラッド層がさらに形成されているとともに、前記ｐ型クラッド層上には、コンタクト層がさらに形成されていることを特徴とする、請求項１〜９のいずれか１項に記載の半導体発光素子。

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