JP2012074740A - 半導体発光素子 - Google Patents

Abstract

【課題】特性を向上することのできる半導体発光素子を提供する。
【解決手段】半導体レーザ３０は、基板１と、基板１の上面１ａ上に形成されたＡｌＧａＮ層２と、ＡｌＧａＮ層２上に形成されたＩｎＧａＮよりなる量子井戸発光層４とを備えている。ＡｌＧａＮ層２は第１ＡｌＧａＮ層２ａと、第１ＡｌＧａＮ層２ａ上に形成された第２ＡｌＧａＮ層２ｂとを有しており、第１ＡｌＧａＮ層２ａのＡｌ濃度は第２ＡｌＧａＮ層２ｂのＡｌ濃度よりも高い。
【選択図】図１

Description

本発明は半導体発光素子に関し、より特定的には、ＩｎＧａＮよりなる量子井戸発光層を備えた半導体発光素子に関する。

ＩｎＧａＮよりなる窒化物半導体は、紫外領域から赤外領域までの波長領域の光を発する発光素子の材料としてよく知られている。たとえば特開２００３−２２９６３８号公報（特許文献１）には、ＩｎＧａＮを用いた発光素子の構成が開示されている。具体的には、ｎ型ＧａＮ基板上に、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層、ｎ型ＧａＮ第１光ガイド層、ＩｎＧａＮ活性層、ｐ型ＩｎＧａＮ第２光ガイド層、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層、およびｐ型ＧａＮコンタクト層を順次積層した積層構造が開示されている。ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層およびｐ型ＡｌＧａＮクラッド層は、レーザ発振のための光閉じ込め層として機能する。

また、特許文献１と同様にＩｎＧａＮよりなる窒化物半導体を発光層として用いた発光素子は、たとえば特開２００２−１９０６３５号公報（特許文献２）、特開平１１−１９１６５８号公報（特許文献３）、特開２００５−３９２２３号公報（特許文献４）、および特開２０００−２２３７４３号公報（特許文献５）にも開示されている。特に特許文献２、４および５には、ＧａＮなどの窒化物半導体基板とＩｎＧａＮ発光層との間にＡｌＧａＮ層が形成された構成が開示されている。特許文献４には、ＧａＮ基板と、ＧａＮ基板上に形成されたＧａＮホモエピタキシャル層との間にＡｌＧａＮ中間層を形成した構成が開示されている。また特許文献５には、Ｃ面に対して傾斜した上面を有するＧａＮ基板上に発光層を形成した構成が開示されている。なお、特許文献３には、サファイア基板とＩｎＧａＮ発光層との間にＡｌＧａＮ層が形成された構成が開示されている。

窒化物半導体基板の中でも特にＧａＮ基板を用いた場合には、ＧａＮ基板は高い転位密度を有する領域を含んでおり、またその表面が汚染されていることが多い。このため、ＧａＮ基板上に結晶性の高いエピタキシャル層を形成することは難しく、ＧａＮ基板上においてエピタキシャル層が成長しない領域が生じることもある。このような問題を解決するために、特許文献４では、ＧａＮ基板との濡れ性のよいＡｌＧａＮ層をＧａＮ基板上に形成し、その上にＧａＮホモエピタキシャル層を形成することによって、ＧａＮ基板表面の平坦性を確保している。またＡｌＧａＮは窒化物半導体基板との濡れ性が良いので、ＡｌＧａＮ層を形成することによってＡｌＧａＮ層上に形成されるエピタキシャル層の成長面を平坦にすることができる。

特開２００３−２２９６３８号公報 特開２００２−１９０６３５号公報 特開平１１−１９１６５８号公報 特開２００５−３９２２３号公報 特開２０００−２２３７４３号公報

ＡｌＧａＮ層に含まれるＡｌは、横方向に移動せずに（下層を選ばずに）成長する性質を有している。ＡｌＧａＮ層と窒化物半導体基板との濡れ性がよいのはこのＡｌの性質に起因している。そこで、ＡｌＧａＮ層のＡｌ濃度を高めることによって、ＡｌＧａＮ層上に形成されるエピタキシャル層の成長面が一層平坦になり、発光ダイオードや半導体レーザなどの半導体発光素子の特性（半導体レーザのしきい値や駆動電圧など）を向上できるとも考えられる。

しかしながら、ＡｌＧａＮ層のＡｌ濃度が高いと、ＩｎＧａＮ発光層との格子定数の差が大きくなり、ＩｎＧａＮ発光層の結晶性が低下する。加えて、ＡｌＧａＮ層にクラックが生じやすくなり、ＡｌＧａＮ層を厚く形成することができなくなる。ＡｌＧａＮ層が薄いとＩｎＧａＮ発光層の結晶性の低下を招く。また、半導体レーザにおいてはＡｌＧａＮ層が薄いと、発光光の基板側への漏れが大きくなるため半導体レーザの特性が悪化する。特に窒化物半導体基板はサファイア基板に比べて屈折率が高いので、発光光が漏れやすい。これらの理由により、ＡｌＧａＮ層のＡｌ含有量を高めても半導体発光素子の特性を向上することには限界があった。

したがって、本発明の目的は、特性を向上することのできる半導体発光素子を提供することである。

本発明の一の半導体発光素子は、窒化物半導体基板と、窒化物半導体基板の一方の主面上に形成されたＡｌ_sＧａ_1-sＮ（０＜ｓ≦１）層と、Ａｌ_sＧａ_1-sＮ層上に形成されたＩｎＧａＮよりなる量子井戸発光層とを備えている。Ａｌ_sＧａ_1-sＮ層は第１ＡｌＧａＮ層と、第１ＡｌＧａＮ層上に形成された第２ＡｌＧａＮ層とを有している。第１ＡｌＧａＮ層のＡｌ濃度は第２ＡｌＧａＮ層のＡｌ濃度よりも高い。

本発明の一の半導体発光素子によれば、第１ＡｌＧａＮ層のＡｌ濃度はその上に位置する第２ＡｌＧａＮ層のＡｌ濃度よりも高いので、窒化物半導体基板の一方の主面にＡｌ_sＧａ_1-sＮ層が正常に成長しやすくなり、窒化物半導体基板上のエピタキシャル層の表面平坦性を改善することができる。同時に、第２ＡｌＧａＮ層のＡｌ濃度はその下に位置する第１ＡｌＧａＮ層のＡｌ濃度よりも低いので、量子井戸発光層との格子定数の差が小さくなり、量子井戸発光層の結晶性を向上することができる。加えて、第２ＡｌＧａＮ層のＡｌ濃度はその下に位置する第１ＡｌＧａＮ層のＡｌ濃度よりも低いので、第２ＡｌＧａＮ層にクラックが生じにくくなり、第２ＡｌＧａＮ層を厚く形成することができる。これにより、半導体発光素子が半導体レーザである場合に、半導体レーザの発光光の窒化物半導体基板側への漏れを防ぎ、半導体レーザの発光特性を向上することができる。また、量子井戸発光層の結晶性の低下を防ぐことができるため、半導体発光素子の特性を向上することができる。

本発明の一の半導体発光素子において好ましくは、第１ＡｌＧａＮ層が窒化物半導体基板の一方の主面に接して形成される。

これにより、窒化物半導体基板の一方の主面の全域にわたって第１ＡｌＧａＮ層が正常に成長しやすくなり、特性をさらに向上することができる。

本発明の一の半導体発光素子において好ましくは、第２ＡｌＧａＮ層はＡｌ_tＧａ_1-tＮ（０＜ｔ≦０．０５）よりなっている。第２ＡｌＧａＮ層のＡｌ組成を５％以下とすることにより、特性を一層向上することができる。

本発明の一の半導体発光素子において好ましくは、第２ＡｌＧａＮ層の膜厚は第１ＡｌＧａＮ層の膜厚よりも厚い。

第２ＡｌＧａＮ層はＡｌ濃度が低いので、膜厚を厚くしてもクラックが生じにくい。したがって、第２ＡｌＧａＮ層の膜厚を厚くすることで結晶性を一層改善するとともに、基板側への光の漏れを防ぐことができる。

本発明の他の半導体発光素子は、窒化物半導体基板と、窒化物半導体基板の一方の主面上に形成されたＡｌ_sＧａ_1-sＮ（０＜ｓ≦１）層と、Ａｌ_sＧａ_1-sＮ層上に形成されたＩｎＧａＮよりなる量子井戸発光層とを備えている。Ａｌ_sＧａ_1-sＮ層のＡｌ濃度は、窒化物半導体基板側から量子井戸発光層側にかけて徐々に小さくなっている。これにより、Ａｌ_sＧａ_1-sＮ層の表面平坦性を向上しつつ、量子井戸発光層の結晶品質を向上することができる。

本発明の他の半導体発光素子において好ましくは、Ａｌ_sＧａ_1-sＮ層における窒化物半導体基板に最も近い部分はＡｌ_sＧａ_1-sＮ（０．０５≦ｓ≦１）よりなっている。窒化物半導体基板に最も近い部分のＡｌ組成を５％以上とすることにより、Ａｌ_sＧａ_1-sＮ層の表面平坦性が向上する。

本発明の他の半導体発光素子において好ましくは、Ａｌ_sＧａ_1-sＮ層における量子井戸発光層に最も近い部分はＡｌ_sＧａ_1-sＮ（０＜ｓ＜０．０５）よりなっている。量子井戸発光層に最も近い部分のＡｌ組成を５％未満とすることにより、量子井戸発光層の結晶品質が向上する。

本発明の一および他の半導体発光素子において好ましくは、窒化物半導体基板はＡｌ_uＧａ_1-uＮ（０≦ｕ≦１）よりなっている。

上記基板は熱的に安定であり、かつ製造が容易であるため、窒化物半導体基板として適している。

本発明の一および他の半導体発光素子において好ましくは、窒化物半導体基板は相対的に欠陥密度の低い低欠陥領域と、相対的に欠陥密度が高く、かつ窒化物半導体基板の一方の主面において点状または線状に分布する欠陥集中領域とを有している。

本発明の一および他の半導体発光素子において好ましくは、低欠陥領域の転位密度は１×１０⁷個／ｃｍ²未満である。

これにより、低欠陥領域を発光領域とすることができ、半導体発光素子の特性および信頼性をさらに向上することができる。

本発明の半導体発光素子によれば、半導体発光素子の特性を向上することができる。

本発明の実施の形態１における半導体レーザの構成を示す断面図である。 本発明の実施の形態１におけるＡｌＧａＮ層内のＡｌ組成分布を示す図である。 本発明の実施の形態１における半導体レーザの製造方法の第１工程を示す断面図である。 本発明の実施の形態１における半導体レーザの製造方法の第２工程を示す断面図である。 本発明の実施の形態１における半導体レーザの製造方法の第３工程を示す断面図である。 本発明の実施の形態２における半導体レーザの構成を示す断面図である。 本発明の実施の形態２におけるＡｌＧａＮ層内のＡｌ組成分布を示す図である。 本発明の実施の形態２におけるＡｌＧａＮ層内のＡｌ組成分布の変形例を示す図である。 本発明の実施の形態３における半導体レーザに使用される基板を模式的に示した図である。（ａ）は斜視図であり、（ｂ）は（ａ）のＩＸＢ−ＩＸＢ線に沿う断面図である。 本発明の実施の形態３における半導体レーザに使用される基板の他の例を模式的に示した図である。 本発明の実施例２における第２ＡｌＧａＮ層のＡｌ組成とＰＬ強度との関係を示す図である。

以下、本発明の実施の形態について図面に基づいて説明する。
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１における半導体レーザの構成を示す断面図である。図１を参照して、本実施の形態における半導体発光素子としての半導体レーザ３０は、窒化物半導体基板としての基板１と、ＡｌＧａＮ層２と、中間層３と、量子井戸発光層４と、ガイド層５と、ｐ型電子ブロック層６と、ｐ型クラッド層７と、ｐ型コンタクト層８と、絶縁層１０と、電極１１および１２とを備えている。

基板１は窒化物半導体よりなっており、たとえばＡｌ_uＧａ_1-uＮ（０≦ｕ≦１）よりなっている。より具体的には、基板１はＡｌＮまたはＧａＮよりなっている。基板１の上面１ａ上にはＡｌＧａＮ層２が上面１ａに接して形成されている。ＡｌＧａＮ層２上にはＩｎ_vＧａ_1-vＮ（０≦ｖ＜１）よりなる中間層３が形成されている。中間層３上には量子井戸発光層４が形成されている。量子井戸発光層４は図示しない複数の障壁層と井戸層とを有している。障壁層と井戸層とは積層方向（図１中縦方向）に交互に形成されている。井戸層はＩｎ_wＧａ_1-wＮ（０＜ｗ＜０．５）よりなっており、障壁層はＩｎ_xＧａ_1-xＮ（０≦ｘ＜ｗ）よりなっている。障壁層におけるエネルギ障壁によって、量子井戸発光層４に注入されたキャリアが井戸層に閉じ込められる。

図２は、本発明の実施の形態１におけるＡｌＧａＮ層内のＡｌ組成分布を示す図である。図１および図２を参照して、ＡｌＧａＮ層２は、Ａｌ_sＧａ_1-sＮ（０＜ｓ≦１）よりなっており、第１ＡｌＧａＮ層２ａと第２ＡｌＧａＮ層２ｂとを有している。第１ＡｌＧａＮ層２ａは基板１側に形成されており、第２ＡｌＧａＮ層２ｂは量子井戸発光層４側（第１ＡｌＧａＮ層２ａ上）に形成されている。第１ＡｌＧａＮ層２ａのＡｌ濃度は第２ＡｌＧａＮ層２ｂの濃度よりも高い。具体的には、第１ＡｌＧａＮ層２ａのＡｌ組成は１２％であり、第２ＡｌＧａＮ層２ｂのＡｌ組成は３％である。これにより、ＡｌＧａＮ層２における基板１に最も近い部分（基板１との境界面）のＡｌ濃度が量子井戸発光層４に最も近い部分（中間層３との境界面）のＡｌ濃度よりも高くなっている。

また、第２ＡｌＧａＮ層２ｂはＡｌ_tＧａ_1-tＮ（０＜ｔ≦０．０５）よりなっていることが好ましく、第２ＡｌＧａＮ層２ｂの膜厚は第１ＡｌＧａＮ層２ａの膜厚よりも厚いことが好ましい。

また、第１ＡｌＧａＮ層２ａの膜厚を５００ｎｍ以下、好ましくは２００ｎｍ以下とすることにより、第１ＡｌＧａＮ層２ａにクラックが入るのを抑止することができる。第１ＡｌＧａＮ層２ａの膜厚を５ｎｍ以上、好ましくは２０ｎｍ以上とすることにより、ＧａＮ基板上にＡｌＧａＮ層２を均一に形成することができる。

さらに、第２ＡｌＧａＮ層２ｂの膜厚を４００ｎｍ以上とすることにより、発光光の基板１側への漏れを効果的に防ぐことができ、第２ＡｌＧａＮ層２ｂの膜厚を１μｍ以上とすることにより、量子井戸発光層４の結晶性を向上することができる。第２ＡｌＧａＮ層２ｂの膜厚を４μｍ以下とすることにより、第２ＡｌＧａＮ層２ｂにクラックが入るのを抑止することができ、第２ＡｌＧａＮ層２ｂの膜厚を３μｍ以下とすることにより、第２ＡｌＧａＮ層２ｂの形成を効率よく行なうことができる。

図１を参照して、量子井戸発光層４上にはたとえばアンドープＧａＮよりなるガイド層５が形成されており、ガイド層５上にはたとえばＡｌＧａＮよりなるｐ型電子ブロック層６が形成されている。ｐ型電子ブロック層６上にはＡｌＧａＮよりなるｐ型クラッド層７が形成されており、ｐ型クラッド層７上にはＧａＮよりなるｐ型コンタクト層８が形成されている。ｐ型コンタクト層８上には開口部１０ａを有する絶縁層１０が形成されている。開口部１０ａ内を埋めるように電極１２が絶縁層１０上に形成されている。電極１２は絶縁層１０と直接接触している。基板１の下面１ｂには電極１１が形成されている。

本実施の形態の半導体レーザ３０においては、電極１１（ｐ電極）および電極１２（ｎ電極）へ所定の電位が与えられると、電極１１および電極１２の間に電圧が発生し、第２ＡｌＧａＮ層２ｂおよびｐ型クラッド層７の各々から量子井戸発光層４へキャリアが注入される。そして、注入されたキャリア同士が量子井戸発光層においてそれぞれ再結合し、光が放出される。この光は、量子井戸発光層の端面から紙面に垂直な方向に放出される。

続いて、本実施の形態における半導体レーザの製造方法について、図３〜図５を用いて説明する。

始めに図３を参照して、基板１の上面１ａ上に、第１ＡｌＧａＮ層２ａと、第２ＡｌＧａＮ層２ｂと、中間層３と、量子井戸発光層４と、ガイド層５と、ｐ型電子ブロック層６と、ｐ型クラッド層７と、ｐ型コンタクト層８とをこの順序でエピタキシャル成長させる。これらの層はたとえばＭＯＣＶＤ法（有機金属気相成長法）を用いて形成される。

ここで、第１ＡｌＧａＮ層２ａおよび第２ＡｌＧａＮ層２ｂは、Ａｌを含むガスの濃度および成長温度を変えることにより形成される。また、量子井戸発光層４における障壁層および井戸層は、Ｉｎを含むガスの濃度を周期的に変化させることで形成される。

次に図４を参照して、ｐ型コンタクト層８上に絶縁層１０を形成する。続いて、絶縁層１０上に図示しないレジストを形成し、このレジストをマスクとして絶縁層１０をエッチングする。その結果、絶縁層１０の所定の位置に開口部１０ａが形成される。

次に図５を参照して、開口部１０ａを埋めるように絶縁層１０上に電極１２を形成する。続いて、基板１の下面１ｂに電極１１を形成する。その後、図中Ａ−Ａ線に沿って基板１をダイシングし、個々の半導体レーザに分離する。以上の工程により、図１に示す半導体レーザ３０が得られる。

本実施の形態における半導体レーザ３０は、基板１と、基板１の上面１ａ上に形成されたＡｌＧａＮ層２と、ＡｌＧａＮ層２上に形成されたＩｎＧａＮよりなる量子井戸発光層４とを備えている。ＡｌＧａＮ層２における基板１に最も近い部分のＡｌ濃度は、ＡｌＧａＮ層２における量子井戸発光層４に最も近い部分のＡｌ濃度よりも高い。

本実施の形態における半導体レーザ３０によれば、基板１に最も近い部分にある第１ＡｌＧａＮ層２ａのＡｌ濃度が高いので、エピタキシャル層の表面平坦性を改善することができる。同時に、量子井戸発光層４に最も近い部分にある第２ＡｌＧａＮ層２ｂのＡｌ濃度が低いので、量子井戸発光層４との格子定数の差が小さくなり、量子井戸発光層４の結晶性を向上することができる。加えて、ＡｌＧａＮ層２にクラックが生じにくくなり、ＡｌＧａＮ層２を厚く形成することができる。これにより、発光光の基板１側への漏れを防ぐとともに、量子井戸発光層４の結晶性の低下を防ぐことができる。その結果、半導体レーザの発光特性を向上することができる。

また、ＡｌＧａＮ層２が基板１の上面１ａに接して形成されるので、基板１の上面１ａの全域にわたってＡｌＧａＮ層２が正常に成長しやすくなり、半導体レーザの発光特性をさらに向上することができる。

また、ＡｌＧａＮ層２は第１ＡｌＧａＮ層２ａと、第１ＡｌＧａＮ層２ａ上に形成された第２ＡｌＧａＮ層２ｂとを有しており、第１ＡｌＧａＮ層２ａのＡｌ濃度は第２ＡｌＧａＮ層２ｂのＡｌ濃度よりも高い。これにより、第１ＡｌＧａＮ層２ａによって基板１との濡れ性を確保しつつ、第２ＡｌＧａＮ層２ｂによって量子井戸発光層４との格子定数の差を小さくすることができる。加えて、第２ＡｌＧａＮ層２ｂを厚く形成することにより、発光光の基板１側への漏れを防ぎ、半導体レーザの発光特性を改善することができる。

また、第２ＡｌＧａＮ層２ｂの膜厚は第１ＡｌＧａＮ層２ａの膜厚よりも厚い。これにより、第２ＡｌＧａＮ層２ｂの膜厚を厚くしてもクラックが生じにくくなり、量子井戸発光層４の結晶性を一層改善することができる。

さらに、基板１はＡｌ_uＧａ_1-uＮ（０≦ｕ≦１）よりなっているので、基板１の製造が容易となる。

（実施の形態２）
図６は、本発明の実施の形態２における半導体レーザの構成を示す断面図である。図６を参照して、本実施の形態における半導体レーザ３０は、ＡｌＧａＮ層２の組成分布において実施の形態１の半導体レーザと異なっている。

図７は、本発明の実施の形態２におけるＡｌＧａＮ層内のＡｌ組成分布を示す図である。図６および図７を参照して、ＡｌＧａＮ層２中のＡｌ濃度は基板１との境界面から中間層３との境界面にかけて一定の割合で徐々に減少している。具体的には、Ａｌ組成は１２％から３％に減少している。このため、本実施の形態のＡｌＧａＮ層２は１つの層により構成されている。また、ＡｌＧａＮ層２のＡｌ組成分布は図７に示す場合の他、たとえば図８のようなものであってもよい。図６および図８を参照して、ＡｌＧａＮ層２中のＡｌ濃度は基板１との境界面から減少し、ＡｌＧａＮ層２中のある位置で極小値となり、中間層３との境界面にかけて増加している。図７および図８のいずれの場合にも、ＡｌＧａＮ層２における基板１に最も近い部分（基板１との境界面）のＡｌ濃度が量子井戸発光層４に最も近い部分（中間層３との境界面）のＡｌ濃度よりも高くなっている。

なお、これ以外の半導体レーザ３０の構成、動作、および製造方法は、実施の形態１における半導体レーザと同様であるため、同一の構成には同一の符号を付し、その説明は繰り返さない。

本実施の形態における半導体レーザ３０によれば、実施の形態１における半導体レーザと同様の効果を得ることができる。

（実施の形態３）
図９は、本発明の実施の形態３における半導体レーザに使用される基板を模式的に示した図である。（ａ）は斜視図であり、（ｂ）は（ａ）のＩＸＢ−ＩＸＢ線に沿う断面図である。図９（ａ）、（ｂ）を参照して、本実施の形態における基板１は、低欠陥領域５０と、低欠陥領域５０に比べて欠陥密度の高い領域である欠陥集中領域５１とを有している。欠陥集中領域５１は基板１の上面１ａにおいて点状に分布しており、厚さ方向（図９（ｂ）中縦方向）に基板１を貫通している。

なお、図９（ａ）、（ｂ）においては、低欠陥領域５０と欠陥集中領域５１との境界線が実線で示されているが、低欠陥領域５０と欠陥集中領域５１との境界には実際にはこのような線はない。

本実施の形態における基板１は、製造時に欠陥をある領域に集中させることにより、それ以外の領域の欠陥を低減したものである。このような基板１を半導体レーザ３０が備えていることにより、低欠陥領域５０を発光領域とすることができ、半導体レーザの発光特性をさらに向上することができる。

なお、本実施の形態における基板としては、図９に示すように欠陥集中領域５１が点状に分布している場合の他、図１０に示すように欠陥集中領域５１が上面１ａにおいて線状に分布しているものであってもよい。

本実施例では、本発明例１の半導体レーザおよび比較例１の半導体レーザを製造し、それぞれの半導体レーザの発光特性を調べた。本発明例１の半導体レーザは以下の製造方法により製造した。

本発明例１：実施の形態１に示す製造方法に従って半導体レーザを製造した。始めに、貫通転位密度１×１０⁶ｃｍ^-2未満の低欠陥領域と、線状に分布する欠陥集中領域とを有するｎ型ＧａＮ（０００１）基板を準備し、成膜装置内のサセプタ上に配置した。続いて、装置内圧力を３０ｋＰａにコントロールしながらアンモニアと水素とを導入し、基板を１０５０℃に加熱した状態で１０分間クリーニングを行なった。続いて、基板温度を１１００℃まで上昇させ、キャリアガスを主に水素として、トリメチルガリウム（２４μｍｏｌ／分）、トリメチルアルミニウム（４．３μｍｏｌ／分）、アンモニア、およびモノシランを装置内に導入した。これにより、膜厚５０μｍのｎ型第１ＡｌＧａＮ層（Ａｌ組成１２％）を成長した。次に基板温度を１１００℃に保ったまま、キャリアガスを主に水素として、トリメチルガリウム（９９μｍｏｌ／分）、トリメチルアルミニウム（８．２μｍｏｌ／分）、アンモニア、およびモノシランを装置内に導入した。これにより、膜厚２μｍのｎ型第２ＡｌＧａＮクラッド層（Ａｌ組成３％）を成長した。次に基板温度を１１００℃に保ったまま、キャリアガスを主に水素として、トリメチルガリウムおよびアンモニアを装置内に導入し、膜厚３ｎｍのノンドープＧａＮ中間層を成長した。次に層の成長を一旦中断し、基板温度を８８０℃まで上昇させ、キャリアガスを主に窒素として、トリメチルガリウム、トリメチルインジウム、およびアンモニアを装置内に導入した。これにより、厚さ１５ｎｍのノンドープＩｎＧａＮ障壁層（Ｉｎ組成１％）を成長した。その後基板温度を８００℃に低下させ、キャリアガスを主に窒素として、トリメチルガリウム、トリメチルインジウム、およびアンモニアを装置内に導入した。これにより、膜厚３ｎｍのノンドープＩｎＧａＮ井戸層（Ｉｎ組成８％）を成長した。ノンドープＩｎＧａＮ障壁層を形成する工程とノンドープＩｎＧａＮ井戸層を形成する工程とを繰り返すことによって、３周期の量子井戸発光層を形成した。

次に層の成長を一旦中断し、基板温度を１０５０℃に上昇させた後、キャリアガスを主に水素として、トリメチルガリウムおよびアンモニアを装置内に導入した。これにより、膜厚１００ｎｍのノンドープＧａＮガイド層を成長した。続いてキャリアガスを主に水素として、トリメチルガリウム、トリメチルアルミニウム、アンモニア、およびシクロペンタジエニルマグネシウムを装置内に導入した。これにより、膜厚２０ｎｍのｐ型ＡｌＧａＮ電子ブロック層（Ａｌ組成１８％）を成長した。その後キャリアガスを主に水素として、トリメチルガリウム、トリメチルアルミニウム、アンモニア、およびシクロペンタジエニルマグネシウムを装置内に導入した。これにより、膜厚１５０ｎｍのｐ型ＡｌＧａＮクラッド層（Ａｌ組成７％）を成長した。次にキャリアガスを主に水素として、トリメチルガリウム、アンモニア、およびシクロペンタジエニルマグネシウムを装置内に導入した。これにより、膜厚５０ｎｍのｐ型ＧａＮコンタクト層を成長した。

その後、基板を成膜装置内から取り出し、光学顕微鏡を用いてｐ型コンタクト層の表面観察を行なったところ、良好な表面平坦性が得られていた。次にｐ型ＧａＮコンタクト層上に絶縁膜を形成し、エッチングによって絶縁膜に幅５μｍの開口部を開口し、Ｎｉ／Ａｕよりなるｐ電極を形成した。次に、ＧａＮ基板を減厚した後で基板の下面にｎ型電極を形成した。その後、長さ８００μｍのバー状にダイシングし、端面ミラーを形成した。以上の方法により図１の半導体レーザ（青紫色発光素子）を得た。

また、比較例１の半導体レーザは以下の製造方法により製造した。
比較例１：本発明例１の製造方法において、第１および第２ＡｌＧａＮ層を形成する代わりに、膜厚０．６μｍのｎ型ＡｌＧａＮ層（Ａｌ組成７％）を形成した。ｎ型ＡｌＧａＮ層を形成する際には、基板温度を１１００℃に保ったまま、キャリアガスを主に窒素として、トリメチルガリウム（４９μｍｏｌ／分）、トリメチルアルミニウム（４．０μｍｏｌ／分）、アンモニア、およびモノシランを装置内に導入した。これ以外は本発明例１と同様の方法を用いて半導体レーザ（青紫色発光素子）を製造した。

このようにして得られた本発明例１の半導体レーザおよび比較例１の半導体レーザの各々に室温でパルス電流を印加したところ、レーザ発振が観測された。スロープ効率は本発明例１では１．０Ｗ／Ａであり、比較例１では０．４Ｗ／Ａであった。これらの結果から、本発明によれば半導体レーザの発光特性を向上できることが分かる。

本実施例では、図１の半導体レーザにおける第２ＡｌＧａＮ層のＡｌ組成とＰＬ（フォトルミネッセンス）強度との関係を調べた。具体的には、以下の方法により半導体レーザを製造した。始めに、本発明例１と同様の方法により、ｎ型ＧａＮ（０００１）基板を準備し、クリーニングを行なった。そして、ｎ型第１ＡｌＧａＮ層、ｎ型第２ＡｌＧａＮクラッド層、ノンドープＧａＮ中間層、３周期の量子井戸発光層、およびノンドープＧａＮガイド層をｎ型ＧａＮ（０００１）基板上に形成した。ｎ型第２ＡｌＧａＮクラッド層を形成する際には、トリメチルガリウムの供給量およびトリメチルアルミニウムの供給量の各々を変化させることにより、ｎ型第２ＡｌＧａＮクラッド層のＡｌ組成を調節した。

その後、基板を成膜装置内から取り出して、量子井戸構造に波長３２５ｎｍのＨｅ−Ｃｄレーザを照射し、量子井戸構造からのＰＬの強度を観測した。図１１は、本発明の実施例２における第２ＡｌＧａＮ層のＡｌ組成とＰＬ強度との関係を示す図である。図１１を参照して、第２ＡｌＧａＮ層のＡｌ組成が５％以下である場合には、ＰＬ強度が飛躍的に向上することが分かる。以上により、第２ＡｌＧａＮ層はＡｌ_tＧａ_1-tＮ（０＜ｔ≦０．０５）よりなることが望ましい。

本実施例では、ＡｌＧａＮ層を基板の一方の主面に接して形成することの効果について調べた。本発明例２の半導体レーザは以下の製造方法により製造した。

本発明例２：始めに、本発明例１と同様の方法により、ｎ型ＧａＮ（０００１）基板を準備し、クリーニングを行なった。続いて、基板温度を１１００℃まで上昇させ、キャリアガスを主に水素として、トリメチルガリウム、アンモニア、およびモノシランを装置内に導入した。これにより、膜厚２μｍのｎ型ＧａＮバッファ層を形成した。その後、本発明例１と同様の方法により、ｎ型第１ＡｌＧａＮ層、ｎ型第２ＡｌＧａＮクラッド層、ノンドープＧａＮ中間層、３周期の量子井戸発光層、ノンドープＧａＮガイド層、ｐ型ＡｌＧａＮ電子ブロック層、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層、およびｐ型ＧａＮコンタクト層をｎ型ＧａＮバッファ層上に形成した。

その後、基板を成膜装置内から取り出し、光学顕微鏡を用いてｐ型コンタクト層の表面観察を行なったところ、ある程度良好な表面平坦性が得られていた。次に、本発明例１と同様の方法により、絶縁膜、ｐ電極、およびｎ型電極を形成した。以上の工程により、半導体レーザ（青紫色発光素子）を得た。

このようにして得られた本発明例２の半導体レーザに室温でパルス電流を印加したところ、レーザ発振が観測された。スロープ効率は０．６Ｗ／Ａであった。本発明例１と本発明例２との結果から、ＡｌＧａＮ層を基板の一方の主面に接して形成することにより、発光特性を向上できることが分かる。

本実施例では、本発明例３の半導体レーザを調べた。本発明例３の半導体レーザは以下の製造方法により製造した。

本発明例３：実施の形態２に示す製造方法に従って半導体レーザを製造した。始めに、本発明例１と同様の方法により、ｎ型ＧａＮ（０００１）基板を準備し、クリーニングを行なった。続いて、基板温度を１１００℃まで上昇させ、キャリアガスを主に水素として、トリメチルガリウム、トリメチルアルミニウム、アンモニア、およびモノシランを装置内に導入した。これにより、膜厚０．６μｍのｎ型ＡｌＧａＮ層を成長した。ｎ型ＡｌＧａＮ層形成の際には、トリメチルガリウムの供給量およびトリメチルアルミニウムの供給量を以下のように変化させた。ＡｌＧａＮ層成長開始時には、トリメチルガリウムの供給量を２４μｍｏｌ／分とし、トリメチルアルミニウムの供給量を４．３μｍｏｌ／分とした。これにより、成長開始時におけるＡｌＧａＮ層のＡｌ組成を１２％とした。そしてＡｌＧａＮ層が成長するにつれてトリメチルガリウムおよびトリメチルアルミニウムの供給量を増加させていき、ＡｌＧａＮ層成長終了時には、トリメチルガリウムの供給量を９９μｍｏｌ／分とし、トリメチルアルミニウムの供給量を８．２μｍｏｌ／分とした。これにより、成長終了時におけるＡｌＧａＮ層のＡｌ組成を１２％とした。ＡｌＧａＮ層の形成には２０分間を要した。その後、本発明例１と同様の方法により、ノンドープＧａＮ中間層、３周期の量子井戸発光層、ノンドープＧａＮガイド層、ｐ型ＡｌＧａＮ電子ブロック層、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層、およびｐ型ＧａＮコンタクト層をＡｌＧａＮ層上に形成した。

その後、基板を成膜装置内から取り出し、光学顕微鏡を用いてｐ型コンタクト層の表面観察を行なったところ、良好な表面平坦性が得られていた。次に本発明例１と同様の方法により、絶縁膜、ｐ電極、およびｎ型電極を形成した。以上の工程により、半導体レーザ（青紫色発光素子）を得た。

このようにして得られた本発明例３の半導体レーザに室温でパルス電流を印加したところ、レーザ発振が観測された。スロープ効率は１．２Ｗ／Ａであった。本発明例３と比較例１との結果から、本発明によれば半導体レーザの発光特性を向上できることが分かる。

今回開示された実施の形態および実施例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説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、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ことが意図される。

１ 基板、１ａ 基板上面、１ｂ 基板下面、２ ＡｌＧａＮ層、２ａ 第１ＡｌＧａＮ層、２ｂ 第２ＡｌＧａＮ層、３ 中間層、４ 量子井戸発光層、５ ガイド層、６ ｐ型電子ブロック層、７ ｐ型クラッド層、８ ｐ型コンタクト層、１０ 絶縁層、１０ａ 開口部、１１，１２ 電極、３０ 半導体レーザ、５０ 低欠陥領域、５１ 欠陥集中領域。

Claims (11)

1. 窒化物半導体基板と、
   前記窒化物半導体基板の一方の主面上に形成されたＡｌ_sＧａ_1-sＮ（０＜ｓ≦１）層と、
   前記Ａｌ_sＧａ_1-sＮ層上に形成されたＩｎＧａＮよりなる量子井戸発光層とを備え、
   前記Ａｌ_sＧａ_1-sＮ層は第１ＡｌＧａＮ層と、前記第１ＡｌＧａＮ層上に形成された第２ＡｌＧａＮ層とを有し、前記第１ＡｌＧａＮ層のＡｌ濃度は前記第２ＡｌＧａＮ層のＡｌ濃度よりも高いことを特徴とする、半導体発光素子。
2. 前記第１ＡｌＧａＮ層が前記一方の主面に接して形成され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. 前記第１ＡｌＧａＮ層の膜厚は５ｎｍ以上５００ｎｍ以下であ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. 前記第２ＡｌＧａＮ層はＡｌ_tＧａ_1-tＮ（０＜ｔ≦０．０５）よりなることを特徴とする、請求項１〜３のいずれかに記載の半導体発光素子。
5. 前記第２ＡｌＧａＮ層の膜厚は前記第１ＡｌＧａＮ層の膜厚よりも厚いことを特徴とする、請求項１〜４のいずれかに記載の半導体発光素子。
6. 前記第２ＡｌＧａＮ層の膜厚は４００ｎｍ以上４μｍ以下であることを特徴とする、請求項１〜５のいずれかに記載の半導体発光素子。
7. 前記量子井戸発光層上に形成されたＧａＮからなるｐ型コンタクト層と、
   前記ｐ型コンタクト層上に形成された第一の電極と、
   第二の電極とをさらに備えることを特徴とする、請求項１〜６のいずれかに記載の半導体発光素子。
8. 前記第二の電極は前記窒化物半導体基板の下面に形成されていることを特徴とする、請求項７に記載の半導体発光素子。
9. 前記窒化物半導体基板はＡｌ_uＧａ_1-uＮ（０≦ｕ≦１）よりなることを特徴とする、請求項１〜８のいずれかに記載の半導体発光素子。
10. 前記窒化物半導体基板は相対的に欠陥密度の低い低欠陥領域と、相対的に欠陥密度が高く、かつ前記一方の主面において点状または線状に分布する欠陥集中領域とを有することを特徴とする、請求項１〜９のいずれかに記載の半導体発光素子。
11. 前記低欠陥領域の転位密度は１×１０⁷個／ｃｍ²未満であることを特徴とする、請求項１０に記載の半導体発光素子。

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