JP2024074338A - 垂直共振器型発光素子及びその製造方法 - Google Patents

垂直共振器型発光素子及びその製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】長寿命かつ高効率な垂直共振器型発光素子及びその製造方法を提供する。【解決手段】本発明の垂直共振器型発光素子は、ｐ型のドーパントとしてＭｇを含み、ＳＩＭＳによる層厚方向のＡｌ組成曲線において規定したｐ型ＡｌＧａＮ層を、活性層１９側から１／１０、２／５、１／２の層厚を有する第１領域、第２領域及び第３領域、に順に区分したとき、Ａｌ組成の大小関係は第１領域＜第３領域＜第２領域である。Ｍｇ濃度曲線によって示されるＭｇ濃度は、ｐ型ＡｌＧａＮ層の層厚の全体に亘って１．２×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満であり、かつ、第１領域において最も小さく、第２領域内のＭｇ濃度が最大のピーク位置の位置から第３領域内のＭｇ濃度が最大のピーク位置までの領域において、Ｍｇ濃度が３×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上であり、Ｍｇ濃度の最大値と最小値との差が１．５×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下である。【選択図】図１

Description

本発明は、半導体多層膜反射鏡を用いた垂直共振器型発光素子、特に垂直共振器型面発光レーザ（Vertical Cavity Surface Emitting Laser；ＶＣＳＥＬ）などの垂直共振器型半導体発光素子に関する。また、当該垂直共振器型発光素子の製造方法に関する。
活性層の上下に分布ブラッグ反射鏡（Distributed Bragg Reflector；ＤＢＲ）を配置した垂直共振器型発光素子が知られている。また、半導体発光素子において、電子キャリアのオーバーフローを防止するために、活性層よりもバンドギャップエネルギーの高い電子ブロック層を設けることが知られている。
例えば、特許文献１には、ＧａＮ系半導体から構成される、活性層とｐ型半導体のメサ状構造体との間に、電子ブロック層としてＡｌＧａＮ層を有する垂直共振器型発光素子が開示されている。また、特許文献１において、電子ブロック層のＡｌ組成を増大させてバンドギャップエネルギーを増大させることが開示されている。
特許第６９６６８４３号
例えば、上記のような垂直共振器型発光素子において、電子ブロック層としてのｐ型ＡｌＧａＮ層中のｐ型ドーパント濃度を高くすると、正孔キャリア濃度が高まりキャリアの注入効率が高くなる効果が得られる。しかし、当該ｐ型ドーパント濃度を高くし過ぎると、ｐ型ドーパントの活性層への拡散や、ｐ型ドーパント濃度が高いことに起因する欠陥が活性層に拡がることによる素子寿命の低下が生じ易くなるという問題があった。
本発明は上記した点に鑑みてなされたものであり、高いキャリアの注入効率を確保しつつ素子の寿命の低下を抑制することができ、長寿命かつ高効率な垂直共振器型発光素子及びその製造方法を提供することを目的としている。
本発明による垂直共振器型発光素子は、基板と、前記基板上に、屈折率が互いに異なる２つの半導体層が交互に複数回繰り返し積層された半導体多層膜である第１の多層膜反射鏡と、前記第１の多層膜反射鏡上に形成され、ｎ型のドーパントを含む窒化物半導体からなるｎ型窒化物半導体層と、前記ｎ型窒化物半導体層上に形成された活性層と、前記活性層上に形成され、ｐ型のドーパントとしてＭｇを含み、Ａｌ組成の異なる３つ以上のＡｌＧａＮ層が積層された構成を有するｐ型ＡｌＧａＮ層と、前記ｐ型ＡｌＧａＮ層上に形成され、ｐ型のドーパントを含む窒化物半導体からなる半導体層であるｐ型窒化物半導体層と、前記ｐ型窒化物半導体層上に形成され、前記第１の多層膜反射鏡に対向する位置に設けられた第２の多層膜反射鏡と、を含み、前記ｐ型ＡｌＧａＮ層の二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ）による分析によって、前記ｐ型ＡｌＧａＮ層中のＡｌ組成の層厚方向における変化を示すＡｌ組成曲線及び前記ｐ型ＡｌＧａＮ層中のＭｇ濃度の層厚方向の変化を示すＭｇ濃度曲線のうち、前記Ａｌ組成曲線のピーク値の５０％における幅の範囲を前記ｐ型ＡｌＧａＮ層と規定し、前記ｐ型ＡｌＧａＮ層をその層厚方向に、前記活性層側から前記ｐ型ＡｌＧａＮ層の１／１０の層厚を有する第１領域、前記ｐ型ＡｌＧａＮ層の２／５の層厚を有する第２領域及び前記ｐ型ＡｌＧａＮ層の１／２の層厚を有する第３領域、に順に区分したとき、前記Ａｌ組成曲線によって示されるＡｌ組成の各領域間の大小関係は、前記第１領域＜前記第３領域＜前記第２領域であり、前記Ｍｇ濃度曲線によって示されるＭｇ濃度は前記ｐ型ＡｌＧａＮ層の層厚の全体に亘って１．２×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満であり、かつ、前記Ｍｇ濃度は前記第１乃至第３領域のうち前記第１領域において最も小さく、前記第２領域内のＭｇ濃度のピーク位置のうち濃度が最大であるピーク位置から前記第３領域内のＭｇ濃度のピーク位置のうち濃度が最大であるピーク位置までの領域を第４領域とし、前記第４領域において、前記Ｍｇ濃度が、３×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上であり、且つ、前記第４領域における前記Ｍｇ濃度の最大値と最小値との差が１．５×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下であることを特徴とする。
また、本発明による垂直共振器型発光素子は、基板と、前記基板上に、屈折率が互いに異なる２つの半導体層が交互に複数回繰り返し積層された半導体多層膜である第１の多層膜反射鏡と、前記第１の多層膜反射鏡上に形成され、ｎ型のドーパントを含む窒化物半導体からなるｎ型窒化物半導体層と、前記ｎ型窒化物半導体層上に形成された活性層と、前記活性層上に形成され、ｐ型のドーパントとしてＭｇを含み、Ａｌ組成の異なる３つ以上のＡｌＧａＮ層が積層された構成を有するｐ型ＡｌＧａＮ層と、前記ｐ型ＡｌＧａＮ層上に形成され、ｐ型のドーパントを含む窒化物半導体からなる半導体層であるｐ型窒化物半導体層と、前記ｐ型窒化物半導体層上に形成され、前記第１の多層膜反射鏡に対向する位置に設けられた第２の多層膜反射鏡と、を含み、前記ｐ型ＡｌＧａＮ層の二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ）による分析によって、前記ｐ型ＡｌＧａＮ層中のＡｌ組成の層厚方向における変化を示すＡｌ組成曲線及び前記ｐ型ＡｌＧａＮ層中のＭｇ濃度の層厚方向の変化を示すＭｇ濃度曲線のうち、前記Ａｌ組成曲線のピーク値の５０％における幅の範囲を前記ｐ型ＡｌＧａＮ層と規定し、前記ｐ型ＡｌＧａＮ層をその層厚方向に、前記活性層側から前記ｐ型ＡｌＧａＮ層の１／１０の層厚を有する第１領域、前記ｐ型ＡｌＧａＮ層の２／５の層厚を有する第２領域及び前記ｐ型ＡｌＧａＮ層の１／２の層厚を有する第３領域、に順に区分したとき、前記Ａｌ組成曲線によって示されるＡｌ組成の各領域間の大小関係は、前記第１領域＜前記第３領域＜前記第２領域であり、前記Ｍｇ濃度曲線によって示されるＭｇ濃度は前記ｐ型ＡｌＧａＮ層の層厚の全体に亘って１．２×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満であり、かつ、前記Ｍｇ濃度は前記第１乃至第３領域のうち前記第１領域において最も小さく、前記第２領域内のＭｇ濃度のピーク位置のうち濃度が最大であるピーク位置から前記第３領域内のＭｇ濃度のピーク位置のうち濃度が最大であるピーク位置までの領域を第４領域とし、前記第４領域において、前記Ｍｇ濃度が、３×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上８×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満であることを特徴とする。
本発明による垂直共振器型発光素子の製造方法は、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）により、基板上に、屈折率が互いに異なる２つの半導体層を交互に成長させて第１の多層膜反射鏡を形成するステップと、ｎ型ドーパントの材料ガスを供給しつつ前記第１の多層膜反射鏡上にｎ型窒化物半導体層を成長させるｎ型窒化物半導体層成長ステップと、前記ｎ型窒化物半導体層上に活性層を形成するステップと、ｐ型ドーパントとしてＭｇの材料ガスを供給しつつ前記活性層上に、ｐ型の導電型を有するＡｌＧａＮ層であるｐ型ＡｌＧａＮ層を成長させるｐ型ＡｌＧａＮ層成長ステップと、前記ｐ型ＡｌＧａＮ層上にｐ型窒化物半導体層を成長させるｐ型窒化物半導体層成長ステップと、前記ｐ型窒化物半導体層上に前記第１の多層膜反射鏡に対向する第２の多層膜反射鏡を形成するステップと、を含み、前記ｐ型ＡｌＧａＮ層成長ステップは、第１の温度から第２の温度まで昇温しつつ、窒素源ガス及びＧａの材料ガスを所定の供給量で供給し、Ａｌの材料ガスを第１の供給量で供給し、前記Ｍｇの材料ガスを第２の供給量で供給して第１のｐ型ＡｌＧａＮ層を成長する第１の成長ステップと、前記第１の成長ステップの後、前記第１の成長ステップにおける前記窒素源ガス、前記Ｇａの材料ガス及び前記Ａｌの材料ガスの供給量を維持しつつ、前記Ｍｇの材料ガスの供給量を前記第２の供給量のまま第１の成長時間維持する維持ステップと、その後、前記Ｍｇの材料ガスの供給量を前記第２の供給量よりも低い第３の供給量に変更して第２の成長時間維持するＭｇ低供給ステップとによって第２のｐ型ＡｌＧａＮ層を成長する第２の成長ステップと、前記第２の成長ステップの後、前記Ａｌの材料ガスを前記第１の供給量よりも低い第４の供給量で供給し、かつ、前記Ｍｇの材料ガスを前記第２の供給量よりも低い第５の供給量で供給しつつ第３のｐ型ＡｌＧａＮ層を成長する第３の成長ステップと、を含むことを特徴とする。
実施例に係る面発光レーザの構成を示す斜視図である。 実施例に係る面発光レーザの構成を示す上面図である。 実施例に係る面発光レーザの構成を示す断面図である。 実施例に係る面発光レーザのｐ型ＡｌＧａＮ層のＳＩＭＳ分析結果を示す図である。 実施例に係る面発光レーザの製造工程の概要を示すフローチャートである。 実施例に係る面発光レーザのｐ型ＡｌＧａＮ層の成長シーケンスを模式的に示す図である。 比較例1の面発光レーザのｐ型ＡｌＧａＮ層のＳＩＭＳ分析結果を示す図である。 比較例２の面発光レーザのｐ型ＡｌＧａＮ層のＳＩＭＳ分析結果を示す図である。
以下においては、本発明の好適な実施例について説明するが、これらを適宜改変し、組合せてもよい。また、以下の説明及び添付図面において、実質的に同一又は等価な部分には同一の参照符を付して説明する。
添付図面を参照しつつ、本発明の実施例に係る垂直共振器型面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ：Vertical Cavity Surface Emitting Laser、以下、単に面発光レーザとも称する）１０の構成について説明する。実施例の面発光レーザ１０は、窒化物系半導体層によって構成されている。
図１は、面発光レーザ１０の構成の概要を示す斜視図である。基板１１は、面発光レーザ１０を構成する窒化物半導体層の成長用基板である。基板１１は、例えば、矩形の上面形状を有している。本実施例において、基板１１は、ＧａＮ基板である。基板１１の上面、すなわち窒化物半導体層が成長される面は、Ｃ面又はＣ面から１°以内にオフした面であることが好ましい。なお、基板１１として、ＧａＮ基板の他に、サファイア基板、ＡｌＮ基板等の基板を用いることができる。
下地層１３は、基板１１上に形成されている。下地層１３は、アンドープＧａＮ層である。下地層１３は、下地層１３上に成長される窒化物半導体層の結晶性を高めるためのバッファ層として機能する。
第１の多層膜反射鏡１５は、下地層１３上に形成されている。第１の多層膜反射鏡１５は、ＡｌＩｎＮの組成を有する低屈折率半導体膜と、ＧａＮ組成を有し低屈折率半導体膜よりも屈折率が高い高屈折率半導体膜とが交互に積層された半導体多層膜反射鏡である。第１の多層膜反射鏡１５は、窒化物半導体材料からなる分布ブラッグ反射器（ＤＢＲ：Distributed Bragg Reflector）である。言い換えれば、第１の多層膜反射鏡１５は、窒化物半導体多層膜反射鏡である。
ｎ型半導体層１７は、第１の多層膜反射鏡１５上に形成されたｎ型ＧａＮ層である。ｎ型半導体層１７には、ｎ型不純物としてＳｉがドープされている。
ｎ型半導体層１７は、角柱状の下部１７Ａと、下部１７Ａ上に配された円柱状の上部１７Ｂとを有する。言い換えれば、ｎ型半導体層１７は、角柱状の下部１７Ａの上面から突出した円柱状の上部１７Ｂを有している。言い換えれば、ｎ型半導体層１７は、上部１７Ｂを含むメサ形状の構造を有する。ｎ型半導体層１７は、下部１７Ａの上面が部分的に露出した露出部１７Ｅを有している。
活性層１９は、ｎ型半導体層１７の上部１７Ｂ上に形成されている。活性層１９は、例えば多重量子井戸（ＭＱＷ：Multi Quantum Well）構造をなす複数の半導体層からなる発光構造層である。具体的には、活性層１９は、ＩｎＧａＮ組成を有する井戸層及びＧａＮ組成を有する障壁層を含む量子井戸構造を有する層である。面発光レーザ１０に電流が注入されると、活性層１９において光が発生する。
中間層２１は、活性層１９上に形成されたアンドープのＧａＮ層である。中間層２１は、中間層２１上に形成されるｐ型半導体層２３から活性層１９に不純物が拡散することを防止すべく、活性層１９と、中間層２１上に形成されるｐ型半導体層２３との間の距離を離す緩衝層の機能を有する。
ｐ型半導体層２３は、上述のように中間層２１上に形成され、ｐ型不純物がドープされた複数の半導体層を含む層である。ｐ型半導体層２３には、ｐ型不純物として、Ｍｇがドープされている。
ｎ電極２５は、ｎ型半導体層１７の露出部１７Ｅ上に設けられた金属電極である。ｎ電極２５は、ｎ型半導体層１７に電気的に接続されている。例えば、ｎ電極２５は、ｎ型半導体層１７の上部１７Ｂを囲むように環状に形成されている。ｎ電極２５の形状はこれに限られず、例えば露出部１７Ｅの全面に層状に形成された電極層であってもよい。
絶縁層２７は、ｐ型半導体層２３上に形成されている絶縁体又はｐ型半導体層２３よりも導電性の低い材料からなる層である。絶縁層２７は、例えばＳｉＯ２等のｐ型半導体層２３を構成する材料よりも低い屈折率を有する物質によって構成されている。絶縁層２７は、ｐ型半導体層２３上に環状に形成されており、中央部分にｐ型半導体層２３を露出する開口部（図示せず）を有している。
透光性電極２９は、絶縁層２７上に形成されている。また、透光性電極２９は、絶縁層２７の開口部を介してｐ型半導体層２３上に形成されており、ｐ型半導体層２３に電気的に接続されている。透光性電極２９は、例えば、ＩＴＯ又はＩＺＯ等の活性層１９からの出射光に対して透光性を有する金属酸化物によって形成されている。
第２の多層膜反射鏡３１は、絶縁層２７の開口部上の透光性電極２９上に設けられた誘電体多層膜である。第２の多層膜反射鏡３１は、例えば酸化ニオブ（Ｎｂ２Ｏ５）と酸化ケイ素（ＳｉＯ２）等の、屈折率の異なる２種の誘電体膜が交互に積層されてなる誘電体多層膜ミラーである。
ｐ電極３３は、透光性電極２９上に設けられた金属電極である。ｐ電極３３は、透光性電極２９に電気的に接続されている。ｐ電極３３は、第２の多層膜反射鏡３１を囲むように環状に形成されている。
図２は、面発光レーザ１０の上面図である。上述したように、面発光レーザ１０は、矩形の上面形状を有する基板１１上に形成され、メサ形状の構造を有するｎ型半導体層１７を有している。
ｎ型半導体層１７のメサ形状の部分から露出している露出部１７Ｅ上に、当該メサ形状の部分を囲むように環状のｎ電極２５が形成されている。
また、上述したように、面発光レーザ１０は、ｎ型半導体層１７のメサ形状の部分である上部１７Ｂ上に順に形成されて円形の上面形状を有する活性層１９、中間層２１、ｐ型半導体層２３、及び環状の絶縁層２７（図２では図示せず）を有している。絶縁層２７は、開口部ＯＰを有している。
透光性電極２９は、絶縁層２７の開口部ＯＰを覆うように、絶縁層２７上に形成されている。透光性電極２９上の透光性電極２９の中心ＣＡを含む領域に、第２の多層膜反射鏡３１が設けられている。
第２の多層膜反射鏡３１は、上面視において開口部ＯＰを覆うように形成されている。なお、第２の多層膜反射鏡３１は、上面視において開口部ＯＰと重なるように形成されていてもよい。また、透光性電極２９の外周部に環状のｐ電極３３が設けられている。
図３は、面発光レーザ１０の図２の３－３線に沿った断面図である。上述したように、ｐ型半導体層２３は、ｐ型不純物を含む複数の半導体層を含んで構成されている。以下、図３を参照しつつ、ｐ型半導体層２３及びその上層側の構成について説明する。
ｐ型ＡｌＧａＮ層３５は、中間層２１上に形成されており、ｐ型不純物としてＭｇがドープされているｐ型ＡｌＧａＮ層である。ｐ型ＡｌＧａＮ層３５は、電子ブロック層として機能する。
ｐ型窒化物半導体層３７は、ｐ型ＡｌＧａＮ層３５上に形成され、ｐ型不純物がドープされた窒化物半導体層である。ｐ型窒化物半導体層３７は、例えば、ｐ型不純物としてＭｇがドープされたＧａＮ層である。
面発光レーザ１０において、ｐ型窒化物半導体層３７、ｎ型半導体層１７及び活性層１９によるダブルヘテロ構造が形成されている。このような構造により、面発光レーザ１０に順方向に電圧が印加されると、ｎ型半導体層１７から活性層１９に電子が注入され、ｐ型窒化物半導体層３７から活性層１９に正孔が注入される。活性層１９内では、電子と正孔が再結合して光を発生する。
面発光レーザ１０において、効率の良い発光を実現するためには、電子キャリアと正孔キャリアを効率良く活性層１９に注入して活性層１９に留まらせること、それによってレーザ発振に必要な単位面積当たりの電流である閾値電流密度を低く抑えることが重要である。ｎ型半導体層１７から注入された電子キャリアが活性層１９を通過してｐ型窒化物半導体層３７側へ移動する電子キャリアのオーバーフローが起こると、閾値電流密度が上昇し、電流の利用効率が低下する。それに加えて、発光に寄与しないキャリアによって放出される熱の影響等によって素子が劣化するので、素子寿命が低下する。
ｐ型窒化物半導体層３７と活性層１９との間に設けられたｐ型ＡｌＧａＮ層３５は、Ａｌを組成に含むことでＧａＮからなるｐ型窒化物半導体層３７よりもバンドギャップエネルギーが高く、それによって電子キャリアのオーバーフローを抑制する電子ブロック層として機能する。
電子ブロック層としてのｐ型ＡｌＧａＮ層３５にＭｇをドープすることによって、ｐ型ＡｌＧａＮ層３５の正孔キャリア濃度が高まりかつフェルミ準位が下がる。これにより、キャリアオーバーフローを抑制してキャリアの注入効率を高めることができ、面発光レーザ１０の閾値電流密度の上昇を抑制することができる。
一方、ｐ型ＡｌＧａＮ層３５中のＭｇ濃度を高くし過ぎると、Ｍｇが活性層まで拡散することや、Ｍｇに起因する欠陥が活性層まで拡がることによって、素子寿命が低下する場合がある。
本願の発明者らは、上記のようなｐ型ＡｌＧａＮ層３５中のＭｇに起因する素子寿命の低下を抑制しつつ、キャリアの注入効率を高くするためには、ｐ型ＡｌＧａＮ層３５中のＭｇの層厚方向における濃度分布をＡｌ組成とともに精密に制御することが重要であることを見出した。
そこで、本発明においては、ｐ型ＡｌＧａＮ層３５は、互いにＭｇ濃度の分布とＡｌ組成の分布が異なる３層のｐ型ＡｌＧａＮ層によって構成されている。図３において、ｐ型ＡｌＧａＮ層３５を構成する３層について、第１のｐ型ＡｌＧａＮ層３９、第２のｐ型ＡｌＧａＮ層４１、及び第３のｐ型ＡｌＧａＮ層４３として示している。
最も活性層１９に近い第１のｐ型ＡｌＧａＮ層３９においては、Ｍｇ濃度が高くなり過ぎないように制御している。第１のｐ型ＡｌＧａＮ層３９に隣接する第２のｐ型ＡｌＧａＮ層４１及び最も活性層から遠い第３のｐ型ＡｌＧａＮ層４３においては、キャリアの注入効率を高めるために適したＭｇ濃度及びＭｇ濃度分布となるように、Ｍｇ濃度及びＡｌ組成を制御している。
なお、上記したように、活性層１９とｐ型半導体層２３との間に、中間層２１が設けられている。中間層２１は、ｐ型半導体層２３と、活性層１９との間の距離を長くし、ｐ型不純物が活性層１９に拡散することやｐ型不純物に起因する欠陥の影響が及ぶことを抑制する機能を有する。例えば、中間層２１は、３０～１４５ｎｍの層厚で形成されている。なお、例えば、面発光レーザ１０において、中間層２１を設けない構成としてもよい。
ｐ型コンタクト層４５は、ｐ型窒化物半導体層３７上に形成され、ｐ型窒化物半導体層３７よりも高濃度でｐ型不純物がドープされた窒化物半導体層である。ｐ型コンタクト層４５は、例えば、ｐ型不純物としてＭｇがｐ型窒化物半導体層３７よりも高濃度でドープされたＧａＮ層である。
このように、ｐ型半導体層２３は、ｐ型ＡｌＧａＮ層３５、ｐ型窒化物半導体層３７、及びｐ型コンタクト層４５がこの順に積層されて構成されている。
絶縁層２７は、ｐ型コンタクト層４５上に形成されている。上述したように、透光性電極２９は、絶縁層２７上に絶縁層２７の開口部ＯＰを覆うように形成されており、透光性電極２９は、開口部ＯＰを介してｐ型コンタクト層４５に接している。
ｐ電極３３は、透光性電極２９と電気的に接触している。従って、ｐ電極３３は、透光性電極２９を介してｐ型半導体層２３と電気的に接続されている。
面発光レーザ１０において、ｐ型半導体層２３には、絶縁層２７の開口部ＯＰによって露出している部分のみから、電流が注入される。従って、開口部ＯＰは、活性層１９への電流の供給範囲を制限する電流狭窄構造となっている。
面発光レーザ１０において、第１の多層膜反射鏡１５と第２の多層膜反射鏡３１とが対向して配置されている。第１の多層膜反射鏡１５は、第２の多層膜反射鏡３１よりもわずかに低い反射率を有する。従って、活性層１９から出射し、第１の多層膜反射鏡１５と第２の多層膜反射鏡３１との間で共振した光は、その一部が第１の多層膜反射鏡１５及び基板１１を透過し、外部に取り出される。
図４を参照しつつ、ｐ型ＡｌＧａＮ層３５中のＡｌ組成及びＭｇ濃度について説明する。上述したように、ｐ型ＡｌＧａＮ層３５の電子ブロック層としての機能を高めるためには、ｐ型ＡｌＧａＮ層３５中のＭｇの層厚方向における濃度分布をＡｌ組成とともに精密に制御することが重要であるが、層厚方向におけるＡｌ組成及びＭｇ濃度の分布は、二次イオン質量分析法（Secondary Ion Mass Spectrometry：ＳＩＭＳ）分析によってのみ評価が可能である。
しかし、Ａｌ組成及びＭｇ濃度の層厚方向のＳＩＭＳ分析結果は、設計値と一致しない。これは、ＳＩＭＳ分析の性質に加えて、本発明のｐ型ＡｌＧａＮ層３５は、層厚が７～１５ｎｍ程度と非常に薄いことにより、設計上ｐ型ＡｌＧａＮ層３５を構成する３つの層を明瞭に区別することができないからである。
具体的には、ＳＩＭＳ分析では、試料表面に一次イオンを衝突させ、スパッタリングによって放出される二次イオンを検出することで、当該試料中の元素の深さ方向の濃度分布が得られる。
深さ方向の分析を進める際に、試料表面に照射された一次イオンが試料を構成する原子を混合することで本来の分布を乱していくイオンビームミキシングが生じる。それによって、検出される元素の試料中の濃度は、混ぜ合わされた深さまでの平均化した情報となる。
また、試料表面や下層との界面などの、元々試料が有する凹凸、ＳＩＭＳ分析中のスパッタリングによって発生する凹凸によって、試料の深さ方向の濃度分布のゆらぎが生ずる（ラフネスの影響）。
イオンビームミキシングやラフネスの影響により、ＳＩＭＳ分析によって積層構造の境界を明瞭に区別することは困難である。このようなイオンビームミキシングやラフネスの影響を、測定条件の最適化等により低減したとしても、積層構造の境界を明瞭に区別することは困難であり、本発明のように７ｎｍ～１５ｎｍ程度の薄膜ではさらに困難である。
そこで、本発明においては、ＳＩＭＳ分析結果に基づいて、ｐ型ＡｌＧａＮ層３５の層厚方向におけるＡｌ組成及びＭｇ濃度の変化を制御し、高効率かつ長寿命の面発光レーザ１０を得るために適したＳＩＭＳプロファイルを見出した。
図４は、実施例に係る面発光レーザ１０のｐ型ＡｌＧａＮ層３５のＳＩＭＳ分析結果を示す図である。図４は、ｐ型ＡｌＧａＮ層３５の上層であるｐ型窒化物半導体層３７から、ｐ型ＡｌＧａＮ層３５の下層である中間層２１に向かって（すなわち、表面側から活性層側（基板１１側）に向かって）、深さ方向、すなわち層厚方向のＡｌ組成及びＭｇ濃度のプロファイルを示している。
図４において、横軸は、表面側から活性層側に向かっての層厚すなわち深さ（ｎｍ）、主軸はＭｇ濃度、第２軸はＡｌ組成を示している。図４において、Ａｌ組成の深さ方向の変化を示すＡｌ組成曲線を破線で示している。また、図４において、Ｍｇ濃度の深さ方向の変化を示すＭｇ濃度曲線を実線で示している。
図４に示すＡｌ組成曲線について、Ａｌ組成のピーク値、すなわち最大値の５０％における幅である半値幅の範囲を、ｐ型ＡｌＧａＮ層３５と規定する。また、本実施例において、Ａｌ組成曲線上において規定したｐ型ＡｌＧａＮ層を層厚方向に３つの領域に区分する。具体的には、ｐ型ＡｌＧａＮ層３５を、その層厚方向に、活性層側から表面側に向かって、１０分の１（１０％）の層厚を有する領域を第１領域ＡＲ１、５分の２（４０％）の層厚を有する領域を第２領域ＡＲ２、２分の１（５０％）の層厚を有する領域を第３領域ＡＲ３として順に区分して、Ａｌ組成及びＭｇ濃度について説明する。
従って、図４に示すグラフにおいて層厚を示す横軸に着目すると、上述した半値幅はｐ型ＡｌＧａＮ層３５の全層厚に相当し、当該横軸上において第１領域ＡＲ１はｐ型ＡｌＧａＮ層３５の１０分の１の層厚部分に相当し、第２領域ＡＲ２は５分の２の層厚部分に相当し、第３領域ＡＲ３は２分の１の層厚部分に相当する。
［Ｍｇ濃度曲線］
Ｍｇ濃度曲線によって示されるＭｇ濃度及びＭｇ濃度の層厚方向のプロファイル制御について説明する。
［ｐ型ＡｌＧａＮ層全体のＭｇ濃度］
まず、ｐ型ＡｌＧａＮ層全体のＭｇ濃度制御について説明する。ｐ型ＡｌＧａＮ層３５中のＭｇのピーク濃度が高くなると、Ｍｇが多く存在することによってキャリアの注入効率が向上する一方で、Ｍｇが活性層に拡散しやすくなり、また、Ｍｇに起因する欠陥が活性層まで拡がりやすくなるため、素子寿命が低下し易くなる。
発明者らは、ｐ型ＡｌＧａＮ層３５中のＭｇのピーク濃度を１．２×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満、より好ましくは１×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満とすることで、上記のような高濃度のＭｇの拡散又はＭｇに起因する欠陥の活性層への拡がりによる素子寿命の低下を抑制することができ、面発光レーザ１０の寿命が従来よりも大きく向上することを見出した。特に、ｐ型ＡｌＧａＮ層３５中のＭｇのピーク濃度を１×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満とすることで、高濃度のＭｇをドープしたことに起因する欠陥が活性層にまで拡がって素子寿命を低下させることを顕著に抑制することができる。
図４に示す例においては、Ｍｇ濃度曲線によって示されるＭｇ濃度の最大値は約６．９×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３であり、ｐ型ＡｌＧａＮ層３５の層厚の全体に亘って１×１０１９ａｔｏｍｓ/cm３未満となるように制御されている。Ｍｇ濃度を１×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満とすることで、Ｍｇの活性層への拡散及びＭｇに起因する欠陥の活性層への拡がりを防止している。これによって、高濃度のＭｇに起因する素子寿命の低下を防止している。
続いて、第１領域～第３領域の各領域におけるＭｇ濃度制御について説明する。
［第１領域のＭｇ濃度］
ｐ型ＡｌＧａＮ層３５の層厚方向の領域のうち、活性層１９までの距離が近い領域ほど、Ｍｇが活性層１９に拡散しやすくなり、また、Ｍｇに起因する欠陥が活性層まで拡がりやすくなる。これらのことを考慮すると、最も活性層１９に近い第１領域ＡＲ１のＭｇ濃度が最も低いことが好ましい。具体的には、第１領域のＭｇ濃度としては、２×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満とすることが好ましい。活性層に最も近い第１領域のＭｇ濃度を２×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満にすることで、活性層へのＭｇの拡散やＭｇに起因する欠陥の拡がりを防止する効果が高まるので素子寿命が向上する。
図４に示すように、本実施例においては、Ｍｇ濃度曲線によって示されるＭｇ濃度の各領域内の平均値を各領域間で比較すると、第１領域ＡＲ１が最も小さくなっている。このように、最も活性層１９に近い第１領域ＡＲ１のＭｇ濃度を最も低くすることで、Ｍｇの活性層への拡散及びＭｇに起因する欠陥の活性層への拡がりを防止し、高濃度のＭｇに起因する素子寿命の低下を防止している。
［第２領域及び第３領域のＭｇ濃度］
発明者らは、第２領域のＡｌ組成を最も高くし、かつ、第２領域及び第３領域のＭｇ濃度プロファイルを適切に制御すると、Ｍｇ濃度を抑制しつつもキャリアオーバーフロー抑制効果が十分に得られ、それによって閾値電流密度が小さくなり、素子寿命が向上することを見出した。
具体的には、第２領域から第３領域にかけて、Ｍｇ濃度曲線が示すＭｇ濃度が、適切な濃度でほぼ一定であり、略平坦なプロファイルとなっている領域（以下、単に平坦な領域とも称する）ができるように制御すると、Ｍｇ濃度を抑制しつつもキャリアオーバーフロー抑制効果が十分に得られ、それによって閾値電流密度が小さくなり、素子寿命が向上することが見出せた。
当該平坦な領域における適切なＭｇ濃度とは、Ｍｇに起因して素子寿命の低下を抑制する濃度である。具体的には、平坦な領域におけるＭｇ濃度は、１．２×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満であり、より好ましくは、１×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満であり、さらに好ましくは８×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満である。
また、当該平坦な領域における適切なＭｇ濃度とは、キャリアオーバーフロー抑制効果が十分に得られる濃度である。具体的には、平坦な領域におけるＭｇ濃度は、３×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上とすることが好ましい。
従って、上記の平坦な領域において、Ｍｇ濃度曲線が示すＭｇ濃度は、３×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上かつ１．２×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満であることが好ましく、１．０×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満であることがさらに好ましい。さらに、平坦な領域において、Ｍｇ濃度は、３×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上かつ８×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満であることが好ましい。
さらに、キャリアオーバーフロー抑制効果を十分に得る観点から、平坦な領域のＭｇ濃度は、３×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上かつ８×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満の範囲で高い程好ましい。
上記のような、第２領域から第３領域にかけてＭｇ濃度が適切な濃度でありかつ平坦なプロファイルになっている領域を有するものとは、一例として、Ｍｇ濃度曲線が、第２領域から第３領域にかけて、Ｍｇ濃度が、３×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上８×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満である領域を有するものであるといえる。
また、第２領域から第３領域にかけてＭｇ濃度が適切な濃度でありかつ平坦なプロファイルとなっている領域を有するものとは、一例として、Ｍｇ濃度曲線が、第２領域のピーク位置のうち濃度が最大のピーク位置（図中、Ｐ１）から、第３領域のピーク位置のうち濃度が最大のピーク位置（図中、Ｐ２）までの領域を第４領域ＡＲ４と定義し、第４領域ＡＲ４内のＭｇ濃度が最小のピーク位置を図中、Ｂ１としたとき、当該第４領域ＡＲ４において、Ｍｇ濃度が、３×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上であり、且つ、第４領域ＡＲ４におけるＭｇ濃度の最大値と最小値との差が１．５×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下であるものであるといえる。
ここでいうピーク位置とは、Ｍｇ濃度が極大値又は極小値をとる部分であり、Ｍｇ濃度曲線は、複数のピーク位置を有し得る。また、ピークＰ１は、第２領域のピークのうち最も第２領域と第３領域の境界に近い極大値であるピークであり、Ｐ２は第３領域のピークのうち最も第２領域と第３領域の境界に近い極大値であるピークである。また、ピークＢ１は、第４領域においてＭｇ濃度が極小値をとり、かつ、Ｍｇ濃度が第４領域において最小であるピークである。
なお、上記の第４領域を規定するＰ１及びＰ２に関して、Ｐ１は第２領域において第２領域と第３領域との境界に最も近いピークでなくともよく、Ｐ２は第３領域において第２領域と第３領域との境界に最も近いピークでなくともよい。その他のピークを用いて第４領域を規定してもよい。例えば、第２領域及び第３領域の各々のピークのうち、Ｍｇ濃度が最大のピーク位置をＰ１及びＰ２としてもよい。なお、上記した例においては、第４領域におけるＭｇ濃度の最小値がピークＢ１の値すなわち極小値であったが、第４領域におけるＭｇ濃度の最小値は極小値とならない場合もあり得る。例えば、第４領域ＡＲ４におけるＭｇ濃度の最大値と最小値との差を求める際には、極小値であるか否かにかかわらず、第４領域ＡＲ４におけるＭｇ濃度の最小値を用いて最大値との差を求めればよい。
なお、第２領域から第３領域にかけての、平坦なプロファイルとなっている領域としては、例えば、活性層側から第２領域の半分から第３領域までの領域、言い換えれば、ｐ型ＡｌＧａＮ層３５の活性層側から約３ｎｍ相当の位置から１０ｎｍ相当の位置までの領域であるともいえる。また、当該平坦な領域は、少なくとも第２領域と第３領域との境界を含む領域であるともいえる。
図４に示す例においては、第４領域におけるＭｇ濃度の最大値（図中、Ｖ１）は約６．９×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３であり、最小値（図中、Ｖ２）は約６．４×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３であり、その差は約０．５×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３であった。ここで、Ｖ１はピークＰ１の値を指し、Ｖ２はピークＢ１の値を指す。このように、第４領域でＭｇ濃度が狭い範囲に分布している略平坦なプロファイルが得られた。
なお、図４に示す例においては、Ｍｇ濃度曲線のｐ型ＡｌＧａＮ層３５の活性層側から約３ｎｍ相当の位置から約１０ｎｍ相当の位置までの領域で平坦であることによって、ｐ型ＡｌＧａＮ層３５のＭｇ濃度曲線の形状が、全体として矩形に近い形状となった。
このようなｐ型ＡｌＧａＮ層３５を含む面発光レーザ１０の素子寿命は５４００時間であった。ここで、素子寿命は、初期の光出力（１００％）から、半分の光出力（５０％）に達するまでの時間を指している。
［Ａｌ組成曲線］
図４に示すＡｌ組成曲線は、第２領域ＡＲ２にピークを有している。より詳細には、Ａｌ組成曲線によって示されるＡｌ組成の各領域内の平均値を各領域間で比較すると、第２領域ＡＲ２が最も大きく、第３領域ＡＲ３が次に大きく、第１領域ＡＲ１が最も小さくなっている（第１領域ＡＲ１＜第３領域ＡＲ３＜第２領域ＡＲ２）。
Ｍｇ濃度が低い領域でＡｌ組成を大きくすると、動作電圧が高くなるので、Ｍｇ濃度が低い第１領域ＡＲ１では、Ａｌ組成も低くして、動作電圧の上昇を抑制している。
また、第２領域ＡＲ２のＡｌ組成を最も高くすることで、障壁電位を高め、電子キャリアのオーバーフローを抑制することができる。
さらに、ｐ型ＡｌＧａＮ層全体のＡｌ組成を高くするのではなく、第２領域ＡＲ２のＡｌ組成のみを最も高くすることで、Ａｌ組成の高い層と、隣接するＧａＮ層との間の格子不整合によるクラックの発生も抑制することができる。
以上、説明したように、本実施例の面発光レーザ１０は、基板上に積層された第１の多層膜反射鏡と、第１の多層膜反射鏡上に形成されたｎ型窒化物半導体層と、ｎ型窒化物半導体層上に形成された活性層と、活性層上に形成され、ｐ型のドーパントとしてＭｇを含み、Ａｌ組成の異なる３つのＡｌＧａＮ層が積層された構成を有するｐ型ＡｌＧａＮ層と、ｐ型ＡｌＧａＮ層上に形成されたｐ型窒化物半導体層と、ｐ型半導体層上に形成され、第１の多層膜反射鏡に対向する位置に設けられた第２の多層膜反射鏡と、を含んで構成されている。
上記説明したように、本願発明の面発光レーザにおけるｐ型ＡｌＧａＮ層は、Ａｌ組成曲線によって示されるＡｌ組成の上記説明した各領域間の大小関係が、第１領域＜第３領域＜第２領域であり、Ｍｇ濃度曲線によって示されるＭｇ濃度がｐ型ＡｌＧａＮ層の層厚の全体に亘って１．２×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満であり、かつ、Ｍｇ濃度が第１乃至第３領域のうち第１領域において最も小さく、第２領域内のＭｇ濃度のピーク位置のうち濃度が最大であるピーク位置から第３領域内のＭｇ濃度のピーク位置のうち濃度が最大であるピーク位置までの領域を第４領域とし、第４領域において、Ｍｇ濃度が３×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上であり、且つ、第４領域におけるＭｇ濃度の最大値と最小値との差が１．５×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下であるという特徴を有している。
異なった観点から見れば、本願発明の面発光レーザにおけるｐ型ＡｌＧａＮ層は、Ａｌ組成曲線によって示されるＡｌ組成の各領域間の大小関係が、第１領域＜第３領域＜第２領域であり、Ｍｇ濃度曲線によって示されるＭｇ濃度は前記ｐ型ＡｌＧａＮ層の層厚の全体に亘って１．２×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満であり、かつ、前記Ｍｇ濃度は前記第１乃至第３領域のうち前記第１領域において最も小さく、第２領域から第３領域にかけて、前記Ｍｇ濃度が、３×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上８×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満である領域を有するという特徴を有している。
上記のような構成により、本願発明の面発光レーザにおけるｐ型ＡｌＧａＮ層は、層厚方向における適切な領域に適切な量のＭｇが含有されている。具体的には、本実施例のｐ型ＡｌＧａＮ層は、ＳＩＭＳプロファイルにおいて、活性層に近い第１領域においては最も低いＭｇ濃度を示し、第２領域から第３領域にかけての領域、例えば上記の第４領域においては３×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上の必要十分な量のＭｇ濃度を示す。それによって、ｐ型ＡｌＧａＮ層における充分な正孔キャリア濃度を確保しつつも、過剰なＭｇに起因する素子寿命の低下を抑制することができる。
従って、本実施例の面発光レーザ１０によれば、高いキャリアの注入効率を確保しつつ素子の寿命の低下を抑制することができ、長寿命かつ高効率な垂直共振器型発光素子を提供することができる。
図５及び図６を参照しつつ、面発光レーザ１０の製造方法の一例について説明する。図５は、面発光レーザ１０の製造工程の概要を示すフローチャートである。各半導体層の形成は、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ：metal organic chemical vapor deposition）によって行った。
まず、基板１１上に、下地層１３を形成し、下地層１３上に、第１の多層膜反射鏡１５を形成した（ステップＳ１１）。
成長基板である基板１１にはＣ面ＧａＮ基板を用いた。なお、図示しないが、半導体層の成長装置において、基板１１はサセプタ上に配置されている。そして、サセプタの下に熱電対が配置されており、その熱電対の温度を本願明細書における「基板温度」としている。また、本明細書において、「成長温度」とは、基板温度を指す。
ステップＳ１１において、まず、基板１１の温度を１２００℃まで上昇させ、水素キャリアガス（雰囲気ガス）内で、トリメチルガリウム（以下、ＴＭＧと称する）、アンモニア（ＮＨ３）ガスを供給してアンドープＧａＮからなる下地層１３を１００ｎｍ成長した。なお、ホモエピタキシャル成長の場合、必ずしも下地層１３を積層する必要はなく任意である。
続いて第１の多層膜反射鏡１５の形成を行った。下地層１３上にＩｎＡｌＮ／ＧａＮの積層体からなる半導体ＤＢＲ（Distributed Bragg reflectors：分布ブラッグ反射器）を成長した。
まず、下地層１３上にＩｎＡｌＮ層を成長した。基板温度を９５０℃、キャリアガスを窒素（Ｎ２）ガスとし、インジウムの材料ガスであるトリメチルインジウム（以下、ＴＭＩと称する）、アルミニウムの材料ガスであるトリメチルアルミニウム（以下、ＴＭＡと称する）及びアンモニアガスを供給し、ＩｎＡｌＮ層を成長した。
続いて、ＩｎＡｌＮ層上にＧａＮ層を成長した。基板温度を１１００℃まで上昇させ、キャリアガスを水素ガスに変更し、ガリウムの材料ガスであるトリメチルガリウム（以下、ＴＭＧと称する）とアンモニアガスを供給し、ＩｎＡｌＮ層上にＧａＮ層を形成した。
その後、上記のＩｎＡｌＮ層を成長する工程及びＧａＮ層を成長する工程をさらに４０回繰り返し、ＩｎＡｌＮ層とＧａＮ層とのペアを合計で４１ペア積層した。ＡｌＩｎＮ及びＧａＮは、基板１１の結晶面の（０００１）面上に層状に形成され、各々の層厚が所望の波長に対する光学的層厚の１／４になるように形成した。
その後、第１の多層膜反射鏡１５上にｎ型半導体層１７を形成した（ステップＳ１２）。ステップＳ１２において、基板温度１２００℃、キャリアガスを水素ガスとして、ガリウムの材料ガスとしてのＴＭＧ、窒素源ガスとしてのアンモニアガス及びｎ型ドーパントの材料ガスでありシリコン含有ガスとしてのジシラン（Ｓｉ２Ｈ６）を供給し、第１の多層膜反射鏡１５上に、Ｓｉを３×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３ドープしたｎ型ＧａＮ層を１５００ｎｍ形成した。
ｎ型半導体層１７の形成後、ｎ型半導体層１７上に、活性層１９を積層した（ステップＳ１３）。ステップＳ１３において、ｎ型半導体層１７上に、多重量子井戸層（以下、ＭＱＷ：Multi Quantum Well）を形成した。障壁層及び井戸層はＩｎｘＡｌｙＧａ１－ｘ－ｙＮからなる。本実施例では、井戸層として３ｎｍのノンドープＩｎＧａＮ（ｙ＝０）、障壁層として４ｎｍのノンドープＧａＮ（ｘ＝ｙ＝０）、を５回繰り返して積層し、５ペアから成るＭＱＷを形成した。ここで、Ｉｎの組成比ｘは、発振波長によって適宜調整することができる。
活性層１９の形成後、活性層１９上にｐ型半導体層２３を形成した（ステップＳ１４）。なお、ステップ１４において、活性層１９上に、中間層２１として１３０ｎｍの層厚でＧａＮ層を形成し、中間層２１上にｐ型半導体層２３を形成した。
ステップＳ１４において、ｐ型半導体層２３として、ｐ型ＡｌＧａＮ層３５、ｐ型窒化物半導体層３７及びｐ型コンタクト層４５をこの順に形成した。ここで、図６を参照し、ｐ型ＡｌＧａＮ層３５の成長方法について詳細に説明する。
図６は、面発光レーザ１０のｐ型ＡｌＧａＮ層３５の成長シーケンス（ｐ型ＡｌＧａＮ層成長ステップ）を模式的に示す図である。図６において、横軸は時間Ｔを示している。また、図６中の縦軸は基板温度Ｔｓを示している。図６中、基板温度Ｔｓの経時変化とともに、供給ガス種毎に、供給されているか否かを表すＯＮ状態又はＯＦＦ状態が示されている。また、供給ガス種のうち、Ａlの材料ガス（ＴＭＡ）及びＭｇの材料ガス（ビスシクロペンタジエニルマグネシウム（以下、Ｃｐ２Ｍｇ））については、ＯＮ状態のうち、大きい供給量で供給されている場合についてＯＮ（Ｈｉｇｈ）、小さい供給量で供給されている場合についてＯＮ（Ｌｏｗ）と示している。
図６に示すように、第１～第３の成長ステップ（図中、ＳＴＥＰ１～３）の３つのステップによってｐ型ＡｌＧａＮ層３５を成長した。ｐ型ＡｌＧａＮ層３５の層厚の設計値は１０ｎｍである。
まず、第１の成長ステップ（図中、ＳＴＥＰ１）では、基板温度をＴＰ１（９５０℃、第１の温度）からＴＰ２（１０００℃、第２の温度）まで３０秒かけて（Ｔ１～Ｔ２）上昇させつつ、キャリアガスを窒素ガス及びアンモニアガスとして、Ａｌの材料ガスであるＴＭＡを９．４ｓｃｃｍ（Standard Cubic Centimeter per Minute）（第１の供給量、図中、ＯＮ（high））、Ｇａの材料ガスであるＴＭＧを１．６ｓｃｃｍで供給し、さらにＭｇの材料ガス（Ｃｐ２Ｍｇ）を３７．２ｓｃｃｍ（第２の供給量、図中、ＯＮ（high））で供給して第１のｐ型ＡｌＧａＮ層３９を成長した。なお、アンモニアガスは、ｐ型ＡｌＧａＮ層３５の窒素源となる。第１のｐ型ＡｌＧａＮ層の層厚の設計値は、０．８ｎｍである。また、第１のｐ型ＡｌＧａＮ層のＡｌ組成の設計値は、２５％である。
第２の成長ステップ（図中、ＳＴＥＰ２）では、ステップ２－１及びステップ２－２の２つのステップに分けて、第２のｐ型ＡｌＧａＮ層４１を成長した。第２のｐ型ＡｌＧａＮ層の層厚の設計値は、５．２ｎｍである。また、第２のｐ型ＡｌＧａＮ層４１のＡｌ組成の設計値は、４２％である。なお、ステップ２－１は、１０００℃に達した時点（Ｔ２）から開始するものと規定する。
維持ステップとしてのステップ２－１において、基板温度をＴＰ２（１０００℃）に維持し、ＴＭＡ、ＴＭＧ、アンモニアガス、窒素ガス及びＣｐ２Ｍｇを、第１の成長ステップにおける供給量を維持して継続して供給し、第２のｐ型ＡｌＧａＮ層を設計値で２．６ｎｍ成長した（Ｔ２～Ｔ３（第１の成長時間）１１８秒）。第２の成長ステップにおいて、ＴＭＡは第１の供給量、Ｃｐ２Ｍｇは第２の供給量を維持して供給した。
続いて、時間Ｔ３になると、ステップ２－２を開始した。Ｍｇ低供給ステップとしてのステップ２－２において、基板温度をＴＰ２に維持し、ＴＭＡ、ＴＭＧ、アンモニアガス及び窒素ガスについてはステップ２－１の供給量を維持しつつ、Ｃｐ２Ｍｇを第２の供給量よりも小さい２．５ｓｃｃｍ（第３の供給量、図中、ＯＮ（Low））で供給して第２のｐ型ＡｌＧａＮ層を設計値で２．６ｎｍ成長した（Ｔ３～Ｔ４（第２の成長時間）１１８秒）。
つまり、第２の成長ステップは、Ｍｇの材料ガスの供給量を途中で変更するステップであり、具体的には、ステップ２－１とステップ２－２との間でＭｇの材料ガスの供給量を下げるステップである。本実施例においては、ステップ２－２の最初にＭｇの材料ガスであるＣｐ２Ｍｇの供給量を３７．２ｓｃｃｍから２．５ｓｃｃｍに変更した。
Ｃｐ２Ｍｇの供給量はこれに限られないが、ステップ２－２における供給量をステップ２－１における供給量の１０分の１以下とすることが好ましい。
時間Ｔ４になると、第３の成長ステップ（図中、ＳＴＥＰ３）を開始した。第３の成長ステップでは、基板温度をＴＰ２に維持し、ＴＭＧ、窒素ガス及びアンモニアガスの供給量を維持しつつ、ＴＭＡを第１の供給量よりも小さい４．９ｓｃｃｍ（第４の供給量、図中、ＯＮ（Low））、Ｃｐ２Ｍｇを第２の供給量よりも小さい２．５ｓｃｃｍ（第５の供給量、図中、ＯＮ（Low））で供給して第３のｐ型ＡｌＧａＮ層４３を成長した（Ｔ４～Ｔ５、１９４秒）。第３のｐ型ＡｌＧａＮ層の層厚の設計値は、４ｎｍである。また、第３のｐ型ＡｌＧａＮ層４３のＡｌ組成の設計値は、２８％である。
本実施例においては、第３の成長ステップにおけるＭｇの材料ガス（Ｃｐ２Ｍｇ）の供給量を第２の成長ステップのステップ２－２における供給量（第３の供給量）と同じ２．５ｓｃｃｍとしたが、これに限られない。第３の成長ステップにおけるＭｇの材料ガスの供給量は、ステップ２－１の供給量（第２の供給量）よりも小さければよく、１０分の１以下であることが好ましい。
以上のようにして、設計値１０ｎｍのｐ型ＡｌＧａＮ層３５を形成した。上記したように、ｐ型ＡｌＧａＮ層３５の形成過程において、Ｍｇの材料ガスの供給量は、第１の成長ステップ（設計値０．８ｎｍ）及び第２の成長ステップのステップ２－１（設計値２．６ｎｍ）の後、すなわち、設計値で３．４ｎｍまで成長後、それまでの供給量の十分の１以下まで低くなり、その後はｐ型ＡｌＧａＮ層３５の成長終了まで低いままである。
しかし、図４に示したＭｇ濃度曲線のｐ型ＡｌＧａＮ層の領域では、第１領域から第３領域にかけて、すなわち成長方向において、大きく低下する傾向はみられず、Ｍｇの材料ガスの供給シーケンスに対応していない。
これは、Ｍｇのメモリー効果によるものである。ＭＯＣＶＤ法では、Ｍｇドーパントの固相熱拡散やチャンバ内等に残存するＭｇ原料が意図せず膜中に混入するメモリー効果と呼ばれる現象が起こることが知られている。
例えば第３の成長ステップにおいて形成された膜中のＭｇ量は、第３の成長ステップにおいて供給されるＣｐ２Ｍｇの供給量に応じた量よりも多くなる。これは、メモリー効果により、第２の成長ステップまでに形成された下層から熱拡散してくるＭｇや、チャンバ内に残存していたＭｇが膜中に混入したものが加わった量になるからであると考えられる。
上記の成長シーケンスは、このようなＭｇの特性を考慮して、所望のＳＩＭＳプロファイルが得られるようにＭｇの原料ガスの供給量を調整したものである。具体的には、第２の成長ステップのステップ２－２におけるＣｐ２Ｍｇの供給量（第３の供給量）及び第３の成長ステップにおけるＣｐ２Ｍｇの供給量（第５の供給量）を第２の成長ステップのステップ２－１におけるＣｐ２Ｍｇの供給量（第２の供給量）の１０分の１以下にすることで、メモリー効果によってＭｇ濃度が高くなりすぎないようにしている。具体的には、例えば、ｐ型ＡｌＧａＮ層３５の全体に亘って１．２×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３を越えないようにしている。
このような制御によって、上記した第２領域ＡＲ２から第３領域ＡＲ３にかけて、Ｍｇ濃度が３×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上であり、且つ、平坦なＭｇ濃度曲線が得られた。具体的には、上記した第４領域におけるＭｇ濃度の最大値と最小値との差が１．５×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下であるＭｇ濃度曲線が得られた。当該Ｍｇ濃度曲線は、例えば、第４領域におけるＭｇ濃度の最大値と最小値との差が１．５×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下であるか否かにかかわらず、第２領域から第３領域にかけてて、Ｍｇ濃度が、３×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上８×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満である領域を有するものであってもよい。
なお、第１の成長ステップと第２の成長ステップ（ＳＴＥＰ２－１）とでＭｇ材料ガスの供給量は変わっていないが、成長温度は第２の成長ステップの方が高くなっている。基板温度が高いほどＣＰ２Ｍｇの分解効率が高くなりＭｇが成長層内に取り込まれ易いことにより、Ｍｇ濃度曲線においては第１領域のＭｇ濃度が低く抑えられ、第２領域でＭｇ濃度が上昇している。さらに、第１領域から第２領域にかけてＭｇ濃度が上昇していることには、基板温度の影響に加えて、上述のメモリー効果も関係していると考えられる。
なお、ステップ２－１の成長時間はステップ２－２の成長時間以下とすることが好ましい。それによって、メモリー効果によるＭｇ濃度の上昇を抑制できるからである。
また、ｐ型ＡｌＧａＮ層を成長する際のキャリアガスとして水素ガスを用いることも考えられるが、水素雰囲気と比較して、窒素雰囲気では、Ｍｇ材料のウェハへの原料輸送が低下するため、Ｍｇ材料ガスの供給量が同じであっても、膜中へのＭｇの混入が抑制される。
例えば、上述したように、第１のｐ型ＡｌＧａＮ層では、Ｍｇ濃度を特に低く抑えることが好ましいため、第１の成長ステップのキャリアガスに窒素ガスを用いることが好ましい。また、Ｍｇ濃度曲線を第２領域及び第３領域において略平坦な形状（全体として矩形形状）に近づけるためのＭｇ濃度の層厚方向における分布の制御性の観点から、第２の成長ステップ及び第３の背成長ステップにおいて、キャリアガスに窒素ガスを用いることが好ましい。
本実施例において、上記のような成長方法の工夫をすることで、図４に示したようなＳＩＭＳプロファイルとなるｐ型ＡｌＧａＮ層３５を形成することができる。それによって、面発光レーザ１０の閾値電流密度の上昇を抑制し、寿命の低下も抑制できる。
ｐ型ＡｌＧａＮ層３５の形成後、ｐ型窒化物半導体層３７としてＭｇを５×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３ドープしたｐ型ＧａＮ層を形成した。その後、ｐ型窒化物半導体層３７上に、ｐ型コンタクト層４５としてＭｇを５×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上ドープしたｐ型ＧａＮコンタクト層を形成し、ｐ型半導体層２３の形成を終了した。
[素子化工程]
ｐ型半導体層の形成後、急速熱処理（以下、ＲＴＡ：Rapid Thermal Annealing）装置にて熱処理によるＭｇの活性化を行った。その後、フォトレジストによりメサパターンを形成し、ドライエッチングにて、メサ構造を形成しつつ、このメサ構造の周りにｎ型半導体層１７が部分的に露出した露出部１７Ｅ（図１参照）を形成した。その後、フォトレジストを除去した。
スパッタにて絶縁層２７として酸化シリコン（ＳｉＯ２）をメサ構造及び露出部１７Ｅ上に１５０ｎｍ形成した。フォトレジストにてパターンを形成し、バッファードフッ酸（以下、ＢＨＦ）にてエッチング処理し、メサ構造上の絶縁層２７に光の出射開口部として開口部ＯＰを形成した。その後、フォトレジストを除去した。
スパッタにて透光性電極２９として酸化インジウムスズ（以下、ＩＴＯ：Indium Tin Oxide）を約１７ｎｍ形成した。フォトレジストにてパターンを形成し、混酸にてＩＴＯをエッチング処理し、メサ構造上の絶縁層２７上及び絶縁層２７の開口部ＯＰによって露出したｐ型コンタクト層４５上に透光性電極２９を形成した。その後、フォトレジストを除去し、ＲＴＡにて熱処理を行い、ＩＴＯの透明化と導電性向上を図った。
電子ビーム（以下、ＥＢ）蒸着にて、透光性電極２９上に開口部を覆わないｐ側メタル層（ｐ電極３３）を約３００ｎｍ形成した。ｐ側メタル層には白金（Ｐｔ）、金（Ａｕ）、チタン（Ｔｉ）の積層体を用いた。次に薬品にてリフトオフした後、フォトレジストを除去した。
フォトレジストにてパターンを形成後、ＥＢ蒸着にて、ｎ型半導体層１７の露出部１７Ｅに電気的に接続されたｎ電極２５を約７００ｎｍ形成した。ｎ電極にはＴｉ、Ａｌ、Ｐｔ、Ａｕの積層体を用いた。薬品にてリフトオフし、フォトレジストを除去した。
ＥＢ蒸着にて、透光性電極２９上に第２の多層膜反射鏡３１としての誘電体多層膜（誘電体多層膜ミラー、誘電体ＤＢＲ）１０．５ペア（約１３００ｎｍ）を形成した。誘電体ＤＢＲには酸化ニオブ（以下、Ｎｂ２Ｏ５、膜厚約４５ｎｍ）とＳｉＯ２（膜厚約７６ｎｍ）の積層体を用いた。次にフォトレジストにて誘電体ＤＢＲパターンを形成し、ドライエッチング装置にて誘電体ＤＢＲの不要部分（ｐ電極上、ｎ電極上）をエッチング除去した。最後に薬品にてフォトレジストを除去した。
フォトレジストにてパターンを形成し、ＥＢ蒸着にて、ｐ電極に電気的に接続された更なるｐ側メタル層（図示せず）を約２２００ｎｍ形成した。ｐ電極（ｐパッド層）にはＴｉ、Ｐｔ、Ａｕの積層体を用いた。次に薬品にてリフトオフし、フォトレジストを除去した。このようにして、素子化を行った（ステップＳ１５）。
以上の工程により、面発光レーザ１０を製造した。なお、上記した製造工程は例示に過ぎず、半導体にドープする元素や各々の部材の寸法等は適宜変更可能である。
図７を参照しつつ、比較例１の従来の面発光レーザのｐ型ＡｌＧａＮ層について説明する。比較例１の面発光レーザは、ｐ型ＡｌＧａＮ層３５に代えて、Ａｌの材料ガス（ＴＭＡ）の供給量を４．９ｓｃｃｍで一定とし、かつ、Ｍｇの材料ガス（Ｃｐ２Ｍｇ）供給量を３７．２ｓｃｃｍで一定とし、層厚の設計値１０ｎｍ、Ａｌ組成の設計値３０％で成長したｐ型ＡｌＧａＮ層を有する点において実施例と異なり、その他の点においては実施例と同様に構成されている。つまり、比較例１のｐ型ＡｌＧａＮ層は、１つのステップで成長したものであり、３つのステップを含む実施例の成長方法とは異なる方法で成長したものである。
図７は、比較例１の面発光レーザのｐ型ＡｌＧａＮ層のＳＩＭＳ分析結果を示す図である。図４に示したグラフと同様に、図７においても、Ａｌ組成の深さ方向の変化を示すＡｌ組成曲線を破線で示し、Ｍｇ濃度の深さ方向の変化を示すＭｇ濃度曲線を実線で示している。また、図４に示した実施例の場合と同様に、Ａｌ組成の最大値の５０％における幅を、ｐ型ＡｌＧａＮ層と規定し、ｐ型ＡｌＧａＮ層３５の活性層側から表面側に向かって、１０％の層厚を有する第１領域ＡＲ１、４０％の層厚を有する第２領域ＡＲ２、５０％の層厚を有する第３領域ＡＲ３に順に区分している。
図７に示すように、Ｍｇ濃度曲線は、第２領域ＡＲ２においてピークを有しており、第２領域ＡＲ２及び第３領域ＡＲ３の大部分において、３×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３を超えている。このように、第２領域においてＭｇ濃度が３×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３を超える高濃度である場合、キャリアの注入効率は高くなるが、Ｍｇの活性層への拡散やＭｇに起因する欠陥の活性層への拡がりも発生し易くなり、それによって素子寿命が低下する。
図８を参照しつつ、比較例２の従来の面発光レーザのｐ型ＡｌＧａＮ層について説明する。比較例２の面発光レーザは、実施例のｐ型ＡｌＧａＮ層３５及び比較例１のｐ型ＡｌＧａＮ層とは異なる方法で成長したｐ型ＡｌＧａＮ層を有している点において実施例及び比較例１と異なり、その他の点においては実施例と同様に構成されている。
比較例２のｐ型ＡｌＧａＮ層は、層厚の全体にわたってＭｇ濃度が３×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満となるように成長されたものである。比較例２において、Ｍｇの最大濃度がそれぞれ０．９×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３、２．０×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３、２．６×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３である３つのサンプルを作製した。
Ｍｇ最大濃度０．９×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３のサンプル（以下、サンプル１と称する）は、Ａｌの材料ガス（ＴＭＡ）の供給量を６．０ｓｃｃｍで一定とし、かつ、Ｍｇの材料ガス（Ｃｐ２Ｍｇ）供給量を４．１ｓｃｃｍで一定とし、層厚の設計値１０ｎｍ、Ａｌ組成の設計値３２％で成長した。
Ｍｇ最大濃度２．０×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３のサンプル（以下、サンプル２と称する）は、Ａｌの材料ガス（ＴＭＡ）の供給量を６．２ｓｃｃｍで一定とし、かつ、Ｍｇの材料ガス（Ｃｐ２Ｍｇ）供給量を５ｎｍの成長までは３７．２ｓｃｃｍ、その後５ｎｍの成長時は２．５ｓｃｃｍで供給し、層厚の設計値１０ｎｍ、Ａｌ組成の設計値３３％で成長した。
Ｍｇ最大濃度２．６×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３のサンプル（以下、サンプル３と称する）は、Ａｌの材料ガス（ＴＭＡ）の供給量を４．９ｓｃｃｍで一定とし、かつ、Ｍｇの材料ガス（Ｃｐ２Ｍｇ）供給量を５ｎｍの成長までは３７．２ｓｃｃｍ、その後５ｎｍの成長時は２．５ｓｃｃｍで供給し、層厚の設計値１０ｎｍ、Ａｌ組成の設計値３０％で成長した。
図８は、比較例２の面発光レーザのｐ型ＡｌＧａＮ層のＳＩＭＳ分析結果を示す図である。図８において、Ａｌ組成の深さ方向の変化を示すＡｌ組成曲線を破線で示している。また、Ｍｇ濃度の深さ方向の変化を示すＭｇ濃度曲線を、サンプル１については二点鎖線、サンプル２については一点鎖線、サンプル３については実線で示している。
図８に示すように、サンプル１～３のＭｇ濃度曲線は、活性層１９から遠い第３領域ＡＲ３にピークを有する傾向があった。活性層から遠い領域にピークが存在することから、Ｍｇの活性層への拡散やＭｇ起因の欠陥の活性層への影響は生じにくい点では好ましい。しかし、サンプル１～３では、第２領域ＡＲ２のＭｇ濃度が不足する傾向があった。それによって、サンプル１～３を用いた面発光レーザでは、Ｍｇによるキャリアオーバーフローの抑制効果が低く、閾値電流密度が高くなる傾向があった。
サンプル３のＭｇ濃度曲線では、Ｍｇの最大濃度が２．５×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３超えている。比較例１よりは低いが、Ｍｇの活性層への拡散やＭｇ起因の欠陥の活性層への影響を防止する観点では、上述した１．２×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満という指標よりも高い。
また、サンプル３のＭｇ濃度曲線は、第２領域ＡＲ２において、活性層に向かって単調減少している。このような場合、第２領域ＡＲ２の殆ど全体において、十分な正孔キャリア濃度を得るための指標の１つとなる３×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３を超えているにも関わらず、正孔キャリア濃度が不足し、電子キャリアのオーバーフローが抑制されにくく、キャリア注入効率が下がり、閾値電流密度が上昇することがわかっている。
サンプル２のＭｇ濃度曲線では、Ｍｇの最大濃度が約２×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３である。サンプル３よりは低いが、上述した１．２×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満という指標よりも高い。
また、サンプル２のＭｇ濃度曲線についても、第２領域ＡＲ２において、活性層に向かってＭｇ濃度が減少しており、３×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３を超えていても正孔キャリア濃度が不足し、電子キャリアのオーバーフローが抑制されにくく、キャリア注入効率が下がり、閾値電流密度が上昇する。
サンプル１のＭｇ濃度曲線では、Ｍｇ最大濃度が低く１×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満であるため、Ｍｇの活性層への拡散やＭｇ起因の欠陥の活性層への影響は生じにくい点で好ましい。しかし、サンプル１は、第２領域ＡＲ２におけるＭｇ濃度はサンプル２の場合よりもさらに低く、３×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満である。従って、サンプル１においても、正孔キャリア濃度が不足し、電子キャリアのオーバーフローが抑制されにくく、キャリア注入効率が下がり、閾値電流密度が上昇する。
図７及び図８を参照して説明したように、比較例１ではＭｇのピーク濃度が３×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上、比較例２ではＭｇのピーク濃度が３×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満のサンプルを作製した。いずれの場合もＭｇによるキャリアオーバーフロー抑制の効果を適切に得られず、素子寿命は数百時間程度であった。
具体的には、比較例１において、Ｍｇのピーク濃度を３×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上とすると、活性層１９に近い第２領域ＡＲ２にＭｇ濃度が高いピークが現れた。このような場合、Ｍｇの活性層への拡散、Ｍｇ起因の欠陥による活性層への影響が大きくなり、それによって素子寿命が低下する。
また、比較例２において、Ｍｇのピーク濃度を３×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下とすると、Ｍｇ濃度曲線のピークが現れる位置が第３領域ＡＲ３となり、第２領域におけるＭｇ濃度が活性層に向かって単調減少した。このような場合、第２領域におけるＭｇ濃度が不足し、正孔キャリアの減少によってキャリア注入効率が低下し、閾値電流密度の上昇につながる。閾値電流密度の上昇も、素子寿命を低下させる。
これに対して、本願発明の面発光レーザにおけるｐ型ＡｌＧａＮ層は、Ｍｇ濃度曲線によって示されるＭｇ濃度が、ｐ型ＡｌＧａＮ層３５の層厚の全体に亘って１×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満であり、第１領域において最も小さく、第２領域内のＭｇ濃度のピーク位置のうち濃度が最大であるピーク位置から第３領域内のＭｇ濃度のピーク位置のうち濃度が最大であるピーク位置までの領域を第４領域とし、当該第４領域において、Ｍｇ濃度が、３×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上であり、且つ、第４領域におけるＭｇ濃度の最大値と最小値との差が１．５×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下である。
また、本願発明の面発光レーザにおけるｐ型ＡｌＧａＮ層は、Ｍｇ濃度曲線によって示されるＭｇ濃度が、ｐ型ＡｌＧａＮ層３５の層厚の全体に亘って１×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満であり、第１領域において最も小さく、第２領域から第３領域にかけて、Ｍｇ濃度が、３×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上８×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満である領域を有する。
このようなＭｇプロファイルを示すｐ型ＡｌＧａＮ層３５は、ｐ型ＡｌＧａＮ層における充分な正孔キャリア濃度を提供しつつも、過剰なＭｇに起因する素子寿命の低下を抑制することができる。このようなＭｇプロファイルを示すｐ型ＡｌＧａＮ層３５は、図６に示したような３つのステップを含む方法によって成長することで実現できた。
上記の比較例２に示したしたように、従来は、Ｍｇのピーク濃度が３×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下で第２領域よりも第３領域のＭｇ濃度が高くなる傾向及び第２領域のＭｇが不足する傾向があり、第２領域のＭｇ濃度を高くすると、第３領域のＭｇがさらに高くなってしまい、第３領域のＭｇ濃度が過剰となる傾向があった。本実施例においては、Ｍｇのメモリー効果を考慮して、Ｍｇの材料ガスの供給量をコントロールすることによって第２領域のＭｇ濃度を高めかつ第３領域のＭｇ濃度が過剰にならないようにすることができた。
その結果、第２領域から第３領域にかけて、平坦に近い（略平坦な）プロファイルが得られた。そのようなｐ型ＡｌＧａＮ層３５を含む面発光レーザ１０の素子寿命は従来のものよりも大きく向上することがわかった。具体的には、上述したように、従来の面発光レーザの素子寿命は数百時間程度であったのに対して、本実施例の面発光レーザ１０の素子寿命は５４００時間であった。
なお、上記の実施例において、ｐ型ＡｌＧａＮ層の層厚が１０ｎｍである例について説明したが、これに限られない。ｐ型ＡｌＧａＮ層の層厚は、７ｎｍ以上１５ｎｍ以下であることが好ましい。層厚が８ｎｍ未満では電子キャリアのオーバーフローが生じ易くなり、閾値電流密度が上昇し易くなる。層厚が１５ｎｍを越えると、クラックの発生や動作電圧の上昇を招くおそれがある。
なお、本実施例において、第１のｐ型ＡｌＧａＮ層の層厚は、０．４ｎｍ以上１ｎｍ以下とすることが好ましい。０．４ｎｍ未満ではＭｇの活性層への拡散やＭｇに起因する欠陥の活性層への拡がりを防止する効果が乏しく、１ｎｍを越えると素子電圧の上昇を招くおそれがある。
本実施例において、第１のｐ型ＡｌＧａＮ層のＡｌ組成の設計値は、２５％以下とすることが好ましい。Ａｌ組成が２５％を超えると、素子電圧が上昇するおそれがあるからである。
また、本実施例において、第２のｐ型ＡｌＧａＮ層のＡｌ組成の設計値は、２３％以上５０％以下とすることが好ましい。Ａｌ組成が２３％未満では電子キャリアのオーバーフローが生じ易くなり、閾値電流密度が上昇し易くなる。Ａｌ組成が５０％を超えると、ｐ型ＡｌＧａＮ層の結晶性の低下、クラックの発生、動作電圧の上昇等の影響が大きくなる。
また、本実施例において、第２のｐ型ＡｌＧａＮ層の層厚は、３ｎｍ以上７ｎｍ以下とすることが好ましい。３ｎｍ未満では第２領域のＭｇ濃度を３×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上とすることが困難であり、６ｎｍを越えると素子電圧が顕著に上昇する場合がある。
また、本実施例において、第３のｐ型ＡｌＧａＮ層のＡｌ組成の設計値は、１２％以上３０％以下とすることが好ましい。第３のｐ型ＡｌＧａＮ層のＡｌ組成をこの範囲にすることで、第２のｐ型ＡｌＧａＮ層とともに電子キャリアのオーバーフローを抑制しつつ、クラックの発生や動作電圧の上昇も抑制することができる。
なお、上記の実施例において、Ａｌ組成曲線によって示される第２領域におけるＡｌ組成の平均値と第３領域におけるＡｌ組成の平均値との差は、３％以上１８％以下であることが好ましい。
第２領域と第３領域との間でＡｌ組成の平均値の差が３％以上になると、第２領域のＭｇ濃度の最大ピーク位置と第３領域のＭｇ濃度の最大ピーク位置との間の第４領域において、Ｍｇ濃度の最大値と最小値との差が１．５×１０１８／ｃｍ３以下を満足しやすくなる。すなわち、Ｍｇ濃度が第３領域と第２領域近の境界付近で略平坦な形状（略同量）になりやすく、閾値電流密度の上昇を抑制するため好ましい。さらにＡｌ組成の平均値の差が８％以上になると、第４領域において、Ｍｇ濃度が５×１０１８／ｃｍ３以上を保ちやすくなるため好ましい。一方、前記Ａｌ組成の平均値の差が１８％を超えると、結晶性の悪化が生じ始めるため好ましくない。
なお、上記の実施例において、窒化物半導体多層膜を下部の反射鏡として用いている。ＡｌＩｎＮを含む窒化物半導体多層膜は熱伝導率が低いので、共振器長を長くしている関係で、窒化物半導体多層膜を反射鏡とする面発光レーザでは特に閾値電流密度が高くなりやすく、それによってキャリアオーバーフローが起きやすい傾向がある。従って、ＡｌＩｎＮを含む窒化物半導体を反射鏡に用いた垂直共振器型発光素子に本発明を適用することは有効である。
上述した実施例及び製造方法における構成は例示に過ぎず、用途等に応じて適宜変更可能である。
１０ 面発光レーザ
１１ 基板
１５ 第１の多層膜反射鏡
１７ ｎ型半導体層
１９ 活性層
２１ 中間層
２３ ｐ型半導体層
２５ ｎ電極
２７ 絶縁層
２９ 透光性電極
３１ 第２の多層膜反射鏡
３３ ｐ電極
３５ ｐ型ＡｌＧａＮ層
３７ ｐ型窒化物半導体層
４５ ｐ型コンタクト層

Claims (13)

  1. 基板と、
    前記基板上に、屈折率が互いに異なる２つの半導体層が交互に複数回繰り返し積層された半導体多層膜である第１の多層膜反射鏡と、
    前記第１の多層膜反射鏡上に形成され、ｎ型のドーパントを含む窒化物半導体からなるｎ型窒化物半導体層と、
    前記ｎ型窒化物半導体層上に形成された活性層と、
    前記活性層上に形成され、ｐ型のドーパントとしてＭｇを含み、Ａｌ組成の異なる３つ以上のＡｌＧａＮ層が積層された構成を有するｐ型ＡｌＧａＮ層と、
    前記ｐ型ＡｌＧａＮ層上に形成され、ｐ型のドーパントを含む窒化物半導体からなる半導体層であるｐ型窒化物半導体層と、
    前記ｐ型窒化物半導体層上に形成され、前記第１の多層膜反射鏡に対向する位置に設けられた第２の多層膜反射鏡と、を含み、
    前記ｐ型ＡｌＧａＮ層の二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ）による分析によって、前記ｐ型ＡｌＧａＮ層中のＡｌ組成の層厚方向における変化を示すＡｌ組成曲線及び前記ｐ型ＡｌＧａＮ層中のＭｇ濃度の層厚方向の変化を示すＭｇ濃度曲線のうち、
    前記Ａｌ組成曲線のピーク値の５０％における幅の範囲を前記ｐ型ＡｌＧａＮ層と規定し、前記ｐ型ＡｌＧａＮ層をその層厚方向に、前記活性層側から前記ｐ型ＡｌＧａＮ層の１／１０の層厚を有する第１領域、前記ｐ型ＡｌＧａＮ層の２／５の層厚を有する第２領域及び前記ｐ型ＡｌＧａＮ層の１／２の層厚を有する第３領域、に順に区分したとき、
    前記Ａｌ組成曲線によって示されるＡｌ組成の各領域間の大小関係は、前記第１領域＜前記第３領域＜前記第２領域であり、
    前記Ｍｇ濃度曲線によって示されるＭｇ濃度は前記ｐ型ＡｌＧａＮ層の層厚の全体に亘って１．２×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満であり、かつ、前記Ｍｇ濃度は前記第１乃至第３領域のうち前記第１領域において最も小さく、
    前記第２領域内のＭｇ濃度のピーク位置のうち濃度が最大であるピーク位置から前記第３領域内のＭｇ濃度のピーク位置のうち濃度が最大であるピーク位置までの領域を第４領域とし、前記第４領域において、前記Ｍｇ濃度が、３×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上であり、且つ、前記第４領域における前記Ｍｇ濃度の最大値と最小値との差が１．５×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下であることを特徴とする垂直共振器型発光素子。
  2. 基板と、
    前記基板上に、屈折率が互いに異なる２つの半導体層が交互に複数回繰り返し積層された半導体多層膜である第１の多層膜反射鏡と、
    前記第１の多層膜反射鏡上に形成され、ｎ型のドーパントを含む窒化物半導体からなるｎ型窒化物半導体層と、
    前記ｎ型窒化物半導体層上に形成された活性層と、
    前記活性層上に形成され、ｐ型のドーパントとしてＭｇを含み、Ａｌ組成の異なる３つ以上のＡｌＧａＮ層が積層された構成を有するｐ型ＡｌＧａＮ層と、
    前記ｐ型ＡｌＧａＮ層上に形成され、ｐ型のドーパントを含む窒化物半導体からなる半導体層であるｐ型窒化物半導体層と、
    前記ｐ型窒化物半導体層上に形成され、前記第１の多層膜反射鏡に対向する位置に設けられた第２の多層膜反射鏡と、を含み、
    前記ｐ型ＡｌＧａＮ層の二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ）による分析によって、前記ｐ型ＡｌＧａＮ層中のＡｌ組成の層厚方向における変化を示すＡｌ組成曲線及び前記ｐ型ＡｌＧａＮ層中のＭｇ濃度の層厚方向の変化を示すＭｇ濃度曲線のうち、
    前記Ａｌ組成曲線のピーク値の５０％における幅の範囲を前記ｐ型ＡｌＧａＮ層と規定し、前記ｐ型ＡｌＧａＮ層をその層厚方向に、前記活性層側から前記ｐ型ＡｌＧａＮ層の１／１０の層厚を有する第１領域、前記ｐ型ＡｌＧａＮ層の２／５の層厚を有する第２領域及び前記ｐ型ＡｌＧａＮ層の１／２の層厚を有する第３領域、に順に区分したとき、
    前記Ａｌ組成曲線によって示されるＡｌ組成の各領域間の大小関係は、前記第１領域＜前記第３領域＜前記第２領域であり、
    前記Ｍｇ濃度曲線によって示されるＭｇ濃度は前記ｐ型ＡｌＧａＮ層の層厚の全体に亘って１．２×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満であり、かつ、前記Ｍｇ濃度は前記第１乃至第３領域のうち前記第１領域において最も小さく、
    前記第２領域から前記第３領域にかけて、前記Ｍｇ濃度が、３×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上８×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満である領域を有することを特徴とする垂直共振器型発光素子。
  3. 前記第４領域において、前記Ｍｇ濃度が８×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満であることを特徴とする請求項１に記載の垂直共振器型発光素子。
  4. 前記第４領域におけるＭｇ濃度の最大値と最小値との差が１．５×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下であることを特徴とする請求項２に記載の垂直共振器型発光素子。
  5. 前記Ｍｇ濃度曲線によって示される前記ｐ型ＡｌＧａＮ層中のＭｇ濃度は前記層厚の全体に亘って１×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満であることを特徴とする請求項１又は２に記載の垂直共振器型発光素子。
  6. 前記Ｍｇ濃度曲線によって示される前記第１領域におけるＭｇ濃度が２×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満であることを特徴とする請求項１又は２に記載の垂直共振器型発光素子。
  7. 前記Ａｌ組成曲線によって示される、前記第２領域におけるＡｌ組成と前記第３領域におけるＡｌ組成との差は、３％以上１８％以下であることを特徴とする請求項１又は２に記載の垂直共振器型発光素子。
  8. 垂直共振器型発光素子を製造する方法であって、
    有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）により、
    基板上に、屈折率が互いに異なる２つの半導体層を交互に成長させて第１の多層膜反射鏡を形成するステップと、
    ｎ型ドーパントの材料ガスを供給しつつ前記第１の多層膜反射鏡上にｎ型窒化物半導体層を成長させるｎ型窒化物半導体層成長ステップと、
    前記ｎ型窒化物半導体層上に活性層を形成するステップと、
    ｐ型ドーパントとしてＭｇの材料ガスを供給しつつ前記活性層上に、ｐ型の導電型を有するＡｌＧａＮ層であるｐ型ＡｌＧａＮ層を成長させるｐ型ＡｌＧａＮ層成長ステップと、
    前記ｐ型ＡｌＧａＮ層上にｐ型窒化物半導体層を成長させるｐ型窒化物半導体層成長ステップと、
    前記ｐ型窒化物半導体層上に前記第１の多層膜反射鏡に対向する第２の多層膜反射鏡を形成するステップと、を含み、
    前記ｐ型ＡｌＧａＮ層成長ステップは、
    第１の温度から第２の温度まで昇温しつつ、窒素源ガス及びＧａの材料ガスを所定の供給量で供給し、Ａｌの材料ガスを第１の供給量で供給し、前記Ｍｇの材料ガスを第２の供給量で供給して第１のｐ型ＡｌＧａＮ層を成長する第１の成長ステップと、
    前記第１の成長ステップの後、
    前記第１の成長ステップにおける前記窒素源ガス、前記Ｇａの材料ガス及び前記Ａｌの材料ガスの供給量を維持しつつ、前記Ｍｇの材料ガスの供給量を前記第２の供給量のまま第１の成長時間維持する維持ステップと、その後、前記Ｍｇの材料ガスの供給量を前記第２の供給量よりも低い第３の供給量に変更して第２の成長時間維持するＭｇ低供給ステップとによって第２のｐ型ＡｌＧａＮ層を成長する第２の成長ステップと、
    前記第２の成長ステップの後、前記Ａｌの材料ガスを前記第１の供給量よりも低い第４の供給量で供給し、かつ、前記Ｍｇの材料ガスを前記第２の供給量よりも低い第５の供給量で供給しつつ第３のｐ型ＡｌＧａＮ層を成長する第３の成長ステップと、
    を含むことを特徴とする製造方法。
  9. 前記第３の供給量は、前記第２の供給量の１０分の１以下であることを特徴とする請求項８に記載の製造方法。
  10. 前記第１の成長時間は、前記第２の成長時間以下であることを特徴とする請求項８に記載の製造方法。
  11. 前記第５の供給量は、前記第２の供給量の１０分の１以下であることを特徴とする請求項８に記載の製造方法。
  12. 前記ｐ型ＡｌＧａＮ層成長ステップにおいて、雰囲気ガスが窒素ガスであることを特徴とする請求項８に記載の製造方法。
  13. 請求項９に記載の製造方法によって製造された垂直共振器型発光素子。
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JP2006324690A (ja) * 1997-07-30 2006-11-30 Fujitsu Ltd 半導体レーザ、半導体発光素子、及び、その製造方法
KR101422452B1 (ko) * 2009-12-21 2014-07-22 가부시끼가이샤 도시바 질화물 반도체 발광 소자 및 그 제조 방법
JP5607106B2 (ja) * 2012-05-15 2014-10-15 株式会社東芝 窒化物半導体発光素子およびその製造方法
US8964807B1 (en) * 2013-05-09 2015-02-24 Soraa Laser Diode, Inc. Magnesium based gettering regions for gallium and nitrogen containing laser diode devices
JP6966843B2 (ja) * 2017-02-08 2021-11-17 スタンレー電気株式会社 垂直共振器型発光素子
JP7228176B2 (ja) * 2017-11-10 2023-02-24 豊田合成株式会社 Ｉｉｉ族窒化物半導体発光素子
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