JP3282175B2 - 窒化物半導体素子 - Google Patents
窒化物半導体素子Info
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- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
- Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy
Landscapes
- Semiconductor Lasers (AREA)
- Led Devices (AREA)
- Light Receiving Elements (AREA)
- Photovoltaic Devices (AREA)
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明はＬＥＤ（発光ダイオー
ド）、ＬＤ（レーザダイオード）等の発光素子、あるい
は太陽電池、光センサー等の受光素子、あるいはトラン
ジスタ、集積回路等に使用される窒化物半導体（ＩｎX
ＡｌYＧａ1-X-YＮ、０≦X、０≦Y、X＋Y≦１）よりなる
素子に関する。
ド）、ＬＤ（レーザダイオード）等の発光素子、あるい
は太陽電池、光センサー等の受光素子、あるいはトラン
ジスタ、集積回路等に使用される窒化物半導体（ＩｎX
ＡｌYＧａ1-X-YＮ、０≦X、０≦Y、X＋Y≦１）よりなる
素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】窒化物半導体は高輝度青色ＬＥＤ、純緑
色ＬＥＤの材料として、フルカラーＬＥＤディスプレ
イ、交通信号等で最近実用化されたばかりである。これ
らの各種デバイスに使用されるＬＥＤは、ｎ型窒化物半
導体層とｐ型窒化物半導体層との間に、単一量子井戸構
造（ＳＱＷ：Single-Quantum- Well）のＩｎＧａＮより
なる活性層を有するダブルへテロ構造を有している。青
色、緑色等の波長はＩｎＧａＮ活性層のＩｎ組成比を増
減することで決定されている。
色ＬＥＤの材料として、フルカラーＬＥＤディスプレ
イ、交通信号等で最近実用化されたばかりである。これ
らの各種デバイスに使用されるＬＥＤは、ｎ型窒化物半
導体層とｐ型窒化物半導体層との間に、単一量子井戸構
造（ＳＱＷ：Single-Quantum- Well）のＩｎＧａＮより
なる活性層を有するダブルへテロ構造を有している。青
色、緑色等の波長はＩｎＧａＮ活性層のＩｎ組成比を増
減することで決定されている。
【０００３】また、本出願人は、最近この材料を用いて
パルス電流において、室温での４１０ｎｍのレーザ発振
を発表した（例えば、Jpn.J.Appl.Phys. Vol35 (1996)
pp.L74-76）。このレーザ素子はパルス電流（パルス幅
２μｓ、パルス周期２ｍｓ）において、閾値電流６１０
ｍＡ、閾値電流密度８．７ｋＡ／cm2、閾値電圧２１Ｖ
において発振する。
パルス電流において、室温での４１０ｎｍのレーザ発振
を発表した（例えば、Jpn.J.Appl.Phys. Vol35 (1996)
pp.L74-76）。このレーザ素子はパルス電流（パルス幅
２μｓ、パルス周期２ｍｓ）において、閾値電流６１０
ｍＡ、閾値電流密度８．７ｋＡ／cm2、閾値電圧２１Ｖ
において発振する。
【０００４】図３は、例えば特開平８−８３９５６号公
報に示されている、窒化物半導体よりなるレーザ素子の
基本的な構造を示す模式断面図であり、具体的にはレー
ザの共振方向に垂直な方向で素子を切断した際の図を示
している。レーザ素子は通常ダブルへテロ構造を有し、
この公報では、例えばサファイアよりなる基板３０の上
に、０．０１〜０．２μｍ程度のＧａＮ、ＡｌＮ等より
なる低温バッファ層３１、例えばｎ型ＧａＮよりなる２
〜５μｍ程度のｎ型コンタクト層３２、バンドギャップ
エネルギーが活性層よりも大きいｎ型窒化物半導体より
なる０．１〜０．３μｍ程度のｎ型クラッド層３３、例
えば０．０１〜１μｍ程度のＩｎXＧａ1-XＮよりなる活
性層３４、バンドギャップエネルギーが活性層よりも大
きい０．１〜０．３μｍ程度のｐ型窒化物半導体よりな
るｐ型クラッド層３５、例えばｐ型ＧａＮよりなる０．
３〜２μｍ程度のｐ型コンタクト層３６が順に積層され
た構造が開示されている。ｐ型コンタクト層３６の表面
にはｐ電極３７が設けられ、エッチングにより露出され
たｎ型コンタクト層３２の表面にはｎ電極３８が設けら
れている。
報に示されている、窒化物半導体よりなるレーザ素子の
基本的な構造を示す模式断面図であり、具体的にはレー
ザの共振方向に垂直な方向で素子を切断した際の図を示
している。レーザ素子は通常ダブルへテロ構造を有し、
この公報では、例えばサファイアよりなる基板３０の上
に、０．０１〜０．２μｍ程度のＧａＮ、ＡｌＮ等より
なる低温バッファ層３１、例えばｎ型ＧａＮよりなる２
〜５μｍ程度のｎ型コンタクト層３２、バンドギャップ
エネルギーが活性層よりも大きいｎ型窒化物半導体より
なる０．１〜０．３μｍ程度のｎ型クラッド層３３、例
えば０．０１〜１μｍ程度のＩｎXＧａ1-XＮよりなる活
性層３４、バンドギャップエネルギーが活性層よりも大
きい０．１〜０．３μｍ程度のｐ型窒化物半導体よりな
るｐ型クラッド層３５、例えばｐ型ＧａＮよりなる０．
３〜２μｍ程度のｐ型コンタクト層３６が順に積層され
た構造が開示されている。ｐ型コンタクト層３６の表面
にはｐ電極３７が設けられ、エッチングにより露出され
たｎ型コンタクト層３２の表面にはｎ電極３８が設けら
れている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】レーザ素子を色々な用
途に使用するためには横モードが単一になっていること
が望ましい。図１のレーザ素子では活性層から上のｐ型
層をリッジ形状とすることにより、リッジストライプ部
とリッジストライプ外との屈折率差を大きくして、水平
横モードの安定化を図っている。しかしながら、例えば
前記レーザ素子において、さらに垂直横モードの安定化
を図るため、クラッド層のＡｌ混晶比を小さくすると、
横モードは単一となりやすい傾向にあるが、活性層とク
ラッド層とのバンドオフセットが不十分となり、ホール
と電子が活性層で再結合せずリーク電流が増加してしま
う傾向にある。逆に、クラッド層のＡｌ混晶比を大きく
して活性層とクラッド層との屈折率差を大きくすると、
閾値電流は低下する傾向にあるが、横モードが多モード
となりやすい傾向にある。
途に使用するためには横モードが単一になっていること
が望ましい。図１のレーザ素子では活性層から上のｐ型
層をリッジ形状とすることにより、リッジストライプ部
とリッジストライプ外との屈折率差を大きくして、水平
横モードの安定化を図っている。しかしながら、例えば
前記レーザ素子において、さらに垂直横モードの安定化
を図るため、クラッド層のＡｌ混晶比を小さくすると、
横モードは単一となりやすい傾向にあるが、活性層とク
ラッド層とのバンドオフセットが不十分となり、ホール
と電子が活性層で再結合せずリーク電流が増加してしま
う傾向にある。逆に、クラッド層のＡｌ混晶比を大きく
して活性層とクラッド層との屈折率差を大きくすると、
閾値電流は低下する傾向にあるが、横モードが多モード
となりやすい傾向にある。
【０００６】従って、本発明はこのような事情を鑑みて
成されたものであって、その目的とするところは、主と
して単一の横モードが得られて、さらに閾値電流の低い
レーザ素子を実現することにある。
成されたものであって、その目的とするところは、主と
して単一の横モードが得られて、さらに閾値電流の低い
レーザ素子を実現することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】 我々はＬＤ、ＬＥＤ等
の窒化物半導体素子について、活性層を挟んだｐ型層、
及び／又はｎ型層を改良することにより前記問題が解決
できることを新たに見いだし本発明を成すに至った。即
ち、本発明の窒化物半導体素子は、ｎ型窒化物半導体層
とｐ型窒化物半導体層との間に活性層を有する窒化物半
導体素子において、前記ｎ型窒化物半導体層、又はｐ型
窒化物半導体層の少なくとも一方の層側には、膜厚１０
０オングストローム以下のＧａＮよりなる井戸層と、活
性層に接近するに従ってバンドギャップエネルギーが小
さくなるように調整されたＡｌＹＧａ１−ＹＮ（０＜Y
≦１）よりなる障壁層とが積層された多層膜層よりなる
組成傾斜層が形成されており、さらに活性層に最も接近
した井戸層、若しくは障壁層のバンドギャップエネルギ
ーが活性層よりも大きいことを特徴とする。
の窒化物半導体素子について、活性層を挟んだｐ型層、
及び／又はｎ型層を改良することにより前記問題が解決
できることを新たに見いだし本発明を成すに至った。即
ち、本発明の窒化物半導体素子は、ｎ型窒化物半導体層
とｐ型窒化物半導体層との間に活性層を有する窒化物半
導体素子において、前記ｎ型窒化物半導体層、又はｐ型
窒化物半導体層の少なくとも一方の層側には、膜厚１０
０オングストローム以下のＧａＮよりなる井戸層と、活
性層に接近するに従ってバンドギャップエネルギーが小
さくなるように調整されたＡｌＹＧａ１−ＹＮ（０＜Y
≦１）よりなる障壁層とが積層された多層膜層よりなる
組成傾斜層が形成されており、さらに活性層に最も接近
した井戸層、若しくは障壁層のバンドギャップエネルギ
ーが活性層よりも大きいことを特徴とする。
【０００８】 また、本発明の窒化物半導体素子は、ｎ
型窒化物半導体層とｐ型窒化物半導体層との間に活性層
を有する窒化物半導体素子において、前記ｐ型窒化物半
導体層側には、活性層に接して、活性層よりもバンドギ
ャップエネルギーが大きい膜厚０．１μｍ以下の窒化物
半導体よりなるキャップ層と、そのキャップ層よりも活
性層から離れた位置に、キャップ層よりも平均バンドギ
ャップエネルギーが小さい組成傾斜層とが形成されてお
り、その組成傾斜層は、膜厚１００オングストローム以
下のＧａＮよりなる井戸層と、活性層に接近するに従っ
てバンドギャップエネルギーが小さくなるように調整さ
れたＡｌＹＧａ１−ＹＮ（０＜Y≦１）よりなる障壁層
とが積層された多層膜層よりなり、さらに活性層に最も
接近した井戸層、若しくは障壁層のバンドギャップエネ
ルギーが活性層よりも大きいことを特徴とする。
型窒化物半導体層とｐ型窒化物半導体層との間に活性層
を有する窒化物半導体素子において、前記ｐ型窒化物半
導体層側には、活性層に接して、活性層よりもバンドギ
ャップエネルギーが大きい膜厚０．１μｍ以下の窒化物
半導体よりなるキャップ層と、そのキャップ層よりも活
性層から離れた位置に、キャップ層よりも平均バンドギ
ャップエネルギーが小さい組成傾斜層とが形成されてお
り、その組成傾斜層は、膜厚１００オングストローム以
下のＧａＮよりなる井戸層と、活性層に接近するに従っ
てバンドギャップエネルギーが小さくなるように調整さ
れたＡｌＹＧａ１−ＹＮ（０＜Y≦１）よりなる障壁層
とが積層された多層膜層よりなり、さらに活性層に最も
接近した井戸層、若しくは障壁層のバンドギャップエネ
ルギーが活性層よりも大きいことを特徴とする。
【０００９】 さらに、本発明の窒化物半導体素子は、
ｎ型窒化物半導体層とｐ型窒化物半導体層との間に活性
層を有する窒化物半導体素子において、前記ｐ型窒化物
半導体層側には、活性層に接して、活性層よりもバンド
ギャップエネルギーが大きい膜厚０．１μｍ以下の窒化
物半導体よりなるキャップ層と、そのキャップ層よりも
活性層から離れた位置に、キャップ層よりも平均バンド
ギャップエネルギーが小さい組成傾斜層と、その組成傾
斜層よりも活性層から離れた位置に、組成傾斜層よりも
バンドギャップエネルギーが大きい窒化物半導体よりな
るクラッド層とが形成されており、その組成傾斜層は、
膜厚１００オングストローム以下のＧａＮよりなる井戸
層と、活性層に接近するに従ってバンドギャップエネル
ギーが小さくなるように調整されたＡｌＹＧａ１−ＹＮ
（０＜Y≦１）よりなる障壁層とが積層された多層膜層
よりなり、さらに活性層に最も接近した井戸層、若しく
は障壁層のバンドギャップエネルギーが活性層よりも大
きいことを特徴とする。
ｎ型窒化物半導体層とｐ型窒化物半導体層との間に活性
層を有する窒化物半導体素子において、前記ｐ型窒化物
半導体層側には、活性層に接して、活性層よりもバンド
ギャップエネルギーが大きい膜厚０．１μｍ以下の窒化
物半導体よりなるキャップ層と、そのキャップ層よりも
活性層から離れた位置に、キャップ層よりも平均バンド
ギャップエネルギーが小さい組成傾斜層と、その組成傾
斜層よりも活性層から離れた位置に、組成傾斜層よりも
バンドギャップエネルギーが大きい窒化物半導体よりな
るクラッド層とが形成されており、その組成傾斜層は、
膜厚１００オングストローム以下のＧａＮよりなる井戸
層と、活性層に接近するに従ってバンドギャップエネル
ギーが小さくなるように調整されたＡｌＹＧａ１−ＹＮ
（０＜Y≦１）よりなる障壁層とが積層された多層膜層
よりなり、さらに活性層に最も接近した井戸層、若しく
は障壁層のバンドギャップエネルギーが活性層よりも大
きいことを特徴とする。
【００１０】
【発明の実施の形態】図１は本発明の窒化物半導体素子
の一構造を示す模式的な断面図を示す。この図は具体的
には本発明のレーザ素子の基本構造を示している。この
レーザ素子は、バンドギャップエネルギーの小さい窒化
物半導体よりなる活性層６を、活性層よりもバンドギャ
ップエネルギーが大きい、それぞれｎ型とｐ型の窒化物
半導体よりなるｎ型光ガイド層５、及びｐ型光ガイド層
７で挟み、さらにそれらの光ガイド層よりもバンドギャ
ップエネルギーが大きい、それぞれｎ型とｐ型の窒化物
半導体よりなるｎ型クラッド層４、及びｐ型クラッド層
８で挟んだダブルへテロ構造を有している。さらにｎ型
クラッド層４に接して電流注入層として、ｎ型クラッド
層よりもバンドギャップエネルギーが小さいｎ型窒化物
半導体よりなるｎ型コンタクト層３が形成されており、
ｐ型クラッド層８には同じく電流注入層としてｐ型クラ
ッド層よりもバンドギャップエネルギーが小さいｐ型の
窒化物半導体層よりなるｐ型コンタクト層９が形成され
ている。このような構造は分離閉じ込め型ダブルへテロ
構造と呼ばれている。
の一構造を示す模式的な断面図を示す。この図は具体的
には本発明のレーザ素子の基本構造を示している。この
レーザ素子は、バンドギャップエネルギーの小さい窒化
物半導体よりなる活性層６を、活性層よりもバンドギャ
ップエネルギーが大きい、それぞれｎ型とｐ型の窒化物
半導体よりなるｎ型光ガイド層５、及びｐ型光ガイド層
７で挟み、さらにそれらの光ガイド層よりもバンドギャ
ップエネルギーが大きい、それぞれｎ型とｐ型の窒化物
半導体よりなるｎ型クラッド層４、及びｐ型クラッド層
８で挟んだダブルへテロ構造を有している。さらにｎ型
クラッド層４に接して電流注入層として、ｎ型クラッド
層よりもバンドギャップエネルギーが小さいｎ型窒化物
半導体よりなるｎ型コンタクト層３が形成されており、
ｐ型クラッド層８には同じく電流注入層としてｐ型クラ
ッド層よりもバンドギャップエネルギーが小さいｐ型の
窒化物半導体層よりなるｐ型コンタクト層９が形成され
ている。このような構造は分離閉じ込め型ダブルへテロ
構造と呼ばれている。
【００１１】本発明において、組成傾斜層とする層は、
活性層を挟んだ層であればどの層でも良く、例えば図１
では、ｎ型コンタクト層３、ｎ型クラッド層４、ｎ型光
ガイド層５、ｐ型光ガイド層７、ｐ型クラッド層８、ｐ
型コンタクト層９等を組成傾斜層とすることができる。
特にレーザ素子ではｎ型クラッド層４、ｎ型光ガイド層
５、ｐ型光ガイド層７、ｐ型クラッド層８を組成傾斜と
することが望ましい。特に好ましくは、活性層と接する
ｎ型光ガイド層５、ｐ型光ガイド層７を組成傾斜層とす
ることが望ましい。組成傾斜層は活性層から離れるに従
ってバンドギャップエネルギーが大きくなるように設定
される。これを窒化物半導体の屈折率で言い換えると、
組成傾斜層は活性層から離れるに従って屈折率が小さく
なるように設定されているのと同じである。従って、活
性層と接する光ガイド層とすると、活性層のレーザ光を
導くガイド層として、実質的な導波路領域が大きくな
り、さらに組成傾斜しているので、光の閉じ込め効果が
良くなって閾値電流を低下させることができる。
活性層を挟んだ層であればどの層でも良く、例えば図１
では、ｎ型コンタクト層３、ｎ型クラッド層４、ｎ型光
ガイド層５、ｐ型光ガイド層７、ｐ型クラッド層８、ｐ
型コンタクト層９等を組成傾斜層とすることができる。
特にレーザ素子ではｎ型クラッド層４、ｎ型光ガイド層
５、ｐ型光ガイド層７、ｐ型クラッド層８を組成傾斜と
することが望ましい。特に好ましくは、活性層と接する
ｎ型光ガイド層５、ｐ型光ガイド層７を組成傾斜層とす
ることが望ましい。組成傾斜層は活性層から離れるに従
ってバンドギャップエネルギーが大きくなるように設定
される。これを窒化物半導体の屈折率で言い換えると、
組成傾斜層は活性層から離れるに従って屈折率が小さく
なるように設定されているのと同じである。従って、活
性層と接する光ガイド層とすると、活性層のレーザ光を
導くガイド層として、実質的な導波路領域が大きくな
り、さらに組成傾斜しているので、光の閉じ込め効果が
良くなって閾値電流を低下させることができる。
【００１２】さらに、組成傾斜層を膜厚１００オングス
トローム以下の窒化物半導体よりなる井戸層と、井戸層
よりもバンドギャップエネルギーが大きい窒化物半導体
よりなる障壁層とが積層された多層膜層とすると、多層
膜層が超格子構造となって窒化物半導体層の結晶性が飛
躍的に良くなり、閾値電流が低下する。つまり、多層膜
層を構成する井戸層の膜厚を１００オングストローム以
下として、井戸層を弾性歪み限界以下の膜厚としてい
る。このように多層膜層を構成する少なくとも一方の層
の膜厚を弾性歪み限界以下の膜厚とすると、結晶中に微
細なクラック、結晶欠陥が入りにくくなり、結晶性の良
い窒化物半導体を成長できる。そのため、この多層膜層
の上に他の窒化物半導体層を成長させても、多層膜層が
結晶性が良いために他の窒化物半導体層の結晶性も良く
なる。従って全体の窒化物半導体に結晶欠陥が少なくな
って結晶性が向上するので、閾値電流が低下して、レー
ザ素子の寿命が向上する。
トローム以下の窒化物半導体よりなる井戸層と、井戸層
よりもバンドギャップエネルギーが大きい窒化物半導体
よりなる障壁層とが積層された多層膜層とすると、多層
膜層が超格子構造となって窒化物半導体層の結晶性が飛
躍的に良くなり、閾値電流が低下する。つまり、多層膜
層を構成する井戸層の膜厚を１００オングストローム以
下として、井戸層を弾性歪み限界以下の膜厚としてい
る。このように多層膜層を構成する少なくとも一方の層
の膜厚を弾性歪み限界以下の膜厚とすると、結晶中に微
細なクラック、結晶欠陥が入りにくくなり、結晶性の良
い窒化物半導体を成長できる。そのため、この多層膜層
の上に他の窒化物半導体層を成長させても、多層膜層が
結晶性が良いために他の窒化物半導体層の結晶性も良く
なる。従って全体の窒化物半導体に結晶欠陥が少なくな
って結晶性が向上するので、閾値電流が低下して、レー
ザ素子の寿命が向上する。
【００１３】多層膜層を構成する井戸層の膜厚は１００
オングストローム以下、さらに好ましくは７０オングス
トローム以下、最も好ましくは５０オングストローム以
下の膜厚に調整する必要がある。１００オングストロー
ムよりも厚いと、井戸層が弾性歪み限界以上の膜厚とな
り、膜中に微少なクラック、あるいは結晶欠陥が入りや
すい傾向にある。一方、障壁層は井戸層よりもバンドギ
ャップエネルギーが大きい窒化物半導体層で構成する
が、その膜厚は特に限定するものではない。井戸層を弾
性歪み限界以下の膜厚で形成すると障壁層を井戸層より
も厚膜で成長させることができる。好ましくは障壁層の
膜厚を１５０オングストローム以下、さらに好ましくは
１００オングストローム以下、最も好ましくは７０オン
グストローム以下に調整すると、障壁層も弾性歪み限界
以下の膜厚となり、膜中に微小なクラック、結晶欠陥が
発生しにくい傾向にある。井戸層、障壁層の膜厚の下限
は特に限定せず１原子層以上であればよい。
オングストローム以下、さらに好ましくは７０オングス
トローム以下、最も好ましくは５０オングストローム以
下の膜厚に調整する必要がある。１００オングストロー
ムよりも厚いと、井戸層が弾性歪み限界以上の膜厚とな
り、膜中に微少なクラック、あるいは結晶欠陥が入りや
すい傾向にある。一方、障壁層は井戸層よりもバンドギ
ャップエネルギーが大きい窒化物半導体層で構成する
が、その膜厚は特に限定するものではない。井戸層を弾
性歪み限界以下の膜厚で形成すると障壁層を井戸層より
も厚膜で成長させることができる。好ましくは障壁層の
膜厚を１５０オングストローム以下、さらに好ましくは
１００オングストローム以下、最も好ましくは７０オン
グストローム以下に調整すると、障壁層も弾性歪み限界
以下の膜厚となり、膜中に微小なクラック、結晶欠陥が
発生しにくい傾向にある。井戸層、障壁層の膜厚の下限
は特に限定せず１原子層以上であればよい。
【００１４】多層膜層で組成傾斜層とする場合、井戸
層、障壁層とも組成傾斜させることができるが、特に障
壁層を構成する窒化物半導体層（ＩｎXＡｌYＧａ1-X-Y
Ｎ（０≦X、０≦Y、X＋Y≦１）のX値、Y値を調整して組
成傾斜層とすることが望ましい。例えば井戸層をＧａＮ
として障壁層をＡｌYＧａ1-YＮとして、活性層の上に多
層膜層を形成する場合、活性層の次に井戸＋障壁＋井戸
＋障壁・・（障壁層が先でも良い。）というように積層
し、井戸層はＧａＮ単独で構成し、障壁層を構成するＡ
ｌYＧａ1-YＮのY値を活性層から離れるに従って順に大
きくすることで、組成傾斜した多層膜層を構成すること
ができる。
層、障壁層とも組成傾斜させることができるが、特に障
壁層を構成する窒化物半導体層（ＩｎXＡｌYＧａ1-X-Y
Ｎ（０≦X、０≦Y、X＋Y≦１）のX値、Y値を調整して組
成傾斜層とすることが望ましい。例えば井戸層をＧａＮ
として障壁層をＡｌYＧａ1-YＮとして、活性層の上に多
層膜層を形成する場合、活性層の次に井戸＋障壁＋井戸
＋障壁・・（障壁層が先でも良い。）というように積層
し、井戸層はＧａＮ単独で構成し、障壁層を構成するＡ
ｌYＧａ1-YＮのY値を活性層から離れるに従って順に大
きくすることで、組成傾斜した多層膜層を構成すること
ができる。
【００１５】多層膜層を構成する井戸層、障壁層の窒化
物半導体の組成は、障壁層のバンドギャップエネルギー
が井戸層よりも大きければ良く、特に限定するものでは
ない。但し、本発明の多層膜層は活性層の外側に形成す
る層であるため、多層膜層を構成する窒化物半導体の平
均バンドギャップエネルギーを活性層よりも大きくし
て、さらに活性層に最も接近した井戸層、若しくは障壁
層のバンドギャップエネルギーが活性層よりも大きくな
るように調整することが望ましい。好ましくは井戸層を
ＩｎXＧａ1-XＮ（０≦X≦１）とし、障壁層をＡｌYＧａ
1-YＮ（０≦Y≦１、X≠Y＝０）で構成することにより、
結晶性のよい多層膜層を形成することができる。また、
ＡｌＧａＮは結晶成長中にクラックが入りやすい性質を
有している。そこで、井戸層としてＡｌを含まない窒化
物半導体層を１００オングストローム以下の膜厚で成長
させると、Ａｌを含む窒化物半導体よりなる障壁層を成
長させる際のバッファ層として作用し、障壁層にクラッ
クを入りにくくする。そのため多層膜層を積層してもク
ラックのない多層膜を形成できるので、結晶性が良くな
り、素子の寿命が向上する。これもまた井戸層をＩｎX
Ｇａ1-XＮ（０≦X≦１）とし、障壁層をＡｌYＧａ1-YＮ
（０≦Y≦１、X≠Y＝０）とした場合の利点である。
物半導体の組成は、障壁層のバンドギャップエネルギー
が井戸層よりも大きければ良く、特に限定するものでは
ない。但し、本発明の多層膜層は活性層の外側に形成す
る層であるため、多層膜層を構成する窒化物半導体の平
均バンドギャップエネルギーを活性層よりも大きくし
て、さらに活性層に最も接近した井戸層、若しくは障壁
層のバンドギャップエネルギーが活性層よりも大きくな
るように調整することが望ましい。好ましくは井戸層を
ＩｎXＧａ1-XＮ（０≦X≦１）とし、障壁層をＡｌYＧａ
1-YＮ（０≦Y≦１、X≠Y＝０）で構成することにより、
結晶性のよい多層膜層を形成することができる。また、
ＡｌＧａＮは結晶成長中にクラックが入りやすい性質を
有している。そこで、井戸層としてＡｌを含まない窒化
物半導体層を１００オングストローム以下の膜厚で成長
させると、Ａｌを含む窒化物半導体よりなる障壁層を成
長させる際のバッファ層として作用し、障壁層にクラッ
クを入りにくくする。そのため多層膜層を積層してもク
ラックのない多層膜を形成できるので、結晶性が良くな
り、素子の寿命が向上する。これもまた井戸層をＩｎX
Ｇａ1-XＮ（０≦X≦１）とし、障壁層をＡｌYＧａ1-YＮ
（０≦Y≦１、X≠Y＝０）とした場合の利点である。
【００１６】組成傾斜した多層膜層はその導電型を決定
するために、通常導電型を決定する不純物を多層膜層成
長中にドープする。ｎ型であればＳｉ、Ｇｅ、Ｓｎ等の
４族元素よりなるｎ型不純物をドープし、ｐ型であれ
ば、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｃｄ等の２族元素よりなるｐ型不純物
をドープする。これらの不純物は井戸層、障壁層両方に
ドープすることもできるが、いずれか一方にドープする
こともできる。不純物濃度は特に限定するものではない
が、ｐ型不純物で通常、１×１０16／cm3〜１×１０22
／cm3の範囲に調整することが望ましい。１×１０16／c
m3よりも少ないとＶｆ、閾値電圧の低下が現れにくく、
１×１０22／cm3よりも多いと多層膜層の結晶性が悪く
なる傾向にある。またｎ型不純物で１×１０16／cm3〜
１×１０22／cm3の範囲に調整することが望ましい。理
由は同じである。
するために、通常導電型を決定する不純物を多層膜層成
長中にドープする。ｎ型であればＳｉ、Ｇｅ、Ｓｎ等の
４族元素よりなるｎ型不純物をドープし、ｐ型であれ
ば、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｃｄ等の２族元素よりなるｐ型不純物
をドープする。これらの不純物は井戸層、障壁層両方に
ドープすることもできるが、いずれか一方にドープする
こともできる。不純物濃度は特に限定するものではない
が、ｐ型不純物で通常、１×１０16／cm3〜１×１０22
／cm3の範囲に調整することが望ましい。１×１０16／c
m3よりも少ないとＶｆ、閾値電圧の低下が現れにくく、
１×１０22／cm3よりも多いと多層膜層の結晶性が悪く
なる傾向にある。またｎ型不純物で１×１０16／cm3〜
１×１０22／cm3の範囲に調整することが望ましい。理
由は同じである。
【００１７】さらに組成傾斜した多層膜層を活性層以外
の層に設けると、レーザ素子の閾値電圧も低下させるこ
とができる。例えばｐ層側にｐ導電型を有する組成傾斜
した多層膜層を設ける場合、多層膜層とすることにより
その多層膜層の抵抗率が、単一の厚膜のｐ型層よりも低
くなるので、レーザ素子の閾値電圧が低下する。詳しく
述べると、窒化物半導体はｐ型結晶が非常に得られにく
い半導体であることが知られている。ｐ型結晶を得るた
めｐ型不純物をドープした窒化物半導体層をアニーリン
グして、水素を除去する技術が知られている（特許第２
５４０７９１号）。しかしｐ型が得られたといってもそ
の抵抗率は数Ω・cm以上もある。そこで、このｐ型層を
組成傾斜した多層膜層とすることにより結晶性が良くな
り、抵抗率が１桁以上低下するためＶｆ、閾値電圧の低
下が顕著に現れる。
の層に設けると、レーザ素子の閾値電圧も低下させるこ
とができる。例えばｐ層側にｐ導電型を有する組成傾斜
した多層膜層を設ける場合、多層膜層とすることにより
その多層膜層の抵抗率が、単一の厚膜のｐ型層よりも低
くなるので、レーザ素子の閾値電圧が低下する。詳しく
述べると、窒化物半導体はｐ型結晶が非常に得られにく
い半導体であることが知られている。ｐ型結晶を得るた
めｐ型不純物をドープした窒化物半導体層をアニーリン
グして、水素を除去する技術が知られている（特許第２
５４０７９１号）。しかしｐ型が得られたといってもそ
の抵抗率は数Ω・cm以上もある。そこで、このｐ型層を
組成傾斜した多層膜層とすることにより結晶性が良くな
り、抵抗率が１桁以上低下するためＶｆ、閾値電圧の低
下が顕著に現れる。
【００１８】一方、多層膜層をｎ層側に形成した場合に
も同様に、前記のように結晶性が良くなってＶｆ、閾値
電圧が低下する。即ちヘテロ接合を有する窒化物半導体
の場合、通常ｎ型、ｐ型のキャリア閉じ込め層は、活性
層よりもバンドギャップエネルギーが大きいＡｌＧａＮ
で構成される。ＡｌＧａＮは結晶成長が非常に難しく、
例えば単一組成で０．５μｍ以上の膜厚で成長させよう
とすると、結晶中にクラックが入りやすくなる性質があ
る。しかしながら、本発明のように井戸層と、障壁層と
を弾性歪み限界以下の膜厚で積層すると、単一の井戸
層、障壁層のみで結晶性の良いものが得られるため、全
体を膜厚の厚い多層膜層としても結晶性が良いままでク
ラッド層が成長できる。そのため全体の窒化物半導体の
結晶性が良くなって移動度が大きくなるので、その素子
をクラッド層とした素子でＶｆが低下する。
も同様に、前記のように結晶性が良くなってＶｆ、閾値
電圧が低下する。即ちヘテロ接合を有する窒化物半導体
の場合、通常ｎ型、ｐ型のキャリア閉じ込め層は、活性
層よりもバンドギャップエネルギーが大きいＡｌＧａＮ
で構成される。ＡｌＧａＮは結晶成長が非常に難しく、
例えば単一組成で０．５μｍ以上の膜厚で成長させよう
とすると、結晶中にクラックが入りやすくなる性質があ
る。しかしながら、本発明のように井戸層と、障壁層と
を弾性歪み限界以下の膜厚で積層すると、単一の井戸
層、障壁層のみで結晶性の良いものが得られるため、全
体を膜厚の厚い多層膜層としても結晶性が良いままでク
ラッド層が成長できる。そのため全体の窒化物半導体の
結晶性が良くなって移動度が大きくなるので、その素子
をクラッド層とした素子でＶｆが低下する。
【００１９】本発明に類似した技術として、例えば特開
平５−２９１６１８号に組成傾斜したクラッド層を有す
る窒化物半導体発光素子が記載されている。この技術で
はクラッド層を構成する窒化物半導体の組成が、連続的
に最終的に活性層の組成に合致するように設計されてい
る。一方、本発明では組成傾斜したクラッド層のバンド
ギャップエネルギーが活性層よりも大きくなるように設
計している点が異なる。実際に、窒化物半導体でレーザ
素子を作製すると、従来のように活性層のバンドギャッ
プエネルギーに合致するようにクラッド層、ガイド層等
を成長させると、バンド間のエネルギーギャップ差が急
峻でなくなるので活性層のキャリアが閉じ込めにくい傾
向にある。そのため、本発明のように活性層のバンドギ
ャップエネルギーよりも大きくすると、キャリアの閉じ
込め効果が良くなるため閾値電流が低下して、長時間連
続発振する。
平５−２９１６１８号に組成傾斜したクラッド層を有す
る窒化物半導体発光素子が記載されている。この技術で
はクラッド層を構成する窒化物半導体の組成が、連続的
に最終的に活性層の組成に合致するように設計されてい
る。一方、本発明では組成傾斜したクラッド層のバンド
ギャップエネルギーが活性層よりも大きくなるように設
計している点が異なる。実際に、窒化物半導体でレーザ
素子を作製すると、従来のように活性層のバンドギャッ
プエネルギーに合致するようにクラッド層、ガイド層等
を成長させると、バンド間のエネルギーギャップ差が急
峻でなくなるので活性層のキャリアが閉じ込めにくい傾
向にある。そのため、本発明のように活性層のバンドギ
ャップエネルギーよりも大きくすると、キャリアの閉じ
込め効果が良くなるため閾値電流が低下して、長時間連
続発振する。
【００２０】
【実施例】以下実施例において本発明を詳説する。図２
は本発明の一実施例にレーザ素子の構造を示す模式的な
断面図であり、レーザ光の共振方向に垂直な方向で素子
を切断した際の構造を示すものである。以下この図面を
元に本発明の素子を説明する。なお、本明細書において
示す一般式ＩｎXＡｌYＧａ1-X-YＮは単に窒化物半導体
の組成比を示すものであって、例えば異なる層が同一の
一般式で示されていても、それらの層のX値、Y値等が一
致しているものではない。
は本発明の一実施例にレーザ素子の構造を示す模式的な
断面図であり、レーザ光の共振方向に垂直な方向で素子
を切断した際の構造を示すものである。以下この図面を
元に本発明の素子を説明する。なお、本明細書において
示す一般式ＩｎXＡｌYＧａ1-X-YＮは単に窒化物半導体
の組成比を示すものであって、例えば異なる層が同一の
一般式で示されていても、それらの層のX値、Y値等が一
致しているものではない。
【００２１】［実施例１］サファイア（Ｃ面）よりなる
基板１を反応容器内にセットし、容器内を水素で十分置
換した後、水素を流しながら、基板の温度を１０５０℃
まで上昇させ、基板のクリーニングを行う。基板１には
サファイアＣ面の他、Ｒ面、Ａ面を主面とするサファイ
ア、その他、スピネル（ＭｇＡ１2Ｏ4）のような絶縁性
の基板の他、ＳｉＣ（６Ｈ、４Ｈ、３Ｃを含む）、Ｚｎ
Ｓ、ＺｎＯ、ＧａＡｓ、ＧａＮ等の半導体基板を用いる
ことができる。
基板１を反応容器内にセットし、容器内を水素で十分置
換した後、水素を流しながら、基板の温度を１０５０℃
まで上昇させ、基板のクリーニングを行う。基板１には
サファイアＣ面の他、Ｒ面、Ａ面を主面とするサファイ
ア、その他、スピネル（ＭｇＡ１2Ｏ4）のような絶縁性
の基板の他、ＳｉＣ（６Ｈ、４Ｈ、３Ｃを含む）、Ｚｎ
Ｓ、ＺｎＯ、ＧａＡｓ、ＧａＮ等の半導体基板を用いる
ことができる。
【００２２】（バッファ層２）続いて、温度を５１０℃
まで下げ、キャリアガスに水素、原料ガスにアンモニア
とＴＭＧ（トリメチルガリウム）とを用い、基板１上に
ＧａＮよりなるバッファ層２を約２００オングストロー
ムの膜厚で成長させる。バッファ層２はＡｌＮ、Ｇａ
Ｎ、ＡｌＧａＮ等が、９００℃以下の温度で、膜厚数十
オングストローム〜数百オングストロームで形成でき
る。このバッファ層は基板と窒化物半導体との格子定数
不正を緩和するために形成されるが、窒化物半導体の成
長方法、基板の種類等によっては省略することも可能で
ある。
まで下げ、キャリアガスに水素、原料ガスにアンモニア
とＴＭＧ（トリメチルガリウム）とを用い、基板１上に
ＧａＮよりなるバッファ層２を約２００オングストロー
ムの膜厚で成長させる。バッファ層２はＡｌＮ、Ｇａ
Ｎ、ＡｌＧａＮ等が、９００℃以下の温度で、膜厚数十
オングストローム〜数百オングストロームで形成でき
る。このバッファ層は基板と窒化物半導体との格子定数
不正を緩和するために形成されるが、窒化物半導体の成
長方法、基板の種類等によっては省略することも可能で
ある。
【００２３】（ｎ型コンタクト層３）バッファ層２成長
後、ＴＭＧのみ止めて、温度を１０５０℃まで上昇させ
る。１０５０℃になったら、同じく原料ガスにＴＭＧ、
アンモニアガス、ドーパントガスにシランガスを用い、
ｎ型コンタクト層３として、Ｓｉを２×１０19／cm3ド
ープしたｎ型ＧａＮ層を５μｍの膜厚で成長させる。ｎ
型コンタクト層３はＩｎXＡｌYＧａ1-X-YＮ（０≦X、０
≦Y、X＋Y≦１）で構成することができ、特にＧａＮ、
ＩｎＧａＮ、その中でもＳｉ若しくはＧｅをドープした
ＧａＮで構成することにより、キャリア濃度の高いｎ型
層が得られ、ｎ電極２１と好ましいオーミック接触が得
られる。ｎ電極２１の材料としてはＡｌ、Ｔｉ、Ｗ、Ｃ
ｕ、Ｚｎ、Ｓｎ、Ｉｎ等の金属若しくは合金が好ましい
オーミックが得られる。
後、ＴＭＧのみ止めて、温度を１０５０℃まで上昇させ
る。１０５０℃になったら、同じく原料ガスにＴＭＧ、
アンモニアガス、ドーパントガスにシランガスを用い、
ｎ型コンタクト層３として、Ｓｉを２×１０19／cm3ド
ープしたｎ型ＧａＮ層を５μｍの膜厚で成長させる。ｎ
型コンタクト層３はＩｎXＡｌYＧａ1-X-YＮ（０≦X、０
≦Y、X＋Y≦１）で構成することができ、特にＧａＮ、
ＩｎＧａＮ、その中でもＳｉ若しくはＧｅをドープした
ＧａＮで構成することにより、キャリア濃度の高いｎ型
層が得られ、ｎ電極２１と好ましいオーミック接触が得
られる。ｎ電極２１の材料としてはＡｌ、Ｔｉ、Ｗ、Ｃ
ｕ、Ｚｎ、Ｓｎ、Ｉｎ等の金属若しくは合金が好ましい
オーミックが得られる。
【００２４】（クラック防止層１０）次に、温度を８０
０℃にして、原料ガスにＴＭＧ、ＴＭＩ（トリメチルイ
ンジウム）、アンモニア、不純物ガスにシランガスを用
い、Ｓｉを１×１０19／cm3ドープしたＩｎ0.1Ｇａ0.9
Ｎよりなるクラック防止層１０を５００オングストロー
ムの膜厚で成長させる。このクラック防止層１０はＩｎ
を含むｎ型の窒化物半導体、好ましくはＩｎＧａＮで成
長させることにより、Ａｌを含む窒化物半導体層中にク
ラックが入るのを防止することができる。なおこのクラ
ック防止層は１００オングストローム以上、０．５μｍ
以下の膜厚で成長させることが好ましい。１００オング
ストロームよりも薄いと前記のようにクラック防止とし
て作用しにくく、０．５μｍよりも厚いと、結晶自体が
黒変する傾向にある。なお、このクラック防止層１０は
成長方法、成長装置等の条件によっては省略することも
でき、特に、次に成長させるｎ型クラッド層４を組成傾
斜した多層膜層とする場合には成長しなくても良い。
０℃にして、原料ガスにＴＭＧ、ＴＭＩ（トリメチルイ
ンジウム）、アンモニア、不純物ガスにシランガスを用
い、Ｓｉを１×１０19／cm3ドープしたＩｎ0.1Ｇａ0.9
Ｎよりなるクラック防止層１０を５００オングストロー
ムの膜厚で成長させる。このクラック防止層１０はＩｎ
を含むｎ型の窒化物半導体、好ましくはＩｎＧａＮで成
長させることにより、Ａｌを含む窒化物半導体層中にク
ラックが入るのを防止することができる。なおこのクラ
ック防止層は１００オングストローム以上、０．５μｍ
以下の膜厚で成長させることが好ましい。１００オング
ストロームよりも薄いと前記のようにクラック防止とし
て作用しにくく、０．５μｍよりも厚いと、結晶自体が
黒変する傾向にある。なお、このクラック防止層１０は
成長方法、成長装置等の条件によっては省略することも
でき、特に、次に成長させるｎ型クラッド層４を組成傾
斜した多層膜層とする場合には成長しなくても良い。
【００２５】（ｎ型クラッド層４）次に温度を１０５０
℃にして、原料ガスにＴＭＡ（トリメチルアルミニウ
ム）、ＴＭＧ、ＮＨ3、ＳｉＨ4を用い、Ｓｉを１×１０
19／cm3ドープしたＳｉドープｎ型Ａｌ0.25Ｇａ0.75Ｎ
よりなるｎ型クラッド層４を０．５μｍの膜厚で成長さ
せる。このｎ型クラッド層４はキャリア閉じ込め層、及
び光閉じ込め層として作用し、Ａｌを含む窒化物半導
体、好ましくはＡｌＧａＮを成長させることが望まし
く、１００オングストローム以上、２μｍ以下、さらに
好ましくは５００オングストローム以上、１μｍ以下で
成長させることにより、結晶性の良いクラッド層が形成
できる。
℃にして、原料ガスにＴＭＡ（トリメチルアルミニウ
ム）、ＴＭＧ、ＮＨ3、ＳｉＨ4を用い、Ｓｉを１×１０
19／cm3ドープしたＳｉドープｎ型Ａｌ0.25Ｇａ0.75Ｎ
よりなるｎ型クラッド層４を０．５μｍの膜厚で成長さ
せる。このｎ型クラッド層４はキャリア閉じ込め層、及
び光閉じ込め層として作用し、Ａｌを含む窒化物半導
体、好ましくはＡｌＧａＮを成長させることが望まし
く、１００オングストローム以上、２μｍ以下、さらに
好ましくは５００オングストローム以上、１μｍ以下で
成長させることにより、結晶性の良いクラッド層が形成
できる。
【００２６】（ｎ型光ガイド層５＝組成傾斜ｎ型多層膜
層）続いて、温度を１０５０℃に保持したまま、原料ガ
スにＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）、ＴＭＧ、アン
モニア、シランガスを用い、Ｓｉを１×１０19／cm 3ド
ープしたｎ型Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎ（ＡｌYＧａ1-YＮ、Y＝
0.2よりなる障壁層を６０オングストロームの膜厚で成
長させ、続いてＳｉを同濃度でドープしたＧａＮよりな
る井戸層を４０オングストロームの膜厚で成長させる。
続いて障壁層のＴＭＡ流量を少なくして、ｎ型Ａｌ0.18
Ｇａ0.82Ｎ層を６０オングストローム成長させ、次にＧ
ａＮよりなる井戸層を４０オングストロームの膜厚で成
長させる。そして、障壁層のＡｌ組成のみ、約0.01ずつ
少なくなるようにして、障壁（Y＝0.2）＋井戸（Y＝
０）＋障壁（Y＝0.19）＋井戸（Y＝０）＋・・・・＋障
壁(Y＝0.01）＋井戸（Y＝０）というように成長させ、
総膜厚０．２μｍの組成傾斜した多層膜よりなるｎ型光
ガイド層５を成長させる。この光ガイド層５は活性層に
接近するに従って、バンドギャップエネルギーが小さく
なるように設計されて、最後のＧａＮ層は活性層のバン
ドギャップエネルギーよりも大きい。ｎ型光ガイド層５
は、通常１００オングストローム〜５μｍ、さらに好ま
しくは２００オングストローム〜１μｍの膜厚で成長さ
せることが望ましい。
層）続いて、温度を１０５０℃に保持したまま、原料ガ
スにＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）、ＴＭＧ、アン
モニア、シランガスを用い、Ｓｉを１×１０19／cm 3ド
ープしたｎ型Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎ（ＡｌYＧａ1-YＮ、Y＝
0.2よりなる障壁層を６０オングストロームの膜厚で成
長させ、続いてＳｉを同濃度でドープしたＧａＮよりな
る井戸層を４０オングストロームの膜厚で成長させる。
続いて障壁層のＴＭＡ流量を少なくして、ｎ型Ａｌ0.18
Ｇａ0.82Ｎ層を６０オングストローム成長させ、次にＧ
ａＮよりなる井戸層を４０オングストロームの膜厚で成
長させる。そして、障壁層のＡｌ組成のみ、約0.01ずつ
少なくなるようにして、障壁（Y＝0.2）＋井戸（Y＝
０）＋障壁（Y＝0.19）＋井戸（Y＝０）＋・・・・＋障
壁(Y＝0.01）＋井戸（Y＝０）というように成長させ、
総膜厚０．２μｍの組成傾斜した多層膜よりなるｎ型光
ガイド層５を成長させる。この光ガイド層５は活性層に
接近するに従って、バンドギャップエネルギーが小さく
なるように設計されて、最後のＧａＮ層は活性層のバン
ドギャップエネルギーよりも大きい。ｎ型光ガイド層５
は、通常１００オングストローム〜５μｍ、さらに好ま
しくは２００オングストローム〜１μｍの膜厚で成長さ
せることが望ましい。
【００２７】（活性層６）次に、原料ガスにＴＭＧ、Ｔ
ＭＩ、アンモニア、シランガスを用いて活性層６を成長
させる。活性層６は温度を８００℃に保持して、まずＳ
ｉを８×１０18／cm3でドープしたＩｎ0.2Ｇａ0.8Ｎよ
りなる井戸層を２５オングストロームの膜厚で成長させ
る。次にＴＭＩのモル比を変化させるのみで同一温度
で、Ｓｉを８×１０18／cm3ドープしたＩｎ0.01Ｇａ0.9
5Ｎよりなる障壁層を５０オングストロームの膜厚で成
長させる。この操作を２回繰り返し、最後に井戸層を積
層した多重量子井戸構造とする。活性層にドープする不
純物は本実施例のように井戸層、障壁層両方にドープし
ても良く、いずれか一方にドープしてもよい。なおｎ型
不純物をドープすると閾値が低下する傾向にある。
ＭＩ、アンモニア、シランガスを用いて活性層６を成長
させる。活性層６は温度を８００℃に保持して、まずＳ
ｉを８×１０18／cm3でドープしたＩｎ0.2Ｇａ0.8Ｎよ
りなる井戸層を２５オングストロームの膜厚で成長させ
る。次にＴＭＩのモル比を変化させるのみで同一温度
で、Ｓｉを８×１０18／cm3ドープしたＩｎ0.01Ｇａ0.9
5Ｎよりなる障壁層を５０オングストロームの膜厚で成
長させる。この操作を２回繰り返し、最後に井戸層を積
層した多重量子井戸構造とする。活性層にドープする不
純物は本実施例のように井戸層、障壁層両方にドープし
ても良く、いずれか一方にドープしてもよい。なおｎ型
不純物をドープすると閾値が低下する傾向にある。
【００２８】（ｐ型キャップ層１１）次に、温度を１０
５０℃に上げ、ＴＭＧ、ＴＭＡ、アンモニア、Ｃｐ2Ｍ
ｇ（シクロペンタジエニルマグネシウム）を用い、活性
層よりもバンドギャップエネルギーが大きい、Ｍｇを１
×１０20／cm3ドープしたｐ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎよりな
るｐ型キャップ層１１を３００オングストロームの膜厚
で成長させる。このｐ型キャップ層１１はｐ型とした
が、膜厚が薄いため、ｎ型不純物をドープしてキャリア
が補償されたｉ型としても良く、最も好ましくはｐ型と
する。ｐ型キャップ層１１の膜厚は０．１μｍ以下、さ
らに好ましくは５００オングストローム以下、最も好ま
しくは３００オングストローム以下に調整する。０．１
μｍより厚い膜厚で成長させると、ｐ型キャップ層１１
中にクラックが入りやすくなり、結晶性の良い窒化物半
導体層が成長しにくいからである。またキャリアがこの
エネルギーバリアをトンネル効果により通過できなくな
る。Ａｌの組成比が大きいＡｌＧａＮ程薄く形成すると
ＬＤ素子は発振しやすくなる。例えば、Y値が０．２以
上のＡｌYＧａ1-YＮであれば５００オングストローム以
下に調整することが望ましい。ｐ型キャップ層１１の膜
厚の下限は特に限定しないが、１０オングストローム以
上の膜厚で形成することが望ましい。
５０℃に上げ、ＴＭＧ、ＴＭＡ、アンモニア、Ｃｐ2Ｍ
ｇ（シクロペンタジエニルマグネシウム）を用い、活性
層よりもバンドギャップエネルギーが大きい、Ｍｇを１
×１０20／cm3ドープしたｐ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎよりな
るｐ型キャップ層１１を３００オングストロームの膜厚
で成長させる。このｐ型キャップ層１１はｐ型とした
が、膜厚が薄いため、ｎ型不純物をドープしてキャリア
が補償されたｉ型としても良く、最も好ましくはｐ型と
する。ｐ型キャップ層１１の膜厚は０．１μｍ以下、さ
らに好ましくは５００オングストローム以下、最も好ま
しくは３００オングストローム以下に調整する。０．１
μｍより厚い膜厚で成長させると、ｐ型キャップ層１１
中にクラックが入りやすくなり、結晶性の良い窒化物半
導体層が成長しにくいからである。またキャリアがこの
エネルギーバリアをトンネル効果により通過できなくな
る。Ａｌの組成比が大きいＡｌＧａＮ程薄く形成すると
ＬＤ素子は発振しやすくなる。例えば、Y値が０．２以
上のＡｌYＧａ1-YＮであれば５００オングストローム以
下に調整することが望ましい。ｐ型キャップ層１１の膜
厚の下限は特に限定しないが、１０オングストローム以
上の膜厚で形成することが望ましい。
【００２９】（ｐ型光ガイド層７＝組成傾斜ｐ型多層膜
層）続いて、温度を１０５０℃にして、原料ガスにＴＭ
Ａ（トリメチルアルミニウム）、ＴＭＧ、アンモニア、
Ｃｐ2Ｍｇガスを用い、Ｍｇを１×１０20／cm3ドープし
たｐ型Ａｌ0.01Ｇａ0.99Ｎ層よりなる障壁層を６０オン
グストローム、続いてＭｇを同濃度でドープしたｐ型Ｇ
ａＮよりなる井戸層を４０オングストロームの膜厚で成
長させ、続いてｐ型Ａｌ0.02Ｇａ0.98Ｎ（Y＝０．０
２）を６０オングストローム、次にＭｇを同濃度でドー
プしたｐ型ＧａＮよりなる井戸層を４０オングストロー
ム成長させる。そして障壁層のＡｌ組成のみ、約0.01ず
つ大きくなるようにして、障壁（Y＝0.01）＋井戸（Y＝
0）＋障壁（Y＝0.02）＋井戸（Y＝０）＋障壁（Y＝0.0
3）＋・・・・＋障壁(Y＝0.2）＋井戸（Y＝０）という
ように成長させ、総膜厚０．２μｍの組成傾斜した多層
膜よりなるｐ型光ガイド層７を成長させる。この光ガイ
ド層７は活性層から離れるに従って、バンドギャップエ
ネルギーが大きくなるように設計されて、最初のＡｌ0.
01Ｇａ0.99Ｎ層は活性層のバンドギャップエネルギーよ
りも大きい。このｐ型光ガイド層７も、通常１００オン
グストローム〜５μｍ、さらに好ましくは２００オング
ストローム〜１μｍの膜厚で成長させることが望まし
い。
層）続いて、温度を１０５０℃にして、原料ガスにＴＭ
Ａ（トリメチルアルミニウム）、ＴＭＧ、アンモニア、
Ｃｐ2Ｍｇガスを用い、Ｍｇを１×１０20／cm3ドープし
たｐ型Ａｌ0.01Ｇａ0.99Ｎ層よりなる障壁層を６０オン
グストローム、続いてＭｇを同濃度でドープしたｐ型Ｇ
ａＮよりなる井戸層を４０オングストロームの膜厚で成
長させ、続いてｐ型Ａｌ0.02Ｇａ0.98Ｎ（Y＝０．０
２）を６０オングストローム、次にＭｇを同濃度でドー
プしたｐ型ＧａＮよりなる井戸層を４０オングストロー
ム成長させる。そして障壁層のＡｌ組成のみ、約0.01ず
つ大きくなるようにして、障壁（Y＝0.01）＋井戸（Y＝
0）＋障壁（Y＝0.02）＋井戸（Y＝０）＋障壁（Y＝0.0
3）＋・・・・＋障壁(Y＝0.2）＋井戸（Y＝０）という
ように成長させ、総膜厚０．２μｍの組成傾斜した多層
膜よりなるｐ型光ガイド層７を成長させる。この光ガイ
ド層７は活性層から離れるに従って、バンドギャップエ
ネルギーが大きくなるように設計されて、最初のＡｌ0.
01Ｇａ0.99Ｎ層は活性層のバンドギャップエネルギーよ
りも大きい。このｐ型光ガイド層７も、通常１００オン
グストローム〜５μｍ、さらに好ましくは２００オング
ストローム〜１μｍの膜厚で成長させることが望まし
い。
【００３０】（ｐ型クラッド層８）続いて１０５０℃
で、Ｍｇを１×１０20／cm3ドープしたｐ型Ａｌ0.25Ｇ
ａ0.75Ｎよりなるｐ型クラッド層８を０．５μｍの膜厚
で成長させる。この層はｎ型クラッド層４と同じく、キ
ャリア閉じ込め層、及び光閉じ込め層として作用し、Ａ
ｌを含む窒化物半導体、好ましくはＡｌＧａＮを成長さ
せることが望ましく、１００オングストローム以上、２
μｍ以下、さらに好ましくは５００オングストローム以
上、１μｍ以下で成長させると結晶性の良いクラッド層
が成長できる。
で、Ｍｇを１×１０20／cm3ドープしたｐ型Ａｌ0.25Ｇ
ａ0.75Ｎよりなるｐ型クラッド層８を０．５μｍの膜厚
で成長させる。この層はｎ型クラッド層４と同じく、キ
ャリア閉じ込め層、及び光閉じ込め層として作用し、Ａ
ｌを含む窒化物半導体、好ましくはＡｌＧａＮを成長さ
せることが望ましく、１００オングストローム以上、２
μｍ以下、さらに好ましくは５００オングストローム以
上、１μｍ以下で成長させると結晶性の良いクラッド層
が成長できる。
【００３１】本実施例のように量子構造の井戸層を有す
る活性層を有するダブルへテロ構造の半導体素子の場
合、その活性層６に接して、活性層よりもバンドギャッ
プエネルギーが大きい膜厚０．１μｍ以下の窒化物半導
体よりなるキャップ層、好ましくはＡｌを含む窒化物半
導体よりなるｐ型キャップ層１１を設け、そのｐ型キャ
ップ層１１よりも活性層から離れた位置に、ｐ型キャッ
プ層１１よりもバンドギャップエネルギーが小さいｐ型
光ガイド層（本実施例の場合、光ガイド層７が多層膜で
あるので平均のバンドギャップエネルギーを指す。）を
設け、そのｐ型光ガイド層７よりも活性層から離れた位
置に、ｐ型光ガイド層７よりもバンドギャップが大きい
窒化物半導体、好ましくはＡｌを含む窒化物半導体より
なるｐ型クラッド層８を設けることは非常に好ましい。
しかもｐ型キャップ層１１の膜厚を０．１μｍ以下と薄
く設定してあるため、キャリアのバリアとして作用する
ことはなく、ｐ層から注入された正孔が、トンネル効果
によりｐ型キャップ層１１を通り抜けることができて、
活性層で効率よく再結合し、ＬＤの出力が向上する。つ
まり、注入されたキャリアは、ｐ型キャップ層１１のバ
ンドギャップエネルギーが大きいため、半導体素子の温
度が上昇しても、あるいは注入電流密度が増えても、キ
ャリアは活性層をオーバーフローせず、ｐ型キャップ層
１１で阻止されるため、キャリアが活性層に貯まり、効
率よく発光することが可能となる。これは多層膜層を構
成する最終層のバンドギャップエネルギーが活性層より
も大きくしていることもこの作用に類似している。この
ため、半導体素子が温度上昇しても発光効率が低下する
ことが少ないので、閾値電流の低いＬＤを実現すること
ができる。
る活性層を有するダブルへテロ構造の半導体素子の場
合、その活性層６に接して、活性層よりもバンドギャッ
プエネルギーが大きい膜厚０．１μｍ以下の窒化物半導
体よりなるキャップ層、好ましくはＡｌを含む窒化物半
導体よりなるｐ型キャップ層１１を設け、そのｐ型キャ
ップ層１１よりも活性層から離れた位置に、ｐ型キャッ
プ層１１よりもバンドギャップエネルギーが小さいｐ型
光ガイド層（本実施例の場合、光ガイド層７が多層膜で
あるので平均のバンドギャップエネルギーを指す。）を
設け、そのｐ型光ガイド層７よりも活性層から離れた位
置に、ｐ型光ガイド層７よりもバンドギャップが大きい
窒化物半導体、好ましくはＡｌを含む窒化物半導体より
なるｐ型クラッド層８を設けることは非常に好ましい。
しかもｐ型キャップ層１１の膜厚を０．１μｍ以下と薄
く設定してあるため、キャリアのバリアとして作用する
ことはなく、ｐ層から注入された正孔が、トンネル効果
によりｐ型キャップ層１１を通り抜けることができて、
活性層で効率よく再結合し、ＬＤの出力が向上する。つ
まり、注入されたキャリアは、ｐ型キャップ層１１のバ
ンドギャップエネルギーが大きいため、半導体素子の温
度が上昇しても、あるいは注入電流密度が増えても、キ
ャリアは活性層をオーバーフローせず、ｐ型キャップ層
１１で阻止されるため、キャリアが活性層に貯まり、効
率よく発光することが可能となる。これは多層膜層を構
成する最終層のバンドギャップエネルギーが活性層より
も大きくしていることもこの作用に類似している。この
ため、半導体素子が温度上昇しても発光効率が低下する
ことが少ないので、閾値電流の低いＬＤを実現すること
ができる。
【００３２】（ｐ型コンタクト層９）最後に、ｐ型クラ
ッド層８の上に、１０５０℃でＭｇを２×１０20／cm3
ドープしたｐ型ＧａＮよりなるｐ型コンタクト層９を１
５０オングストロームの膜厚で成長させる。ｐ型コンタ
クト層２０はｐ型のＩｎXＡｌYＧａ1-X-YＮ（０≦X、０
≦Y、X＋Y≦１）で構成することができ、好ましくはＭ
ｇをドープしたＧａＮとすれば、ｐ電極２０と最も好ま
しいオーミック接触が得られる。なお、ｐ型コンタクト
層と好ましいオーミックが得られるｐ電極の材料として
は、例えばＮｉ、Ｐｄ、Ｎｉ／Ａｕ等を挙げることがで
きる。さらに、ｐ型コンタクト層の膜厚は５００オング
ストローム以下、さらに好ましくは３００オングストロ
ーム以下、最も好ましくは２００オングストローム以下
に調整することが望ましい。なぜなら、抵抗率が高いｐ
型窒化物半導体層の膜厚を５００オングストローム以下
に調整することにより、さらに抵抗率が低下するため、
閾値での電流、電圧が低下する。またｐ型層から除去さ
れる水素が多くなって抵抗率が低下しやすい傾向にあ
る。さらに、このコンタクト層９を薄くする効果には、
次のようなことがある。例えば、ｐ型ＡｌＧａＮよりな
るｐ型クラッド層に、膜厚が５００オングストロームよ
り厚いｐ型ＧａＮよりなるｐ型コンタクト層が接して形
成されており、仮にクラッド層とコンタクト層の不純物
濃度が同じで、キャリア濃度が同じである場合、ｐ型コ
ンタクト層の膜厚を５００オングストロームよりも薄く
すると、クラッド層側のキャリアがコンタクト層側に移
動しやすくなって、ｐ型コンタクト層のキャリア濃度が
高くなる傾向にある。そのためキャリア濃度の高いコン
タクト層に電極を形成すると良好なオーミックが得られ
る。
ッド層８の上に、１０５０℃でＭｇを２×１０20／cm3
ドープしたｐ型ＧａＮよりなるｐ型コンタクト層９を１
５０オングストロームの膜厚で成長させる。ｐ型コンタ
クト層２０はｐ型のＩｎXＡｌYＧａ1-X-YＮ（０≦X、０
≦Y、X＋Y≦１）で構成することができ、好ましくはＭ
ｇをドープしたＧａＮとすれば、ｐ電極２０と最も好ま
しいオーミック接触が得られる。なお、ｐ型コンタクト
層と好ましいオーミックが得られるｐ電極の材料として
は、例えばＮｉ、Ｐｄ、Ｎｉ／Ａｕ等を挙げることがで
きる。さらに、ｐ型コンタクト層の膜厚は５００オング
ストローム以下、さらに好ましくは３００オングストロ
ーム以下、最も好ましくは２００オングストローム以下
に調整することが望ましい。なぜなら、抵抗率が高いｐ
型窒化物半導体層の膜厚を５００オングストローム以下
に調整することにより、さらに抵抗率が低下するため、
閾値での電流、電圧が低下する。またｐ型層から除去さ
れる水素が多くなって抵抗率が低下しやすい傾向にあ
る。さらに、このコンタクト層９を薄くする効果には、
次のようなことがある。例えば、ｐ型ＡｌＧａＮよりな
るｐ型クラッド層に、膜厚が５００オングストロームよ
り厚いｐ型ＧａＮよりなるｐ型コンタクト層が接して形
成されており、仮にクラッド層とコンタクト層の不純物
濃度が同じで、キャリア濃度が同じである場合、ｐ型コ
ンタクト層の膜厚を５００オングストロームよりも薄く
すると、クラッド層側のキャリアがコンタクト層側に移
動しやすくなって、ｐ型コンタクト層のキャリア濃度が
高くなる傾向にある。そのためキャリア濃度の高いコン
タクト層に電極を形成すると良好なオーミックが得られ
る。
【００３３】以上、レーザ素子の構造として最も好まし
い構造を示したが、本発明では組成傾斜したｎ型の多層
膜層を活性層６から下のｎ型層側に少なくとも１層有し
ていれば良く、及び／又はｐ型の組成傾斜した多層膜層
を活性層１６から上のｐ型層側に少なくとも１層有して
いれば良く、素子構成は特に規定するものではない。但
し、前記多層膜層は、光ガイド層、またはキャリア閉じ
込め層としてのクラッド層に形成されることが素子のＶ
ｆ、閾値を低下させる上で最も好ましい。
い構造を示したが、本発明では組成傾斜したｎ型の多層
膜層を活性層６から下のｎ型層側に少なくとも１層有し
ていれば良く、及び／又はｐ型の組成傾斜した多層膜層
を活性層１６から上のｐ型層側に少なくとも１層有して
いれば良く、素子構成は特に規定するものではない。但
し、前記多層膜層は、光ガイド層、またはキャリア閉じ
込め層としてのクラッド層に形成されることが素子のＶ
ｆ、閾値を低下させる上で最も好ましい。
【００３４】反応終了後、温度を室温まで下げ、さらに
窒素雰囲気中、ウェーハを反応容器内において、７００
℃でアニーリングを行い、ｐ型層をさらに低抵抗化す
る。
窒素雰囲気中、ウェーハを反応容器内において、７００
℃でアニーリングを行い、ｐ型層をさらに低抵抗化す
る。
【００３５】アニーリング後、ウェーハを反応容器から
取り出し、図２に示すように、ＲＩＥ装置でにより最上
層のｐ型コンタクト層９と、ｐ型クラッド層８とをエッ
チングして、４μｍのストライプ幅を有するリッジ形状
とする。特に活性層よりも上にあるＡｌを含むｐ型窒化
物半導体層以上の層をリッジ形状とすることにより、活
性層の発光がリッジ下部に集中して、横モードが単一化
しやすく、閾値が低下しやすい。リッジ形成後、リッジ
表面にマスクを形成し、図２に示すように、ストライプ
状のリッジに対して左右対称にして、ｎ電極２１を形成
すべきｎ型コンタクト層３の表面を露出させる。
取り出し、図２に示すように、ＲＩＥ装置でにより最上
層のｐ型コンタクト層９と、ｐ型クラッド層８とをエッ
チングして、４μｍのストライプ幅を有するリッジ形状
とする。特に活性層よりも上にあるＡｌを含むｐ型窒化
物半導体層以上の層をリッジ形状とすることにより、活
性層の発光がリッジ下部に集中して、横モードが単一化
しやすく、閾値が低下しやすい。リッジ形成後、リッジ
表面にマスクを形成し、図２に示すように、ストライプ
状のリッジに対して左右対称にして、ｎ電極２１を形成
すべきｎ型コンタクト層３の表面を露出させる。
【００３６】次にｐ型コンタクト層９の表面にＮｉとＡ
ｕよりなるｐ電極２０をストライプ状に形成する。一
方、ＴｉとＡｌよりなるｎ電極２１をストライプ状のｎ
型コンタクト層３のほぼ全面に形成する。なおほぼ全面
とは８０％以上の面積をいう。このようにｐ電極に対し
て左右対称にｎ型コンタクト層を露出させて、そのｎ型
コンタクト層表面のほぼ全面にｎ電極を設けることも、
閾値を低下させる上で非常に有利である。
ｕよりなるｐ電極２０をストライプ状に形成する。一
方、ＴｉとＡｌよりなるｎ電極２１をストライプ状のｎ
型コンタクト層３のほぼ全面に形成する。なおほぼ全面
とは８０％以上の面積をいう。このようにｐ電極に対し
て左右対称にｎ型コンタクト層を露出させて、そのｎ型
コンタクト層表面のほぼ全面にｎ電極を設けることも、
閾値を低下させる上で非常に有利である。
【００３７】以上のようにして、ｎ電極とｐ電極とを形
成したウェーハを研磨装置に移送し、ダイヤモンド研磨
剤を用いて、窒化物半導体を形成していない側のサファ
イア基板１をラッピングし、基板の厚さを５０μｍとす
る。ラッピング後、さらに細かい研磨剤で１μｍポリシ
ングして基板表面を鏡面状とする。
成したウェーハを研磨装置に移送し、ダイヤモンド研磨
剤を用いて、窒化物半導体を形成していない側のサファ
イア基板１をラッピングし、基板の厚さを５０μｍとす
る。ラッピング後、さらに細かい研磨剤で１μｍポリシ
ングして基板表面を鏡面状とする。
【００３８】基板研磨後、研磨面側をスクライブして、
ストライプ状の電極に垂直な方向でバー状に劈開し、劈
開面に共振器を作製する。共振器面にＳｉＯ2とＴｉＯ2
よりなる誘電体多層膜を形成し、最後にｐ電極に平行な
方向で、バーを切断してレーザチップとした。次にチッ
プをフェースアップ（基板とヒートシンクとが対向した
状態）でヒートシンクに設置し、それぞれの電極をボン
ディングして、室温でレーザ発振を試みたところ、室温
において、閾値電流密度３．０ｋＡ／cm2、閾値電圧
３．７Ｖで、発振波長４０５ｎｍの連続発振が確認さ
れ、３０時間以上の寿命を示した。さらに、レーザ光の
ＦＦＰ（ファーフィールドパターン）の形状を測定した
図を図４に示す。この図はレーザ光のＦＦＰの面積をＸ
軸とＹ軸とで示す図である。この図に示すように、本発
明のレーザ素子ではＦＦＰが一つの楕円形状となってお
り、横モードが単一となっていることが確認できる。
ストライプ状の電極に垂直な方向でバー状に劈開し、劈
開面に共振器を作製する。共振器面にＳｉＯ2とＴｉＯ2
よりなる誘電体多層膜を形成し、最後にｐ電極に平行な
方向で、バーを切断してレーザチップとした。次にチッ
プをフェースアップ（基板とヒートシンクとが対向した
状態）でヒートシンクに設置し、それぞれの電極をボン
ディングして、室温でレーザ発振を試みたところ、室温
において、閾値電流密度３．０ｋＡ／cm2、閾値電圧
３．７Ｖで、発振波長４０５ｎｍの連続発振が確認さ
れ、３０時間以上の寿命を示した。さらに、レーザ光の
ＦＦＰ（ファーフィールドパターン）の形状を測定した
図を図４に示す。この図はレーザ光のＦＦＰの面積をＸ
軸とＹ軸とで示す図である。この図に示すように、本発
明のレーザ素子ではＦＦＰが一つの楕円形状となってお
り、横モードが単一となっていることが確認できる。
【００３９】［実施例２］実施例１において、ｎ型光ガ
イド層５を単一のＳｉドープｎ型ＧａＮ層０．２μｍと
し、ｐ型光ガイド層７を単一のＭｇドープｐ型ＧａＮ層
０．２μｍとする。代わりに、ｎ型コンタクト層３を成
長させた後、クラック防止層１０を成長させず、直接ｎ
型コンタクト層の上に組成傾斜した次のような多層膜よ
りなるｎ型クラッド層４を成長させる。
イド層５を単一のＳｉドープｎ型ＧａＮ層０．２μｍと
し、ｐ型光ガイド層７を単一のＭｇドープｐ型ＧａＮ層
０．２μｍとする。代わりに、ｎ型コンタクト層３を成
長させた後、クラック防止層１０を成長させず、直接ｎ
型コンタクト層の上に組成傾斜した次のような多層膜よ
りなるｎ型クラッド層４を成長させる。
【００４０】Ｓｉを１×１０19／cm3ドープしたＳｉド
ープｎ型Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ｎよりなる障壁層を６０オング
ストローム、Ｓｉを同量でドープしたｎ型ＧａＮよりな
る井戸層を４０オングストローム、そして、障壁層のみ
のＡｌ組成を徐々に低下させながら、Ｓｉドープｎ型Ａ
ｌ0.01Ｇａ0.99Ｎの障壁層と、最後にＳｉドープｎ型Ｇ
ａＮよりなる井戸層を成長させて総膜厚０．５μｍの組
成傾斜した多層膜層とする。
ープｎ型Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ｎよりなる障壁層を６０オング
ストローム、Ｓｉを同量でドープしたｎ型ＧａＮよりな
る井戸層を４０オングストローム、そして、障壁層のみ
のＡｌ組成を徐々に低下させながら、Ｓｉドープｎ型Ａ
ｌ0.01Ｇａ0.99Ｎの障壁層と、最後にＳｉドープｎ型Ｇ
ａＮよりなる井戸層を成長させて総膜厚０．５μｍの組
成傾斜した多層膜層とする。
【００４１】一方、ｐ型クラッド層８も同様に、単一の
Ｍｇドープｐ型ＧａＮよりなるｐ型光ガイド層６の上
に、Ｍｇを１×１０20／cm3ドープしたｐ型Ａｌ0.01Ｇ
ａ0.99Ｎよりなる障壁層６０オングストロームと、Ｍｇ
を同量ドープしたｐ型ＧａＮよりなる井戸層を４０オン
グストローム成長させ、徐々に障壁層のみのＡｌ組成比
を上げながら、Ｍｇドープｐ型Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ｎよりな
る障壁層６０オングストロームと、最後にＭｇドープｐ
型ＧａＮよりなる井戸層４０オングストロームを成長さ
せて総膜厚０．５μｍの組成傾斜した多層膜層とする。
Ｍｇドープｐ型ＧａＮよりなるｐ型光ガイド層６の上
に、Ｍｇを１×１０20／cm3ドープしたｐ型Ａｌ0.01Ｇ
ａ0.99Ｎよりなる障壁層６０オングストロームと、Ｍｇ
を同量ドープしたｐ型ＧａＮよりなる井戸層を４０オン
グストローム成長させ、徐々に障壁層のみのＡｌ組成比
を上げながら、Ｍｇドープｐ型Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ｎよりな
る障壁層６０オングストロームと、最後にＭｇドープｐ
型ＧａＮよりなる井戸層４０オングストロームを成長さ
せて総膜厚０．５μｍの組成傾斜した多層膜層とする。
【００４２】後は、実施例１と同様にしてレーザ素子を
作製したところ実施例１とほぼ同等の特性を示すレーザ
素子が作製できた。
作製したところ実施例１とほぼ同等の特性を示すレーザ
素子が作製できた。
【００４３】［実施例３］実施例１において、ｎ型光ガ
イド層５を成長させる際に、原料のＴＭＡの流量調整す
ることにより、ｎ型クラッド層４側をＳｉドープｎ型Ａ
ｌ0.1Ｇａ0.9Ｎとし、それからＡｌ組成比を徐々に少な
くして活性層に接する側をＳｉドープｎ型ＧａＮとした
膜厚０．２μｍの組成傾斜層とする。
イド層５を成長させる際に、原料のＴＭＡの流量調整す
ることにより、ｎ型クラッド層４側をＳｉドープｎ型Ａ
ｌ0.1Ｇａ0.9Ｎとし、それからＡｌ組成比を徐々に少な
くして活性層に接する側をＳｉドープｎ型ＧａＮとした
膜厚０．２μｍの組成傾斜層とする。
【００４４】一方、ｐ型光ガイド層７を成長させる場合
においても、キャップ層１１と接する側をＭｇドープｐ
型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎとした膜厚０．２μｍの組成傾斜層
とする。その他は実施例１と同様にしてレーザ素子を作
製したところ、閾値電流密度３．２ｋＡ／cm2、閾値電
圧４．０Ｖと若干上昇したが、室温において発振波長４
０５ｎｍの連続発振が確認され、２０時間以上の寿命を
示した。さらに、レーザ光のＦＦＰも実施例１とほぼ同
じであり、横モードが単一になっていることが確認され
た。
においても、キャップ層１１と接する側をＭｇドープｐ
型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎとした膜厚０．２μｍの組成傾斜層
とする。その他は実施例１と同様にしてレーザ素子を作
製したところ、閾値電流密度３．２ｋＡ／cm2、閾値電
圧４．０Ｖと若干上昇したが、室温において発振波長４
０５ｎｍの連続発振が確認され、２０時間以上の寿命を
示した。さらに、レーザ光のＦＦＰも実施例１とほぼ同
じであり、横モードが単一になっていることが確認され
た。
【００４５】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によると、
閾値電流、閾値電圧が低い、室温で連続発振する短波長
のレーザ素子を得ることができる。しかもレーザ光の横
モードは単一モードに近い。このようなレーザ素子が得
られたことにより、ＣＶＤ、光ファイバー等の光通信用
の光源として、本発明のレーザ素子は非常に有意義であ
る。さらにまた本発明は窒化物半導体を用いたＬＥＤ、
受光素子等の他の光デバイスにも適用可能である。例え
ばＬＥＤ素子に本発明を適用すると、Ｖｆ（順方向電
圧）が低下した非常に効率の高いＬＥＤを得ることがで
きる。
閾値電流、閾値電圧が低い、室温で連続発振する短波長
のレーザ素子を得ることができる。しかもレーザ光の横
モードは単一モードに近い。このようなレーザ素子が得
られたことにより、ＣＶＤ、光ファイバー等の光通信用
の光源として、本発明のレーザ素子は非常に有意義であ
る。さらにまた本発明は窒化物半導体を用いたＬＥＤ、
受光素子等の他の光デバイスにも適用可能である。例え
ばＬＥＤ素子に本発明を適用すると、Ｖｆ（順方向電
圧）が低下した非常に効率の高いＬＥＤを得ることがで
きる。
【図１】 本発明の一実施例に係るレーザ素子の基本的
に構造を示す模式断面図。
に構造を示す模式断面図。
【図２】 本発明の他の実施例に係るレーザ素子の構造
を示す模式断面図。
を示す模式断面図。
【図３】 従来の窒化物半導体発光素子の構造を示す模
式断面図。
式断面図。
【図４】 本発明のレーザ素子によるレーザ光のＦＦＰ
形状を測定した図。
形状を測定した図。
１・・・・基板 ２・・・・バッファ層 ３・・・・ｎ型コンタクト層 ４・・・・ｎ型クラッド層 ５・・・・ｎ型光ガイド層（組成傾斜多層膜層） ６・・・・活性層 ７・・・・ｐ型光ガイド層（組成傾斜多層膜層） ８・・・・ｐ型クラッド層 ９・・・・ｐ型コンタクト層 ２０・・・・ｐ電極 ２１・・・・ｎ電極 １０・・・・クラック防止層 １１・・・・キャップ層
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平８−316581（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−167190（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−204605（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−172483（ＪＰ，Ａ) 特開 平８−203834（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−53549（ＪＰ，Ａ) 特開 平８−228025（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H01S 5/00 - 5/50
Claims (8)
- 【請求項１】 ｎ型窒化物半導体層とｐ型窒化物半導体
層との間に活性層を有する窒化物半導体素子において、
前記ｎ型窒化物半導体層、又はｐ型窒化物半導体層の少
なくとも一方の層側には、膜厚１００オングストローム
以下のＧａＮよりなる井戸層と、活性層に接近するに従
ってバンドギャップエネルギーが小さくなるように調整
されたＡｌＹＧａ１−ＹＮ（０＜Y≦１）よりなる障壁
層とが積層された多層膜層よりなる組成傾斜層が形成さ
れており、さらに活性層に最も接近した井戸層、若しく
は障壁層のバンドギャップエネルギーが活性層よりも大
きいことを特徴とする窒化物半導体素子。 - 【請求項２】 ｎ型窒化物半導体層とｐ型窒化物半導体
層との間に活性層を有する窒化物半導体素子において、
前記ｐ型窒化物半導体層側には、活性層に接して、活性
層よりもバンドギャップエネルギーが大きい膜厚０．１
μｍ以下の窒化物半導体よりなるキャップ層と、そのキ
ャップ層よりも活性層から離れた位置に、キャップ層よ
りも平均バンドギャップエネルギーが小さい組成傾斜層
とが形成されており、その組成傾斜層は、膜厚１００オ
ングストローム以下のＧａＮよりなる井戸層と、活性層
に接近するに従ってバンドギャップエネルギーが小さく
なるように調整されたＡｌＹＧａ１−ＹＮ（０＜Y≦
１）よりなる障壁層とが積層された多層膜層よりなり、
さらに活性層に最も接近した井戸層、若しくは障壁層の
バンドギャップエネルギーが活性層よりも大きいことを
特徴とする窒化物半導体素子。 - 【請求項３】 ｎ型窒化物半導体層とｐ型窒化物半導体
層との間に活性層を有する窒化物半導体素子において、
前記ｐ型窒化物半導体層側には、活性層に接して、活性
層よりもバンドギャップエネルギーが大きい膜厚０．１
μｍ以下の窒化物半導体よりなるキャップ層と、そのキ
ャップ層よりも活性層から離れた位置に、キャップ層よ
りも平均バンドギャップエネルギーが小さい組成傾斜層
と、その組成傾斜層よりも活性層から離れた位置に、組
成傾斜層よりもバンドギャップエネルギーが大きい窒化
物半導体よりなるクラッド層とが形成されており、その
組成傾斜層は、膜厚１００オングストローム以下のＧａ
Ｎよりなる井戸層と、活性層に接近するに従ってバンド
ギャップエネルギーが小さくなるように調整されたＡｌ
ＹＧａ１−ＹＮ（０＜Y≦１）よりなる障壁層とが積層
された多層膜層よりなり、さらに活性層に最も接近した
井戸層、若しくは障壁層のバンドギャップエネルギーが
活性層よりも大きいことを特徴とする窒化物半導体素
子。 - 【請求項４】 前記キャップ層は、ＡｌＹＧａ１−ＹＮ
（０≦Y≦１）であることを特徴とする請求項２又は３
に記載の窒化物半導体素子。 - 【請求項５】 前記クラッド層は、ＡｌＹＧａ１−ＹＮ
（０≦Y≦１）であることを特徴とする請求項３又は４
に記載の窒化物半導体素子。 - 【請求項６】 前記障壁層は、１５０オングストローム
以下の膜厚であることを特徴とする請求項１から５のい
ずれかに記載の窒化物半導体素子。 - 【請求項７】 前記活性層と組成傾斜層との間にＧａＮ
よりなる光ガイド層を有することを特徴とする請求項１
から６のいずれかに記載の窒化物半導体素子。 - 【請求項８】 前記組成傾斜層が、ｎ型窒化物半導体層
とｐ型窒化物半導体層の両方の層側に形成されているこ
とを特徴とする請求項１から７のいずれかに記載の窒化
物半導体素子。
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-
1997
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