JP3441329B2 - 窒化ガリウム系半導体素子 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ＧａＮ、ＡｌＧａ
Ｎ、ＩｎＧａＮ等の窒素を含む半導体を有する窒化ガリ
ウム系半導体素子に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、高密度光ディスクシステム等への
応用を目的として短波長の半導体レーザの開発が進めら
れている。この種のレーザでは記録密度を高めるために
発振波長を短くすることが要求されている。短波長の半
導体レーザとしてＩｎＧａＡｌＰ材料による６００ｎｍ
帯光源は、ディスクの読み込み、書き込みのどちらも可
能なレベルにまで特性改善され、すでに実用化されてい
る。

【０００３】さらなる記録密度向上を目指して青色体半
導体レーザの開発が盛んに行われている。すでにII−VI
族系による半導体レーザは発振動作が確認された。しか
しながら、信頼性が１００時間程度にリミットされ、波
長の４８０ｎｍ以下は発振が困難であるなど、実用化へ
の障壁は多く、次世代の光ディスクシステム等への応用
には材料的なリミットが数多く存在する。

【０００４】一方、ＧａＮ系型半導体レーザは、３５０
ｎｍ以下まで短波長化が可能である。また、信頼性に関
しても、条件によってはＬＥＤにおいて１万時間以上の
信頼性が確認されるなど有望であり、盛んに研究、開発
が行われている。

【０００５】このように窒化ガリウム系半導体は材料的
に次世代の光ディスクシステム光源に必要な条件を満た
す優れた材料である。

【０００６】一方、半導体レーザ形成のためには、活性
層への光閉じ込め、キャリヤ閉じ込めが不可欠であり、
そのためにはクラッド層としてＡｌＧａＮを使わなけれ
ばならない。４００ｎｍ前後の光ディスクシステム等へ
応用する波長を実現するためにはＡｌ組成を２５％以上
で、厚さも対称導波路の場合で片側０．３μｍ以上が必
要となる。

【０００７】しかしながら、高Ａｌ組成のＡｌＧａＮ層
を有する半導体レーザを製作する場合には、次にような
問題点が生じる。

【０００８】ＡｌＧａＮ層と、隣接するＧａＮ層もしく
は対基板との格子定数差から引っ張り歪みが生ずる。こ
の引っ張り歪みのため、ＡｌＧａＮ層厚が臨界膜厚以上
となったときには、ＡｌＧａＮ層の表面に六角形状のク
ラックが入ってしまう。ここで、臨界膜厚とは、異種類
の半導体層が設けられているときに、主となる半導体層
に対して従となる半導体層側にクラック，転位等が生じ
る場合における，従側半導体の臨界的な層厚をいう。こ
のような臨界膜厚で従となる半導体層側にクラック等が
生じるのは、一般に、主となる半導体層との格子定数の
違いから生じる歪み等が原因であろうと考えられてい
る。したがって、従となる半導体層の膜厚が臨界膜厚よ
りも十分小さければクラック等は生じない。また、臨界
膜厚は、半導体の種類、組み合わせ、その他の条件によ
って異なるものである。

【０００９】そもそもＡｌＮとＧａＮとでは２％もの格
子定数差がある。したがって、たとえ２０〜３０％とい
ったＡｌ組成のＡｌＧａＮとＧａＮと間においても０．
５％程度の歪が存在する。ここで、十分厚いＧａＮ層上
にＡｌを含む層を単に成長させた場合、下地としての格
子定数はＧａＮのそれに支配される。したがって、Ａｌ
ＧａＮ層には引っ張り歪みが導入されてしまい、臨界量
（臨界膜厚）以上はクラック無しには構成することがで
きない。具体的には、クラッド層の光閉じ込めに必要な
ＡｌＧａＮ層の０．２〜０．５μｍといった厚さは主と
なるＧａＮ層に対する臨界膜厚を越えており、通常の条
件ではクラックが生じる。

【００１０】クラックが生じると、素子に電流を積層方
向に流すことが困難となり、このために素子抵抗は５０
Ωを越える大きなものとなる。したがって、このような
レーザではレーザ発振自身が困難であり、たとえ発振し
ても、素子の信頼性は著しく低い。また、通電中に残留
歪が原因と考えられる著しい劣化を示す。

【００１１】上記場合は、窒素を含むIII-Ｖ族化合物半
導体の一つである窒化ガリウムを主としてレーザへ適用
する場合を説明した。しかし、窒化ガリウムは、レーザ
に限らず、他の発光素子、電子デバイス、パワーデバイ
スなどの半導体素子に広く利用できる。

【００１２】窒化ガリウムはバンドギャップが３．４ｅ
Ｖと大きく、また直接遷移型である。したがって、上記
したように短波長発光素子用材料として有望である。さ
らに、窒化インジウムとの合金化などによって形成され
る窒化ガリウム系材料は、バンドギャップを広い範囲で
制御できることから、オレンジから紫外までの発光素子
を作成するための材料として注目されている。また、大
きなバンドギャップを生かした電力用素子や、高温動作
素子等への応用も脚光を浴びている。

【００１３】窒化ガリウム系薄膜材料の基板としては、
窒化ガリウム系材料の成長のための高い温度においても
安定で、しかも窒化ガリウム系材料との格子定数差の小
さい材料が求められる。有機金属気相成長法（ＭＯＣＶ
Ｄ法）では、比較的良好な表面性状が得られ、かつ直径
２インチ級のウエーハ入手が容易なサファイアが、素子
形成基板として広く用いられている。

【００１４】しかし、サファイアと窒化ガリウムとの間
には格子不整合が１６％程度もあるため、サファイア基
板を用いた場合には窒化ガリウムが島状に成長しやす
い。また、このような薄膜中の転位密度が１０¹⁰ｃｍ^-2
程度もあるため、例えば発光素子では発光効率が低く、
動作電圧が高く、歩留まりも十分ではなかった。

【００１５】例えば、サファイア基板の上に作成される
窒化ガリウム系発光ダイオードで発光波長が５２０ｎｍ
のものは次のような特性を示す。発光効率は、電流２０
ｍＡの条件で、外部量子効率が６％、動作電圧が５Ｖで
ある。また、寿命は、電流４０ｍＡの条件で、通電時間
１０００時間での不良発生率が２５％である。したがっ
て、さらなる発光効率の上昇、動作電圧の低減、長寿命
化が望まれている。

【００１６】また、電力素子、高温素子、高速度動作素
子等の電子素子の動作部であるトランジスタの形成にお
いてもヘテロ接合部に問題があり、実用には程遠い。

【００１７】以上の様な半導体素子における障害をもた
らす大きな原因は、レーザの場合と同様に、Ｇａ_1-x Ａ
ｌ_x Ｎ層あるいはその近傍の層にしばしば発生するクラ
ックによるところが大きい。

【００１８】Ｇａ_1-x Ａｌ_x Ｎ層のｘを減らすことでク
ラックの発生の程度は小さくできるものの、例えば発光
ダイオードでは素子寿命が著しく短くなることが知られ
ている。例えばレーザダイオードの場合には、Ｇａ_1-x
Ａｌ_x Ｎ層のｘを減らすことでクラックの発生の程度は
小さくできるが、レーザ発振の間電流密度値が非常に高
くなり、室温での連続発振が阻害される。高速動作素子
の場合には、ｘを減らすと２次元電子ガスの形成が十分
できなくなる等の悪影響が知られている。

【００１９】このように従来の窒化ガリウム系半導体素
子では高Ａｌ組成のＡｌＧａＮ層をクラッド層などとし
て形成するのが非常に困難で、素子抵抗が著しく高くな
る。つまり、窒化ガリウム系半導体素子では、Ｇａ_1-x
Ａｌ_x Ｎ層のクラックを防ぐことと、素子の寿命を長く
することや動作特性を向上させることを同時に実現する
ことができなかった。このため、例えばレーザにおいて
は連続発振の実現が困難である。

【００２０】

【発明が解決しようとする課題】上述したように、Ｇａ
Ｎ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ等の窒素を含む半導体を備
えた窒化ガリウム系半導体素子においては、Ａｌ導入に
伴う格子不整問題を回避することが半導体素子の機能を
向上させる上で必要不可欠であり、その問題解決が要望
されている。

【００２１】本発明は、このような実情を考慮してなさ
れたもので、Ａｌ導入に伴う格子不整問題を回避し、Ｇ
ａ_1-x Ａｌ_x Ｎの厚みを薄することなくクラックの発生
を防止し、かつ、ＡｌＧａＮ層のＡｌ組成を高くし、例
えば活性層への光閉じ込めやキャリア閉じ込めが十分な
され得る窒化ガリウム系半導体素子を提供することを目
的とする。

【００２２】

【課題を解決するための手段】上記したように、サファ
イア基板等上に窒化ガリウム等の層を介して成長される
Ｇａ_1-x Ａｌ_x Ｎ等には、格子不整合のため臨界膜厚が
存在し、Ａｌ組成が高くなるにしたがって、限界の厚さ
が薄くなる。これは高いＡｌ組成を得ようとすると、ク
ラックが発生しやすくなるということに対応しており、
材料物性的な限界のせいであろうと考えられてきた。

【００２３】しかし、発明者らが実施した、Ｇａ_1-x Ａ
ｌ_x Ｎ層へのマグネシウムおよび珪素の添加実験の結果
によると、ｘが大きいほどクラックが発生しやすい傾向
はあるものの、マグネシウム添加量が多いほどクラック
の発生を抑制できることを見出した。この効果は、珪素
添加にも見られたが、マグネシウム添加による効果の方
が大きかった。

【００２４】つまり、ＭｇをドープしたＡｌＧａＮ層
は、アンドープあるいはＳｉドープのｎ型ＡｌＧａＮよ
りもクラックを発生することなく厚く成長できる。その
効果は良い再現性を示し、従来より２０％から５０％程
度層厚を厚くすることができた。Ｍｇの不純物濃度とし
ては１×１０¹⁹ｃｍ^-3から２×１０²⁰ｃｍ^-3の範囲でこ
の効果が明確に出現した。この効果の理由は明らかには
なっていないが、Ｍｇを高濃度ドープした時にＧａＮ、
ＡｌＧａＮの表面モフォロジーが変化することから考察
すると、Ｍｇドープ自体が結晶成長のモードに影響を与
えているものと考えられる。本来六方晶系結晶において
は、成長面に垂直方向に転位が入り易いなど理由による
縦方向の結晶の脆弱さなどをきっかけに、クラックが通
常論じられている臨界膜厚以下で発生しているとすれ
ば、添加されるＭｇは横方向、２次元成長をエンハンス
トする形でクラックを抑制している，とも解釈できる。

【００２５】一方、発明者らは、サファイヤなどの基板
上に成長させたナイトライド系半導体素子の構成に関
し、ＡｌＧａＮ層の層厚の総和を全エピタキシャル層厚
の半分以上にすれば、層構造の支配的な格子定数がＡｌ
ＧａＮ層のものになることを見出だした。したがって、
ＡｌＧａＮ層の厚さを調整すれば、Ａｌ導入に伴う格子
不整によりＡｌＧａＮ層にクラック等が発生するのを防
止できることになる。

【００２６】本願の各発明は上記発見に基づくものであ
り、より具体的には、以下のような解決手段により実現
される。

【００２７】まず、請求項１に対応する発明は、基板
と、基板に近接して設けられ、マグネシウム濃度Ｎ_bg1
ｃｍ^-3の窒化ガリウムを主成分とした厚みｄ₁ μｍの単
結晶層と、基板とで単結晶層を挟む位置に設けられ、濃
度Ｎ_Mgｃｍ^-3のマグネシウムが添加されるともに、Ａｌ
組成ｘが０．０２以上１以下となる厚みｄ₂ μｍのＧａ
_1-x Ａｌ_x Ｎを主成分とする半導体層とを備え、Ａｌ組
成ｘ、濃度Ｎ_Mg、濃度Ｎ_bg1 、厚みｄ₁ 及び厚みｄ₂ と
の間に以下の関係を有する窒化ガリウム系半導体素子で
ある。

【００２８】ｄ₁ ／（1600×ｘ）＜ｄ₂ ＜3.6 ×10^-3×
logＮ／（ｘ＋0.02）＋0.02 ここで、Ｎｃｍ^-3は、Ｎ_Mg＞Ｎ_bg1 の場合、Ｎ＝Ｎ_Mg−
Ｎ_bg1 、Ｎ_Mg≦Ｎ_bg1 の場合、Ｎは無添加のＧａ_1-x Ａ
ｌ_x Ｎにおけるマグネシウムのバックグラウンドレベル
である。

【００２９】このような条件を満たす窒化ガリウム系半
導体素子においては、Ｇａ_1-x Ａｌ_x Ｎ層およびその近
傍の層において、Ｇａ_1-x Ａｌ_x Ｎの厚みを薄すること
なくクラックの発生を防ぐことができる。したがって、
この窒化ガリウム系半導体素子により発光ダイオードを
形成したときには発光効率の向上及び動作電圧の低減化
を図ることができ、また、レーザダイオードを形成した
ときには室温連続発振の長寿命化、さらに、電子素子を
形成したときには動作特性の向上をはかることができ
る。

【００３０】次に、請求項２に対応する発明は、請求項
１に対応する発明において、レーザ発振可能に構成され
た活性層と、活性層に近接して設けられたｎ型ＡｌＧａ
Ｎ層とを備え、活性層に近接する半導体層と、ｎ型Ａｌ
ＧａＮ層とによって活性層が挟まれるように配置され、
かつ、半導体層の層厚をｎ型ＡｌＧａＮ層の層厚よりも
厚くした窒化ガリウム系半導体素子である。

【００３１】このような構成を設けたことにより、請求
項２に対応する発明の窒化ガリウム系半導体素子におい
ては、請求項１に対応する発明と同様な作用効果を奏す
る他、半導体層の層厚をｎ型ＡｌＧａＮ層の層厚よりも
厚くしたことにより、マグネシウム添加によるクラック
発生防止効果を最大限利用することができ、より一層に
活性層への光閉じ込めやキャリア閉じ込めが十分なされ
た，また室温連続発振の長寿命化がなされた半導体レー
ザを提供することができる。

【００３２】また、請求項３に対応する発明は、請求項
１に対応する発明において、レーザ発振可能に構成され
た活性層と、活性層に近接して設けられたｎ型ＡｌＧａ
Ｎ層とを備え、活性層に近接する半導体層と、ｎ型Ａｌ
ＧａＮ層とによって活性層が挟まれるように配置され、
かつ、半導体層のＡｌ組成をｎ型ＡｌＧａＮ層のＡｌ組
成よりも高くした窒化ガリウム系半導体素子である。

【００３３】このような構成を設けたことにより、請求
項３に対応する発明の窒化ガリウム系半導体素子におい
ては、請求項１に対応する発明と同様な作用効果を奏す
る他、半導体層のＡｌ組成をｎ型ＡｌＧａＮ層のＡｌ組
成よりも高くしたことにより、マグネシウム添加による
クラック発生防止効果を最大限利用することができ、よ
り一層に活性層への光閉じ込めやキャリア閉じ込めが十
分なされた，また室温連続発振の長寿命化がなされた半
導体レーザを提供することができる。

【００３４】

【００３５】

【００３６】

【００３７】

【００３８】

【００３９】

【００４０】

【００４１】

【００４２】

【００４３】

【００４４】

【００４５】

【００４６】

【００４７】

【００４８】

【００４９】なお、上述した課題を解決する手段として
は、上記手段の他、以下の内容をも含む。

【００５０】（１）前記活性層を挟む前記半導体層及び
前記ｎ型ＡｌＧａＮ層はそれぞれクラッド層をなし、前
記活性層と各クラッド層との間の少なくとも一方に、前
記活性層と前記クラッド層との中間的なバンドギャップ
を有する光ガイド層を備え、前記光ガイド層の厚さ及び
組成を調整することで両クラッド層の厚さの違いにより
生じる光学的非対称性を補正する請求項２記載の窒化ガ
リウム系半導体素子。

【００５１】（２）前記活性層を挟む前記半導体層及び
前記ｎ型ＡｌＧａＮ層はそれぞれクラッド層をなし、前
記活性層と各クラッド層との間の少なくとも一方に、前
記活性層と前記クラッド層との中間的なバンドギャップ
を有する光ガイド層を備え、前記光ガイド層の厚さ及び
組成を調整することで両クラッド層のＡｌ組成の高さの
違いにより生じる光学的非対称性を補正する請求項３記
載の窒化ガリウム系半導体素子。

【００５２】（３）光を放出可能に構成された活性層
と、ｐ型クラッド層として用いられる前記半導体層とで
前記活性層を挟むように設けられ、かつｎ型半導体とす
るためのｎ型不純物の他に、１０¹⁹ｃｍ^-3以上の不純物
濃度のＭｇが添加されたｎ−ＡｌＧａＮクラッド層とを
備えた請求項１記載の窒化ガリウム系半導体素子。

【００５３】（４）前記基板上にて成長させた前記半導
体層を含むエピタキシャル層のうち、少なくとも前記半
導体層を有する全ＡｌＧａＮ層の層厚の総和が前記エピ
タキシャル層の全層厚の半分以上を占める請求項１記載
の窒化ガリウム系半導体素子。

【００５４】（５）前記基板に接してエピタキシャル成
長させたバッファ層を備え、前記単結晶層は臨界膜厚以
下である上記（４）記載の窒化ガリウム系半導体素子。

【００５５】

【００５６】

【００５７】

【００５８】

【００５９】

【００６０】

【００６１】

【００６２】

【００６３】

【００６４】

【００６５】

【００６６】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照しながら実施の
形態を説明する。

【００６７】サファイア基板上に窒化ガリウム等の層を
介して成長されるＧａ_1-x Ａｌ_x Ｎには、格子不整合の
ため、ある組成ｘにおいて対応するクラック発生の起こ
らない限界の厚み，つまり臨界膜厚が存在する。Ｇａ
_1-x Ａｌ_x ＮのｘすなわちＡｌ組成が高くなるにしたが
って、限界の厚さが薄くなる。これは高いＡｌ組成を得
ようとすると、クラックが発生しやすくなるということ
に対応しており、材料物性的な限界のせいであろうと考
えられてきた。

【００６８】確かに、この傾向は本発明者等の実験でも
再現されており、Ｇａ_1-x Ａｌ_x Ｎ層の膜厚を薄くする
とクラックの発生は減少してくることが確認できてい
る。

【００６９】また、別途実施した、Ｇａ_1-x Ａｌ_x Ｎ層
へのマグネシウムおよび珪素の添加実験の結果を整理し
てみると、ｘが大きいほどクラックが発生しやすい傾向
は同じであるが、マグネシウム添加量が多いほどクラッ
クの発生を抑制できることを見出した。この効果は、珪
素添加にも見られたが、マグネシウム添加による効果の
方が大きかった。

【００７０】つまり、ＭｇをドープしたＡｌＧａＮ層
は、アンドープあるいはＳｉドープのｎ型ＡｌＧａＮよ
りもクラックを発生することなく厚く成長できる。その
効果は良い再現性を示し、従来より２０％から５０％程
度層厚を厚くすることができた。Ｍｇの不純物濃度とし
ては１×１０¹⁹ｃｍ^-3から２×１０²⁰ｃｍ^-3の範囲でこ
の効果が明確に出現した。この効果の理由は明らかには
なっていないが、Ｍｇを高濃度ドープした時にＧａＮ、
ＡｌＧａＮの表面モフォロジーが変化することから考察
すると、Ｍｇドープ自体が結晶成長のモードに影響を与
えているものと考えられる。本来六方晶系結晶において
は、成長面に垂直方向に転位が入り易いなどの理由によ
る縦方向の結晶の脆弱さなどをきっかけに、クラックが
通常論じられている臨界膜厚以下で発生しているとすれ
ば、添加されるＭｇは横方向、２次元成長をエンハンス
トする形でクラックを抑制している，とも解釈できる。

【００７１】図１は本発明の実施の形態の結晶成長に用
いる有機金属気相成長装置の概略構成図である。

【００７２】図１において、この有機金属気相成長装置
においては、石英製の成長容器３０１のガス導入口３０
２から原料ガスを供給し、ガス排出口３０３よりガスを
排出する構成になっている。また、グラファイト製のサ
セプタ３０４は高周波加熱装置３０５によって加熱さ
れ、サセプタ３０４の温度は、Ｗ熱電対３０６によって
測定及び制御される。基板３０７はサセプタ３０４の上
に直接置かれ、加熱される構成をとっている。

【００７３】このような構成の気相成長装置を用い、Ｇ
ａ_1-x Ａｌ_x Ｎ層の組成と膜厚とを種々変更し，かつマ
グネシウムもしくは珪素の添加量を種々変更した試料を
作成した。そして作成した各試料のクラック発生の状況
を調査した。この結果を図２及び図３に示す。

【００７４】図２は、マグネシウムを添加した場合にお
ける，Ｇａ_1-x Ａｌ_x Ｎ層の組成及び膜厚と、クラック
発生との関係を示す図である。

【００７５】図３は、珪素を添加した場合における，Ｇ
ａ_1-x Ａｌ_x Ｎ層の組成及び膜厚と、クラック発生との
関係を示す図である。

【００７６】各図において、黒丸がクラックの発生しな
かった試料であり、白丸はクラックが光学顕微鏡により
認められた場合を示す。図２に示す結果は種々のマグネ
シウム添加量の試料が混在しており、各試料のマグネシ
ウム濃度は５×１０¹⁸〜１×１０²⁰（ｃｍ^-3）の範囲内
にある。一方、図３に示す結果は種々の珪素添加量の試
料が混在しており、各試料の珪素濃度は５×１０¹⁷〜１
×１０¹⁹（ｃｍ^-3）の範囲内にある。

【００７７】マグネシウムもしくは珪素を添加すれば、
マグネシウムもしくは珪素を添加しない場合よりも、ク
ラックを起こすことなく成膜できるＧａ_1-x Ａｌ_x Ｎ層
の厚さを厚くできることは、先に述べた通りであるが、
マグネシウムもしくは珪素を添加した場合でも、図２、
図３より各要因に所定の関係があることがわかる。

【００７８】また、図２、図３では特に表示しないが、
同様の実験をさらに行い、その結果を整理したところ、
マグネシウムあるいは珪素の添加量が多いほどクラック
抑制効果は大きく、Ｇａ_1-x Ａｌ_x Ｎ層の下地の層の厚
みが薄いほどクラックは発生しにくいことが判明した。
ここでいう下地の層というのは、Ｇａ_1-x Ａｌ_x Ｎ層に
直接接している層に限らず、Ｇａ_1-x Ａｌ_x Ｎ層に対し
て主に歪みを発生させ得る層である。したがって、下地
の層に比較的薄い他の層を介してここで注目するＧａ
_1-x Ａｌ_x Ｎ層が設けられることもある。

【００７９】このようなクラック抑制効果は、他のIII-
Ｖ族化合物半導体である砒化ガリウムの結晶成長時にイ
ンジウム、珪素等を添加すると転位の発生や増殖を抑制
できる効果と類似の効果ではないかと考えられる。

【００８０】また、本発明者等は、下地への元素添加も
Ｇａ_1-x Ａｌ_x Ｎ層のクラック発生に関係があることを
見出した。

【００８１】一方、実際にＧａ_1-x Ａｌ_x Ｎ層をＩｎ
_1-x Ｇａ_x Ｎ（０≦ｘ≦１）との接合によって半導体素
子を作成する場合には、Ｇａ_1-x Ａｌ_x ＮのＡｌ組成ｘ
値として０．０２以上でないと、その効果はほとんど無
いことが別途検討した結果より明らかになっている。

【００８２】これらの実験結果を統合し、クラック発生
にどの項目がどのように係わっているのかを理解するた
めには、マグネシウムや珪素の添加量、下地の厚み、下
地のマグネシウムや珪素の濃度、Ａｌ組成それぞれの影
響度を数値化しておく必要がある。また、Ｇａ
_{1-x Ａｌx} Ｎ層の成長においては、その成長条件によっ
ては成膜上に穴の発生が認められることがある。このよ
うな穴の存在は、製造されるべき半導体素子に対し好ま
しくない影響を与えることがあるので、この穴の発生し
ない成長条件も検討しておく必要がある。以下に、クラ
ック及び穴の発生条件の数値化について、その検討手順
を示す。

【００８３】サファイア基板の上に核形成層を介して成
長したＧａＮ（以下、下地のＧａＮと称する）の厚みが
変化すると、当該ＧａＮ上に成長するＧａ_1-x Ａｌ_x Ｎ
層の歪みが変化することが見出だされている。そこで、
図１に示す装置を用い、下地のＧａＮの厚みを種々変化
させた上にＧａ_1-x Ａｌ_x Ｎ層のｘおよび膜厚（成長時
間）を変化させた試料を成長させた。

【００８４】試料成長後、Ｇａ_1-x Ａｌ_x Ｎ層が目視で
平坦かつ鏡面であって、かつ走査型電子顕微鏡観察によ
る表面の観察でも穴の存在が認められない限界を調べ
た。

【００８５】ｘが同じＧａ_1-x Ａｌ_x Ｎ層の場合、Ｇａ
_1-x Ａｌ_x Ｎ層が薄いときに走査型電子顕微鏡観察によ
る表面の観察で穴の存在が認められ、また、ｘが同じ場
合、下地のＧａＮ層が薄いときにも同様の現象が見られ
た。このような穴が存在すると、例えば添加不純物種が
そこで析出を起こしたり、あるいは穴を通って異常拡散
を起こし、穴が素子の劣化を早める要因として働く。し
たがって、長寿命化へ向けた条件設定としては、この穴
はあってはならないものであると判断した。

【００８６】上記実験の結果、ｘが大きい（Ａｌ組成が
高い）場合には、組成に比例して上記穴の発生が顕著に
なり、ｘを下げることによって、同じ膜厚、あるいは下
地のＧａＮとの厚みの比が同じでも上記穴の発生の限界
膜厚が上がることがわかった。この実験結果を図４，図
５，図６に示す。

【００８７】図４は、ＧａＡｌＮ層の厚さ及びＡｌ組成
とＧａＮ層の厚さとの関係を示す図であり、図５は、Ｇ
ａＡｌＮ層の厚さ及びＡｌ組成とＧａＮ層の厚さとの関
係を示す図である。また、図６は、ＧａＡｌＮ層の厚さ
及びＡｌ組成とＧａＮ層の厚さとの関係を示す図であ
る。

【００８８】図４〜図６の実験結果をもとにフィッティ
ングを行い、穴が発生しない条件を式で表わすことを検
討する。すなわち、Ｇａ_1-x Ａｌ_x Ｎ層が目視で平坦か
つ鏡面であって、かつ走査型電子顕微鏡観察による表面
の観察でも穴が見られない条件は、下地のＧａＮ層の厚
みをｄ₁ （μｍ）、Ｇａ_1-x Ａｌ_x Ｎ層の厚みをｄ
₂（μｍ）としたときに、以下の関係があることがわか
った。

【００８９】 ｄ₁ ／１６００＜ｘｄ₂ （０．０２≦ｘ≦１） …（１） つまり、Ｇａ_1-x Ａｌ_x Ｎ層の厚みがある程度以上であ
れば、上記穴の発生を防止できる。具体的には、図４〜
図６に示されるように各組成ｘにおいて（１）式に示す
不等号の方向で穴の発生をなくすことができる。

【００９０】この関係式は、下地のＧａＮあるいはＧａ
_1-x Ａｌ_x Ｎへの添加不純物種あるいは添加量には影響
を受けずに成り立っていることが、少なくともマグネシ
ウム添加及び珪素添加の場合には確認された。

【００９１】次に、クラックの発生と種々の要因につい
て述べる。組成ｘが高いほどクラックが発生しない限界
厚みが薄いことは広く知られている。この関係は、実験
結果を集積した結果、反比例で近似すると非常に良く実
験結果を説明できることがわかった。

【００９２】また、マグネシウムあるいは珪素を添加す
ることで、クラックの発生が抑制できることは前述の通
りであるが、下地のＧａＮ中におけるＧａ_1-x Ａｌ_x Ｎ
層中と同種の不純物濃度（マグネシウムあるいは珪素）
が高いと、この効果が薄れてしまうことを突き止めた。
すなわち下地のＧａＮ中とＧａ_1-x Ａｌ_x Ｎ中とに同種
の不純物が存在すると、その差分だけがクラック防止に
効いているということである。従って、Ｇａ_1-x Ａｌ_x
Ｎ中にマグネシウムが添加されており、下地のＧａＮに
珪素のみが添加されている場合には、単にマグネシウム
濃度でクラック防止効果が説明できる。

【００９３】一方、下地のＧａＮ中の方が高い不純物濃
度を持つ場合には、Ｇａ_1-x Ａｌ_xＮ中の不純物濃度、
組成、膜厚によらず不純物添加によるクラック発生の限
界膜厚が、無添加のＧａ_1-x Ａｌ_x Ｎの場合と変化が無
いことが分かった。

【００９４】図７はマグネシウムを添加して作成した試
料における，Ｇａ_1-x Ａｌ_x Ｎ層の組成及び膜厚と、ク
ラック発生との関係を示す図である。

【００９５】同図は、種々のマグネシウム添加量の試料
を含む図２に示す実験結果から、マグネシウム濃度５×
１０¹⁹（ｃｍ^-3）の場合の結果を抜き取って、また同濃
度の更なる実験結果を追加して表示したものである。な
お、黒丸がクラックの発生しなかった試料であり、白丸
はクラックが光学顕微鏡により認められた場合を示す。

【００９６】同図の結果よりクラックの発生しない条件
を数式化する。Ｇａ_1-x Ａｌ_x Ｎにマグネシウムが添加
されている場合には、以下の式でクラック発生の起こら
ないＧａ_1-x Ａｌ_x Ｎ膜厚ｄ₂ が表わされることが同図
に示すフィッティングより、明らかである。すなわち、
添加不純物がマグネシウムの場合、Ｇａ_{1-x Ａｌx} Ｎ中
のマグネシウム濃度Ｎ_Mg（ｃｍ^-3）と、下地のＧａＮ中
のマグネシウム濃度Ｎ_bg1 （ｃｍ^-3）との関係で、 ｄ₂ ＜3.6 ×10^-3× logＮ／（ｘ×0.02）＋0.02 …（２） である。ここで、Ｎ（ｃｍ^-3）は、Ｎ_Mg＞Ｎ_bg1 の場
合、Ｎ＝Ｎ_Mg−Ｎ_bg1 、Ｎ_Mg≦Ｎ_bg1 の場合、Ｎは無添
加のＧａ_1-x Ａｌ_x Ｎ（０．０２≦ｘ≦１）のマグネシ
ウムのバックグラウンドレベルである。なお、特に図示
しないが、図２における各マグネシウム濃度の場合でも
上記（２）式が成り立つことが確認されている。具体的
には、Ｇａ_1-x Ａｌ_x Ｎ中のマグネシウム濃度Ｎ_Mgの大
きさに応じて図２中に示されるフィッティングライン
（ｄ₂ ＝3.6 ×10^-3× logＮ／（ｘ×0.02）＋0.02）と
同様なラインの位置が図２中で上下にずれることとな
る。マグネシウム濃度が高ければ、フィッティングライ
ンは上方に移動し、マグネシウム濃度が低ければ、フィ
ッティングラインは下方に移動する。

【００９７】一方、図８は、珪素を添加して作成した試
料における，Ｇａ_1-x Ａｌ_x Ｎ層の組成及び膜厚と、ク
ラック発生との関係を示す図である。

【００９８】同図は、種々の珪素添加量の試料を含む図
３に示す実験結果から、珪素濃度３×１０¹⁸（ｃｍ^-3）
の場合の結果を抜き取って、また同濃度の更なる実験結
果を追加して表示したものである。なお、黒丸がクラッ
クの発生しなかった試料であり、白丸はクラックが光学
顕微鏡により認められた場合を示す。

【００９９】同図の結果よりクラックの発生しない条件
を上記場合と同様に数式化すると、添加不純物が珪素の
場合には、Ｇａ_1-x Ａｌ_x Ｎ中の珪素濃度Ｎ_si（ｃ
ｍ^-3）と、下地のＧａＮ中の珪素濃度Ｎ_bg2 （ｃｍ^-3）
との関係で、 ｄ₂ ＜3.2 ×10^-3×log Ｎ′／（ｘ＋0.02）＋0.02 …（３） である。ここで、Ｎ′（ｃｍ^-3）は、Ｎ_si＞Ｎ_bg2 の場
合、Ｎ′＝Ｎ_si−Ｎ_bg2 、Ｎ_si≦Ｎ_bg2 の場合、Ｎ′無
添加のＧａ_1-x Ａｌ_x Ｎ（０．０２≦ｘ≦１）の珪素の
バックグラウンドレベルである。なお、特に図示しない
が、図３における各珪素濃度の場合でも上記（３）式が
成り立つことが確認されている。具体的には、Ｇａ_1-x
Ａｌ_x Ｎ中の珪素濃度Ｎ_siの大きさに応じて図中に示さ
れるフィッティングライン（ｄ₂ ＝3.2 ×10^-3×log
Ｎ′／（ｘ＋0.02）＋0.02）と同様なラインの位置が図
３中で上下にずれることとなる。珪素濃度が高ければ、
フィッティングラインは上方に移動し、珪素濃度が低け
れば、フィッティングラインは下方に移動する。

【０１００】このように、クラックの発生が起こるＧａ
_1-x Ａｌ_x Ｎ層の厚さと、Ｇａ_1-xＡｌ_x Ｎ層及び下地
へのマグネシウムあるいは珪素の添加量との関係が明確
となった。

【０１０１】以上をまとめると、走査型電子顕微鏡観察
による表面の観察でも穴の存在が認められず、かつクラ
ックの発生の起こらない窒化ガリウム系半導体素子を実
現するためのＧａ_1-x Ａｌ_x Ｎ膜厚ｄ₂ の範囲は、マグ
ネシウム添加の場合（１）式及び（２）式より、Ｇａ
_1-x Ａｌ_x Ｎ中のマグネシウム濃度Ｎ_Mg（ｃｍ^-3）と下
地のＧａＮ中のマグネシウム濃度Ｎ_bg1 （ｃｍ^-3）との
関係で、以下の式の範囲にあれば良い事がわかった。

【０１０２】 ｄ₁ ／（1600×ｘ）＜ｄ₂ ＜3.6 ×10^-3× logＮ／（ｘ＋0.02）＋0.02 …（４） ここで、Ｎ（ｃｍ^-3）は、Ｎ_Mg＞Ｎ_bg1 の場合、Ｎ＝Ｎ
_Mg−Ｎ_bg1 、Ｎ_Mg≦Ｎ_bg1 の場合、Ｎは無添加のＧａ
_1-x Ａｌ_x Ｎ（０．０２≦ｘ≦１）のマグネシウムのバ
ックグラウンドレベルである。

【０１０３】一方、添加不純物が珪素の場合には（１）
式及び（３）式より、Ｇａ_1-x Ａｌ_x Ｎ中の珪素濃度Ｎ
_si（ｃｍ^-3）と、下地のＧａＮ中の珪素濃度Ｎ_bg2 （ｃ
ｍ^-3）との関係で、以下の式の範囲にあれば良い事がわ
かった。

【０１０４】 ｄ₁ ／（1600×ｘ）＜ｄ₂ ＜3.2 ×10^-3× logＮ′／（ｘ＋0.02）＋0.02 …（５） ここで、Ｎ′（ｃｍ^-3）は、Ｎ_si＞Ｎ_bg2 の場合、Ｎ′
＝Ｎ_si−Ｎ_bg2 、Ｎ_si≦Ｎ_bg2 の場合、Ｎ′は無添加の
Ｇａ_1-x Ａｌ_x Ｎ（０．０２≦ｘ≦１）の珪素のバック
グラウンドレベルである。

【０１０５】なお、上記各式で不等号”＜”を用いて条
件を設定したのは、穴やクラックが確実に発生しないよ
う安全サイドを取ったものである。

【０１０６】このように本発明の実施の形態に係る半導
体素子によれば、Ｇａ_1-x Ａｌ_x Ｎを主成分とする層を
含む窒化ガリウム系半導体積層構造において、マグネシ
ウム添加のＧａ_1-x Ａｌ_x Ｎ（０．０２≦ｘ≦１）層の
厚みｄ₂ （μｍ）と、組成ｘと添加されたマグネシウム
濃度Ｎ_Mgと、基板に最も近接した窒化ガリウムを主成分
とする単結晶層の厚みｄ₁ と、当該窒化ガリウムを主成
分とする単結晶層のマグネシウム濃度Ｎ_bg1 （ｃｍ^-3）
との関係が（４）式を満たしていれば、穴の存在が認め
られず、かつクラックの発生の起こらない窒化ガリウム
系半導体素子を実現することができる。

【０１０７】また、本発明の実施の形態に係る半導体素
子によれば、Ｇａ_1-x Ａｌ_x Ｎを主成分とする層を含む
窒化ガリウム系半導体積層構造において、珪素添加のＧ
ａ_{1- x} Ａｌ_x Ｎ層の厚みｄ₂ （μｍ）と、組成ｘと添加
された珪素濃度Ｎ_siと、基板に最も近接した窒化ガリウ
ムを主成分とする単結晶層の厚みｄ₁ と、当該窒化ガリ
ウムを主成分とする単結晶層の珪素濃度Ｎ_bg2 （ｃ
ｍ^-3）との関係が（５）式を満たしていれば、穴の存在
が認められず、かつクラックの発生の起こらない窒化ガ
リウム系半導体素子を実現することができる。

【０１０８】このように本発明の実施の形態に係る半導
体素子によれば、Ｇａ_1-x Ａｌ_x Ｎ層および近傍の層に
おいて、Ｇａ_1-x Ａｌ_x Ｎ層の厚みを薄くして、電子顕
微鏡で見られるような穴を発生させてしまう恐れが無
く、かつ従来ではクラックの発生する条件でもクラック
の発生を抑制することができる。したがって、発光ダイ
オードでは発光効率の向上、動作電圧の低減化及びレー
ザーダイオードでは室温連続発振の長寿命化、電子素子
では劣化の様子が従来の素子に比べて飛躍的に改善さ
れ、また動作特性の向上をはかり得る。従って、長寿命
の半導体素子を実現することが可能になる。

【０１０９】（第１の実施の形態）本実施の形態では、
上記見出された（４）式及び又は（５）式を満たす条件
で発光ダイオードの作製を行い、その素子特性を調べ
た。発光ダイオードは図１に示した有機金属気相成長装
置を用いて作製された。

【０１１０】図９，図１０及び図１１は、本発明の第１
の実施の形態の発光ダイオードの工程断面図である。

【０１１１】図１の気相成長装置において、ガス導入口
３０２から水素を供給しながら高周波加熱装置３０５に
通電を開始し、サセプタ３０４の上に置いた基板３０
７，すなわち図９におけるサファイア基板４０１を加熱
し、熱電対３０６の指示が１２００℃になるように調整
した。以下、熱電対３０６の指示を単に温度と称する。
この温度で１０分保持してから温度を６００℃まで下
げ、安定したところでトリメチルガリウム（以下ＴＭＧ
と略する）とトリメチルアルミニウム（以下ＴＭＡと略
する）およびアンモニアガスの供給を開始し、Ｇａ_0.9
Ａｌ_0.1 Ｎバッファー層４０２の成長を３０ｎｍ行っ
た。その後、ＴＭＧとＴＭＡの供給を停止し、温度を１
２００℃に再上昇させた。

【０１１２】次いで、水素で希釈したシランガスとＴＭ
Ｇの供給を開始し、珪素添加のｎ型ＧａＮ層４０３を４
μｍ成長させた。その後、ＴＭＧ、シランの供給を停止
し、温度を８００℃まで下げ、安定してからＴＭＧとＴ
ＭＩを供給し、もう１系統用意したＴＭＧとＴＭＩのラ
インを用いて井戸層Ｉｎ_0.15Ｇａ_0.85Ｎ及び障壁層Ｉｎ
_0.05Ｇａ_0.95Ｎの２０ペアからなる多重量子井戸（ＭＱ
Ｗ）構造活性層４０４を作成した。ＴＭＩの供給を停止
してから温度を１２００℃に戻し、安定した所でビスシ
クロペンタジエニルマグネシウム（以下Ｃｐ₂ Ｍｇと略
する）とＴＭＡを追加供給してマグネシウム添加のｐ型
Ｇａ_0.85Ａｌ_0.15Ｎ層４０５を０．３μｍ成長させた。

【０１１３】続いて、ＴＭＡの供給を停止してそのまま
マグネシウム添加のｐ型ＧａＮ層４０６を１μｍ成長さ
せた。その後、Ｃｐ₂ Ｍｇの供給を停止すると同時に水
素で希釈したシランガスを供給してｎ型のＧａＮ層４０
７を０．０５μｍ成長させた。

【０１１４】その後、ＴＭＧとシランガスの供給を停止
し、高周波加熱装置３０５への通電を停止した。温度が
８５０℃まで下がったところでアンモニアの供給を停止
した。

【０１１５】成長容器３０１から取り出したウエーハを
目視検査したところ、鏡面であった。微分干渉顕微鏡で
観察しても、特徴的な表面状態のパターンは見られなか
った。すなわち、ウエーハ全面でクラックは見られなか
った。また、図９の状態で走査型電子顕微鏡で表面状態
を観察したが、平坦であり、穴、突起物、うねり等の特
徴的なパターンは見られなかった。

【０１１６】以上のようにして得られたウエーハの全面
を反応性イオンエッチングによってマグネシウム添加の
ｐ型ＧａＮ層４０６まで堀った。

【０１１７】次に、断面電子顕微鏡観察によって確認し
た最表面からｎ型ＧａＮ層４０３までの距離を基にして
エッチング条件を決定し、ＳｉＯ₂ 膜をマスクに用いた
反応性イオンエッチングによって、図１０に示すように
ウエーハの一部を珪素添加のｎ型のＧａＮ層４０３まで
堀った。

【０１１８】次に、図１１に示すように、ｎ型のＴｉと
Ａｌの合金の電極４０８およびｐ型の亜鉛とＡｕの合金
の電極４０９を形成した。特に熱処理を行なうことなく
ｎ型、ｐ型共に良好なオーム性接触を実現していること
を確認した。

【０１１９】以上のようにして作成した発光ダイオード
は、下地のＧａＮ層４０３は４μｍの厚みがある。Ｇａ
_1-x Ａｌ_x Ｎ層４０５はマグネシウム添加で、ｘ値は
０．１５、膜厚は０．３μｍである。また、２次イオン
質量分析によるマグネシウム濃度の測定結果から、
（４）式におけるＮ_Mgは１．２×１０¹⁹ｃｍ^-3である。
Ｎ_{bg 1} はバックグラウンドレベル（１．０×１０¹⁶ｃｍ
^-3）であった。すなわち、走査型電子顕微鏡で見られる
穴の発生条件は、４／（１６００×０．１５）＝０．０
１６７となり、ｄ₂ の値０．３を下回っている。

【０１２０】（４）式からクラックの発生条件は、Ｎ_Mg
＞Ｎ_bg1 であるので、Ｎは、１．２×１０¹⁹−１．０×
１０¹⁶＝約１．２×１０¹⁹であり、３．６×１０^-3×
［ｌｏｇ（１．２×１０¹⁹）］／（０．１５＋０．０
２）＋０．０２＝０．４２となり、ｄ₂ の値０．３はこ
れより低いことが確認できた。

【０１２１】また、このように光学特性を測定したとこ
ろ、発光波長のピークは４２０ｎｍであり、３．６Ｖと
いう低い電圧で２０ｍＡ電流を流すことができた。ま
た、発光効率は外部量子効率で１３．４％と非常に高い
効率が実現できた。電流４０ｍＡにて、この発光ダイオ
ードの寿命試験を行ったところ、１０００時間経過後の
不良率は１％以下であり、長寿命化がはかられているこ
とが確認された。

【０１２２】このように本発明の実施の形態に係る半導
体発光素子によれば、（４）式の条件が成立するように
各層における添加物種類、濃度及び層厚を調整したの
で、発光ダイオードにおいて著しい長寿命化、さらなる
発光効率の上昇、動作電圧の低減を実現することができ
る。

【０１２３】（第２の実施の形態）本実施の形態では、
上記見出された（４）式及び又は（５）式を満たす条件
で青色レーザーダイオードの作製を行い、その素子特性
を調べた。青色レーザーダイオードは図１に示した有機
金属気相成長装置を用いて作製された。

【０１２４】図１２，図１３，図１４及び図１５は、本
発明の第２の実施の形態のレーザダイオードの工程断面
図である。

【０１２５】図１の気相成長装置において、ガス導入口
３０２から水素を供給しながら高周波加熱装置３０５に
通電を開始し、サセプタ３０４の上に置いた基板，すな
わち図１２におけるサファイア基板５０１を加熱し、温
度が１２００℃になるように調整した。この状態で１０
分保持してから温度を６００℃まで下げ、安定したとこ
ろでＴＭＧおよびアンモニアガスの供給を開始し、Ｇａ
Ｎバッファー層５０２の成長を４０ｎｍ行った。ＴＭＧ
の供給を停止し、温度を１２００℃に再上昇させた。

【０１２６】次いで、水素で希釈したシランガスとＴＭ
Ｇの供給を開始し、珪素添加のｎ型ＧａＮ層５０３を４
μｍ成長させた。その後、ＴＭＡを追加供給し、ｎ型の
珪素添加のＧａ_0.85Ａｌ_0.15Ｎ層５０４を０．３μｍ成
長させた。次に、ＴＭＡとシランガスの供給に停止し、
無添加のＧａＮ層５０５を０．１μｍ成長させた。次に
ＴＭＧ、シランの供給を停止し、温度を８００℃まで下
げ、安定してからＴＭＧを供給し、障壁層ＧａＮを４ｎ
ｍ成長させた。引き続きＴＭＩを追加することによって
井戸層Ｉｎ_0.15Ｇａ_0.85Ｎを２ｎｍ成長させた。この障
壁層と井戸層を繰り返し２０回成長することで多重量子
井戸（ＭＱＷ）構造活性層５０６を作成した。ＴＭＩの
供給を停止してから温度を１２００℃に戻し、安定した
所でＣｐ₂ Ｍｇを追加供給し、ｐ型ＧａＮ５０７を０．
１μｍ成長させた。

【０１２７】次にＴＭＡを追加供給してマグネシウム添
加のｐ型Ｇａ_0.85Ａｌ_0.15Ｎ層５０８を０．３μｍ成長
させた。続いて、ＴＭＡの供給を停止してそのままマグ
ネシウム添加のｐ型ＧａＮ層５０９を１μｍ成長させ
た。

【０１２８】その後、ＴＭＧとＣｐ₂ Ｍｇの供給を停止
し、高周波加熱装置３０５への通電を停止した。温度が
８５０℃まで下がったところでアンモニアの供給を停止
した。 成長容器３０１から取り出したウエーハを目視
検査したところ、鏡面であった。微分干渉顕微鏡で観察
しても、特徴的な表面状態のパターンは見られなかっ
た。すなわち、ウエーハ全面でクラックは見られなかっ
た。また、走査型電子顕微鏡で表面状態を観察したが、
平坦であり、穴、突起物、うねり等の特徴的なパターン
は見られなかった。

【０１２９】次に断面電子顕微鏡観察によって確認した
最表面からｎ型ＧａＮ層５０３までの距離を基にしてエ
ッチング条件を決定した。そして、ＳｉＯ₂ 膜５１０を
マスクに用いた反応性イオンエッチングによって、図１
３に示すようにウエーハの一部を珪素添加のｎ型ＧａＮ
層５０３まで堀った。

【０１３０】続いて、ポリイミド５１１を用いて直前に
反応性イオンエッチングによって削った部分を埋め、次
に、ウエーハ全体を削りｐ−ＧａＮの表面を露出させた
（図１４）。その上にＳｉＯ₂ 膜５１２をマスクに用い
た反応性イオンエッチングによって、ウエーハの一部を
珪素添加のｎ型ＧａＮ層５０３まで堀った（図１５）。

【０１３１】この状態でＴｉ及びＡｌの合金のｎ型電極
を形成し、ＳｉＯ₂ 膜５１２を取り除いてからＮｉ及び
Ａｕの合金のｐ型電極を形成した。特に熱処理を行なう
ことなくｎ型、ｐ型共に良好なオーム性接触を実現して
いることを確認した。

【０１３２】以上のようにして作成したレーザダイオー
ドは、下地のＧａＮ層５０３は４μｍの厚みがあり、Ｇ
ａ_1-x Ａｌ_x Ｎ層５０８はマグネシウム添加で、ｘは
０．１５、膜厚は０．３μｍである。ここで、下地のＧ
ａＮ層５０３とＧａ_1-x Ａｌ_xＮ層５０８との関係で
（４）式が適用される。２次イオン質量分析によるマグ
ネシウム濃度の測定結果から、Ｎ_Mgは１．２×１０¹⁹ｃ
ｍ^-3であり、Ｎ_bg1 はバックグラウンドレベル（１．０
×１０¹⁶ｃｍ^-3）であった。

【０１３３】したがって、走査型電子顕微鏡で見られる
（４）式の穴の発生条件は、４／（１６００×０．１
５）＝０．０１６７となり、ｄ₂ の値０．３を下回って
いる。また、Ｎ_Mg＞Ｎ_bg1 であるので、Ｎは１．２×１
０¹⁹−１．０×１０¹⁶＝約１．２×１０¹⁹であり、
（４）式のクラックの発生条件は３．６×１０^-3×［ｌ
ｏｇ（１．２×１０¹⁹）］／（０．１５＋０．０２）＋
０．０２＝０．４２となり、ｄ₂ の値０．３はこれより
低いことが確認できた。

【０１３４】また、下地のＧａＮ層５０３は４μｍの厚
みがあり、Ｇａ_1-x Ａｌ_x Ｎ層５０４は珪素添加で、ｘ
値は０．１５、膜厚は０．３μｍである。ここで、下地
のＧａＮ層５０３とＧａ_1-x Ａｌ_x Ｎ層５０４との関係
で（５）式が適用される。２次イオン質量分析による珪
素濃度の測定結果から、Ｎ_siは３．６×１０¹⁸ｃｍ^-3で
あり、Ｎ_bg2 はバックグラウンドレベル（３．０×１０
¹⁷ｃｍ^-3）であった。

【０１３５】したがって、走査型電子顕微鏡で見られる
（５）式の穴の発生条件は、４／（１６００×０．１
５）＝０．０１６７となり、ｄ₂ の値０．３を下回って
いる。また、Ｎ_si＞Ｎ_bg2 であるので、Ｎは３．６×１
０¹⁸−３．０×１０¹⁷＝３．３×１０¹⁸であり、（５）
式のクラックの発生条件は３．２×１０^-3×［ｌｏｇ
（３．３×１０¹⁸）］／（０．１５＋０．０２）＋０．
０２＝０．３７となり、ｄ₂ の値０．３はこれより低い
ことが確認できた。

【０１３６】このようにして作製した青色レーザダイオ
ードについて、室温で特性の測定を実施した。当該レー
ザは、５．０Ｖの電圧下で７５ｍＡの電流が流れ、連続
発振することが確認された。

【０１３７】次に、この状態で連続で試験を続行し、発
振が停止するまでの寿命を測定した。寿命を測定した素
子は全数で２００個であったが、１０００時間の寿命を
示した素子は１３２個であった。

【０１３８】一方、本発明の方法を用いない場合は１枚
のサファイア基板上に数多く作成されたレーザ素子の
内、連続発振する素子は１個だけであった。このレーザ
は、その時７Ｖ、電流９０ｍＡで室温にて連続発振して
いたが、寿命は１時間以内であった。このように本実施
の形態で作製した青色レーザダイオードは従来のものよ
り格段の進歩していることが確認された。

【０１３９】このように本発明の実施の形態に係る半導
体素子によれば、（４）式及び（５）式の条件が成立す
るように各層における添加物種類、濃度及び層厚を調整
したので、レーザの室温連続発振の動作電圧、電流値の
低減が図られることはもちろんのこと、寿命を飛躍的に
向上させることができる。

【０１４０】（第３の実施の形態）本実施の形態では、
上記見出された（４）式及び又は（５）式を満たす条件
でさらに他の青色レーザーダイオードの作製を行い、そ
の素子特性を調べた。青色レーザーダイオードは図１に
示した有機金属気相成長装置を用いて作製された。

【０１４１】図１６，図１７，図１８及び図１９は、本
発明の第２の実施の形態のレーザダイオードの工程断面
図である。

【０１４２】図１６において、サファイア基板６０１上
でのＧａＮバッファー層６０２からｐ型ＧａＮ層６０９
成長までの工程は第３の実施の形態の図１２に示す場合
と同じである。ｐ型ＧａＮ層６０９を成長した後にＣｐ
₂ Ｍｇとシランガスとを切り替え、ｎ型ＧａＮ６１０を
０．２μｍ成長させた。

【０１４３】その後、ＴＭＧとシランガスの供給を停止
し、高周波加熱装置３０５への通電を停止した。温度が
８５０℃まで下がったところでアンモニアの供給を停止
した。

【０１４４】成長容器３０１から取り出したウエーハを
目視検査したところ、鏡面であった。微分干渉顕微鏡で
観察しても、特徴的な表面状態のパターンは見られなか
った。すなわち、ウエーハ全面でクラックは見られなか
った。また、走査型電子顕微鏡で表面状態を観察した
が、平坦であり、穴、突起物、うねり等の特徴的なパタ
ーンは見られなかった。

【０１４５】次に断面電子顕微鏡観察によって確認した
最表面からｐ型ＧａＮ層６０９までの距離を基にしてエ
ッチング条件を決定した。その後ＳｉＯ₂ 膜をマスクに
用いた反応性イオンエッチングによってウエーハの一部
を珪素添加のｐ型ＧａＮ層６０９まで堀った（図１
７）。

【０１４６】続いて、再度成長容器３０１の中にこのウ
エーハを入れ、アンモニアガスを流しながら温度を１２
００℃まで上げた。１２００℃に達したところでＴＭＧ
とＣｐ₂ Ｍｇの供給を開始し、ｐ−ＧａＮ６１１を１μ
ｍ成長させた（図１８）。その後、ＴＭＧとシランガス
の供給を停止し、高周波加熱装置３０５への通電を停止
した。温度が８５０℃まで下がったところでアンモニア
の供給を停止した。

【０１４７】次に、ＳｉＯ₂ 膜６１２をマスクに用いた
反応用イオンエッチングによってウエーハの一部を珪素
添加のｎ型ＧａＮ層６０３まで堀った（図１９）。

【０１４８】この状態でｎ型のＴｉとＡｌの合金の電極
を形成し、ＳｉＯ₂ ６１２を取り除いてからｐ型のＮｉ
とＡｕの合金の電極を形成した。特に熱処理を行なうこ
となくｎ型、ｐ型共に良好なオーム性接触を実現してい
ることを確認した。

【０１４９】以上のようにして作成したレーザーダイオ
ードは、下地のＧａＮ層６０３は４μｍの厚みがあり、
Ｇａ_1-x Ａｌ_x Ｎ層６０８はマグネシウム添加で、ｘ値
は０．１５、膜厚は０．３μｍである。ここで、下地の
ＧａＮ層６０３とＧａ_1-x Ａｌ_x Ｎ層６０８との関係で
（４）式が適用される。２次イオン質量分析によるマグ
ネシウム濃度の測定結果から、（４）式のＮ_Mgは１．２
×１０¹⁹ｃｍ^-3であり、Ｎ_bg1 はバックグラウンドレベ
ル（１．０×１０¹⁶ｃｍ^-3）であった。

【０１５０】したがって、走査型電子顕微鏡で見られる
（４）式の穴の発生条件は、４／（１６００×０．１
５）＝０．０１６７となり、ｄ₂ の値０．３を下回って
いる。また、Ｎ_Mg＞Ｎ_bg1 であるので、Ｎは１．２×１
０¹⁹−１．０×１０¹⁸であり、（４）式のクラックの発
生条件は３．６×１０^-3×［ｌｏｇ（１．２×１
０¹⁹）］／（０．１５＋０．０２）＋０．０２＝０．４
２となり、ｄ₂ の値０．３はこれより低いことが確認で
きた。

【０１５１】また、下地のＧａＮ層６０３は４μｍの厚
みがあり、Ｇａ_1-x Ａｌ_x Ｎ層６０４は珪素添加で、ｘ
値は０．１５、膜厚は０．３μｍである。ここで、下地
のＧａＮ層６０３とＧａ_1-x Ａｌ_x Ｎ層６０４との関係
で（５）式が適用される。２次イオン質量分析による珪
素濃度の測定結果から、（５）式のＮ_siは３．６×１０
^18ｃｍ-3であり、Ｎ_bg2 はバックグラウンドレベル
（３．０×１０¹⁷ｃｍ^-3）であった。

【０１５２】したがって、走査型電子顕微鏡で見られる
（５）式の穴の発生条件は、４／（１６００×０．１
５）＝０．０１６７となり、ｄ₂ の値を０．３下回って
いる。また、Ｎ_si＞Ｎ_bg2 であるので、Ｎは３．６×１
０¹⁸−３．０×１０¹⁷であり、（５）式のクラックの発
生条件は３．２×１０^-3×［ｌｏｇ（３．３×１
０¹⁸）］／（０．１５＋０．０２）＋０．０２＝約０．
３７となり、ｄ₂ の値０．３はこれより低いことが確認
できた。

【０１５３】このようにして作製した青色レーザダイオ
ードについて、第２の実施の形態の場合と同様にして特
性測定と寿命測定を行った。動作電圧は５．０Ｖという
値であり、ほとんど第２の実施の形態のレーザ素子と遜
色の無い結果が得られた。

【０１５４】このように本発明の実施の形態に係る半導
体素子によれば、（４）式及び（５）式の条件が成立す
るように各層における添加物種類、濃度及び層厚を調整
したので、第２の実施の形態の場合と同様な効果を奏す
ることができる。

【０１５５】（第４の実施の形態）上記第１から第３の
実施の形態のそれぞれ図９，図１２及び図１６で示した
構造の内、バッファー層４０２／５０２／６０２とｎ型
ＧａＮ層４０３／５０３／６０３との間に無添加ＧａＮ
を挟んだ構造を作成した。この各半導体素子について上
記したように特性調査を行った。

【０１５６】その結果、大まかな特性にはほとんど影響
が見られなかったが、成長終了した積層構造の最表面の
面状態は、当該無添加ＧａＮ層を挟まなかった場合に比
べて有意に鏡面の度合いが良く、平坦性が高まってい
た。

【０１５７】このように本発明の実施の形態に係る半導
体素子によれば、上記第１から第３の実施の形態と同様
な構成に無添加ＧａＮを挟むようにしたので、上記第１
から第３の実施の形態と同様な効果を奏する他、各素子
の鏡面の度合いを良くし、平坦性を高めることができ
る。

【０１５８】従って、無添加ＧａＮ層を挟むことは半導
体素子の特性をより高める上で望ましい。

【０１５９】これまで述べてきた第１から第３の各実施
の形態では、ｎ型ｐ型オーム性電極材料としていくつか
例を挙げた。しかし、本発明に用いる電極構成はこれら
に限られるものでなく、上記場合と同等以上のオーム性
を示す電極材料及び熱処理方法であれば良く、種々変形
して実施することができる。

【０１６０】また、第１から第３の各実施の形態におい
ては、（４）式及び又は（５）式の条件を発光素子に適
用する場合を説明した。しかし、この条件は、クラック
及び穴の発生防止が要望される窒化ガリウム系の半導体
素子すべてに適用できるものである。したがって、本発
明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の素子に応用できる。
たとえば、広いバンドギャップを利用した１ＧＨｚ以上
の高周波電界効果素子や、２次元素子ガスを用いる超高
速電子移動度トランジスタ等の作成にも最適である。

【０１６１】（第５の実施の形態）本実施の形態は、サ
ファイヤなどの基板上に構成されたナイトライド系半導
体素子において、ＳｉドープＡｌＧａＮクラッド層及び
ＭｇドープＡｌＧａＮクラッド層の厚さを調整する。こ
れにより、レーザの光閉じ込め効果に問題を与えること
なく、Ｍｇドープの場合にクラックが抑制される効果を
利用するものである。

【０１６２】具体的には、Ｍｇドープ層ＡｌＧａＮ層の
層厚をｎ型あるいはアンドープ型のＡｌＧａＮ層の層厚
よりも厚くする。その際、活性層と該クラッド層との間
に設けた光ガイド層の厚さ、組成をクラッド層における
光学的非対称性を補正するように調整するなどの工夫を
するものである。

【０１６３】図２０は本発明の第５の実施の形態に係る
青色半導体レーザ装置の概略構成を説明する図である。

【０１６４】各窒化物層はすべてＭＯＣＶＤ（有機金属
気相成長法）により成長を行った。

【０１６５】この青色半導体レーザ装置においては、サ
ファイヤ基板１０１上に、低温成長（５５０℃）のＧａ
Ｎバッファー層１０２（層厚０．０３μｍ）が設けら
れ、その上にさらに、高温（１１００℃）で成長したｎ
−ＧａＮコンタクト層１０３（Ｓｉドープ、５×１０¹⁸
ｃｍ^-3、３μｍ）、Ｎｉ／Ａｕからなるｎ側電極１０
４、ｎ−Ａｌ_0.15Ｇａ_0.85Ｎクラッド層１０５（Ｓｉド
ープ、５×１０¹⁸ｃｍ^-3、０．２５μｍ）、多重量子井
戸構造（ＭＱＷ）及び光ガイド層を含む活性層部１０６
が設けられている。

【０１６６】この活性層部１０６は、図２１に詳しく示
すように、厚さ０．１μｍのＧａＮからなる光ガイド層
１０６ａ，１０６ｂを有する。また、その井戸層は３ｎ
ｍ厚のＩｎ_0.18Ｇａ_0.82Ｎ３層からなり、バリヤ層は厚
さ５ｎｍのＩｎ_0.04Ｇａ_0.96Ｎから構成される。

【０１６７】青色半導体レーザ装置においては、活性層
部１０６上にｐ−Ａｌ_0.15Ｇａ_0.85Ｎクラッド層１０７
（Ｍｇドープ、５×１０¹⁹ｃｍ^-3、０．３５μｍ）が設
けられ、さらにｐ−ＧａＮ再成長用キャップ層１０８
（Ｍｇドープ、５×１０¹⁹ｃｍ^-3、０．３μｍ）、ｐ−
ＧａＮコンタクト層１０９（Ｍｇドープ、８×１０¹⁹ｃ
ｍ^-3、０．８μｍ）、ｐ⁺ −ＧａＮ高濃度コンタクト層
１１０（Ｍｇドープ、２×１０²⁰ｃｍ^-3、０．１μ
ｍ）、ｎ−Ｉｎ_0.2 Ｇａ_0.8 Ｎからなる電流狭窄層１１
１（Ｓｉドープ、５×１０¹⁸ｃｍ^-3、０．２５μｍ）、
ｐ側電極１１２が設けられている。

【０１６８】なおサファイア基板は（０００１）ｃ面を
用いており、レーザミラーはへき開により形成されてい
る。

【０１６９】従来技術で述べように、高Ａｌ組成のＡｌ
ＧａＮ層には六角形状のクラックが極めて生じやすい。
このようなクラックに対する対策を講じないレーザ構造
では発振には至らない。また、例えわずかな歩留りで発
振に至っても通電中に残留歪が原因と考えられる著しい
劣化を示した。クラックを抑制するために単純にＡｌＧ
ａＮクラッド層の厚さを薄くすれば導波モードの不安定
性などが顕在化し、またクラッドから外にしみだした導
波モード光がＧａＮコンタクト層などで損失を受けるこ
ととなり、低しきい値のレーザは実現できない。

【０１７０】一方、上記したように、発明者等はＭｇを
ドープしたＡｌＧａＮ層がアンドープあるいはＳｉドー
プのｎ型ＡｌＧａＮよりも厚くクラックを発生すること
なく成長できることを見い出した。このようにＡｌＧａ
Ｎ層を２０％から５０％層厚を厚くすることができる理
由は先に推測し、また、各層厚，添加濃度をパラメータ
としたクラックや穴の発生しない条件は上記（１）〜
（５）式に示した通りである。

【０１７１】図２０に示すレーザ装置は、このＭｇによ
るクラック防止効果を積極的に取り入れた構造とし、
（４）式及び（５）式の条件を満たすものである。

【０１７２】図２１は、本実施の形態のレーザのｎ−Ａ
ｌＧａＮクラッド層、活性層部及びｐ−ＡｌＧａＮクラ
ッド層の部分の伝導帯側のバンドダイヤグラムを示す図
である。

【０１７３】クラックの発生しやすいＳｉ−ＡｌＧａＮ
層１０５は０．２５μｍと薄くし、ｐ側のクラッド層で
あるＭｇ−ＡｌＧａＮ層１０７は０．３５μｍと厚くし
ている。この組み合わせでトータルでＡｌを含む層はク
ラックの臨界膜厚以下に設定できる。また光の導波モー
ドに対して非対称とはなるが大きなしきい値の増加は発
生しない。逆にＭｇ−ＡｌＧａＮ層１０７も０．２５μ
ｍと薄くするとしきい値は５０％増大した。

【０１７４】本実施の形態において作製されたレーザ
は、しきい値８５ｍＡで室温連続発振した。発振波長は
４１５ｎｍ、動作電圧は６Ｖであった。図２０において
電流狭窄層１１１はｎ型のＩｎＧａＮを用いており、発
光波長に対して損失を持つような組成に設定している。
すなわちこの構造は損失ガイド型の横モード制御レーザ
であり、ストライプ幅は４μｍに設定している。ＩｎＧ
ａＮ層は低温７００−９００℃の範囲で成長させ、ｐ−
ＧａＮ再成長用キャップ層１０８の上にＳｉＯ₂などの
マスクを残し、電流狭窄層１１１を再成長する時に選択
成長することで窓を開けている。ｐ−ＧａＮコンタクト
層１０９もＳｉＯ₂ マスクを取り除いた後、再成長で成
長しており、コンタクト用にｐ⁺ −ＧａＮ高濃度コンタ
クト層１１０はＭｇの濃度を特に高くした。

【０１７５】このように本発明の実施の形態に係る半導
体レーザ装置によれば、各層におけるマグネシウムＭｇ
等の添加量及び各層の厚さを所定条件内となるように調
整したので、クラックを発生させること無く、高Ａｌ組
成のＡｌＧａＮ層をクラッド層としてナイトライド系半
導体素子に用いることができ、素子抵抗は十分に低くな
り、特に半導体レーザにおいては、低しきい値のみなら
ず、信頼性も大幅に向上した。また、製造方法も簡単で
あり、その有用性は絶大である。

【０１７６】（第６の実施の形態）本実施の形態は、サ
ファイヤなどの基板上に構成されたナイトライド系半導
体素子において、ＳｉドープＡｌＧａＮクラッド層及び
ＭｇドープＡｌＧａＮクラッド層の組成を調整する。こ
れにより、レーザの光閉じ込め効果に問題を与えること
なく、Ｍｇドープの場合にクラックが抑制される効果を
利用するものである。

【０１７７】すなわち、Ｍｇドープ層ＡｌＧａＮ層のＡ
ｌ組成をｎ型あるいはアンドープ型のＡｌＧａＮ層のＡ
ｌ組成よりも高くする。その際、活性層と該クラッド層
との間に設けた光ガイド層の厚さ、組成をクラッド層に
おける光学的非対称性を補正するように調整するなどの
工夫をするものである。

【０１７８】図２２は本発明の第６の実施の形態に係わ
る部分の伝導帯側のバンドダイヤグラムを説明する図で
ある。

【０１７９】レーザ構造としては図２０に示す構造を用
いている。本実施の形態ではクラックの発生しやすいＳ
ｉ−ＡｌＧａＮのＡｌ組成を１０％に低くしている。ｎ
側のクラッド層であるＳｉ−ＡｌＧａＮ層１０５の厚さ
は、ｐ側のＭｇ−ＡｌＧａＮ層１０７の厚さと同じ０．
３５μｍとした。なお、（４）式及び（５）式の条件は
満たされている。

【０１８０】この組み合わせでクラックは発生していな
い。またこの場合も光の導波モードに対して非対称とな
るが大きなしきい値の増加は発生しない。本実施の形態
において作製されたレーザは、しきい値７５ｍＡで室温
連続発振した。発振波長は４１５ｎｍ、動作電圧は５．
５Ｖであった。

【０１８１】このように本発明の実施の形態に係る半導
体レーザ装置によれば、各層におけるマグネシウムＭｇ
等の添加量及び各層の厚さを所定条件内となるように調
整したので、第５の実施の形態と同様な効果を奏するこ
とができる。

【０１８２】（第７の実施の形態）本実施の形態は、サ
ファイヤなどの基板上に構成されたナイトライド系半導
体素子において、ＳｉドープＡｌＧａＮクラッド層及び
ＭｇドープＡｌＧａＮクラッド層の厚さを調整する。こ
れにより、レーザの光閉じ込め効果に問題を与えること
なく、Ｍｇドープの場合にクラックが抑制される効果を
利用するものである。

【０１８３】すなわち、Ｍｇドープ層ＡｌＧａＮ層の層
厚をｎ型あるいはアンドープ型のＡｌＧａＮ層の層厚よ
りも厚くする。その際、活性層と該クラッド層との間に
設けた光ガイド層の厚さ、組成をクラッド層における光
学的非対称性を補正するように調整するなどの工夫をす
るものである。

【０１８４】図２３は本発明の第７の実施の形態に係わ
る部分の伝導帯側のバンドダイヤグラムを説明する図で
ある。

【０１８５】クラックの発生しやすいＳｉ−ＡｌＧａＮ
層１０５は０．２５μｍと薄くし、ｐ側のクラッド層で
あるＭｇ−ＡｌＧａＮ層１０７は０．３５μｍと厚くし
ているのは第５の実施の形態と同じである。

【０１８６】光の導波モードに対して非対称となる影響
は光ガイド層を工夫することで低減されている。すなわ
ち図２３に示すように、活性層部１０６のｎ側には０．
１μｍの光ガイド層１０６ａを設けているが、ｐ側は直
接Ｍｇ−ＡｌＧａＮがＭＱＷに接している。ｎ側クラッ
ド層１０５を薄くしたためにｎ−ＧａＮ層１０３での光
の導波モード損失が発生してモードがｐ側に押やられる
のをｎ側ガイド層１０６ａにより引き戻す設計となって
いる。

【０１８７】本実施の形態において作製されたレーザ
は、しきい値６５ｍＡで室温連続発振した。発振波長は
４１５ｎｍ、動作電圧は５Ｖであった。

【０１８８】このように本発明の実施の形態に係る半導
体レーザ装置によれば、各層におけるマグネシウムＭｇ
等の添加量及び各層の厚さを所定条件内となるように調
整したので、第５の実施の形態と同様な効果を奏する
他、光ガイド層の厚さを調整することで、光学的非対称
性を確実に解消することができる。

【０１８９】また、本実施の形態では、ＭＱＷをＭｇ−
ＡｌＧａＮ層１０７と直接接する構成としたが、この間
にも光ガイド層を設け、ＭＱＷ両側の各光ガイド層の厚
さを調整することで非対称性補正をしてもよい。さら
に、光ガイド層の組成を調整して非対称性を補正しても
よい。

【０１９０】（第８の実施の形態）本実施の形態は、サ
ファイヤなどの基板上に構成されたナイトライド系半導
体素子において、ＳｉドープＡｌＧａＮクラッド層及び
ＭｇドープＡｌＧａＮクラッド層の組成を調整する。こ
れにより、レーザの光閉じ込め効果に問題を与えること
なく、Ｍｇドープの場合にクラックが抑制される効果を
利用するものである。

【０１９１】すなわち、クラックの出やすい導電型であ
るｎ型のＡｌＧａＮに対し、ｎ型不純物以外に１ｘ１０
¹⁹ｃｍ^-3以上の不純物濃度のＭｇを同時にドープするこ
とでクラックを防止するものである。その際、クラッド
層において光学的非対称性が生じる場合には、活性層と
該クラッド層との間に設けた光ガイド層の厚さ、組成を
調整するなどの工夫して非対称性を補正するものであ
る。

【０１９２】図２４は本発明の第８の実施の形態に係わ
る青色半導体レーザ装置の概略構成を説明する図であ
る。

【０１９３】各窒化物層はすべてＭＯＣＶＤ（有機金属
気相成長法）により成長を行った。

【０１９４】この青色半導体レーザ装置においては、サ
ファイヤ基板２０３上に、低温成長（５５０℃）のＧａ
Ｎバッファー層２０４（０．０３μｍ）が設けられ、そ
の上にさらに、高温（１１００℃）で成長したｎ−Ｇａ
Ｎコンタクト層２０５（Ｓｉドープ、５×１０¹⁸ｃ
ｍ^-3、３μｍ）、Ｔｉ／Ａｕからなるｎ側電極２０６、
ｎ−Ａｌ_0.15Ｇａ_0.85Ｎクラッド層２０７（Ｍｇ：５×
１０¹⁹ｃｍ^-3、Ｓｉ：５×１０¹⁸ｃｍ^-3同時ドープ０．
３５μｍ）、多重量子井戸構造（ＭＱＷ）及び光ガイド
層を含む活性層部２０８が設けられている。

【０１９５】活性層部２０８は、図２５に詳しく示すよ
うに、厚さ０．１μｍのＧａＮからなる光ガイド層２０
８ａ，２０８ｂを有している。また、その井戸層は３ｎ
ｍ厚のＩｎ_0.18Ｇａ_0.82Ｎ３層からなり、バリヤ層は厚
さ５ｎｍのＩｎ_0.04Ｇａ_0.96Ｎから構成される。

【０１９６】青色半導体レーザ装置は、さらに、ｐ−Ａ
ｌ_0.15Ｇａ_0.85Ｎクラッド層２０９（Ｍｇドープ、５×
１０¹⁹ｃｍ^-3、０．３５μｍ）、ｐ−ＧａＮ再成長用キ
ャップ層２１０（Ｍｇドープ、５×１０¹⁹ｃｍ^-3、０．
３μｍ）、ｐ−ＧａＮコンタクト層（Ｍｇドープ、８×
１０¹⁹ｃｍ^-3、０．８μｍ）２１１、ｐ⁺ −ＧａＮ高濃
度コンタクト層２１２（Ｍｇドープ、２×１０²⁰ｃ
ｍ^-3、０．１μｍ）、ｐ側電極２１３、高抵抗Ａｌ_0.6
Ｇａ_0.4 Ｎからなる埋め込み層２１４（アンドープ、
０．２５μｍ）を備えている。

【０１９７】なお、サファイア基板は（０００１）ｃ面
を用いており、レーザミラーはへき開により形成されて
いる。

【０１９８】図２４において、埋め込み層２１４には高
抵抗ＡｌＧａＮを用いており、活性層までエッチングで
堀込んだ後、選択成長で形成した。すなわちこの構造は
埋め込み型、いわゆるＢＨ構造であり、ストライプ幅は
３μｍに設定している。アンドーブでもＡｌＧａＮはＡ
ｌ組成が高い場合には高抵抗化するが、Ｚｎなどをドー
プしても良い。またＺｎドープＧａＮでも良い。

【０１９９】図２５は本実施の形態に係わる部分の伝導
帯側のバンドダイヤグラムを説明する図である。

【０２００】本実施の形態ではクラックの発生しやすい
Ｓｉ−ＡｌＧａＮ層２０７にＭｇを同時ドープしてい
る。厚さはｐ側のクラッド層であるＭｇ−ＡｌＧａＮ層
２０９と同じく０．３５μｍとした。この組み合わせで
クラックは発生していない。この構造でＭｇはクラック
制御不純物として機能している。上記したようにＳｉ−
ＡｌＧａＮ層２０７には、Ｍｇが５×１０¹⁹ｃｍ^-3、Ｓ
ｉが５×１０¹⁸ｃｍ^-3ドープされている。Ｍｇの不純物
レベルは１５０ｍｅｖ程度と深いため室温で活性化し、
ｐ型、ｎ型と補償した結果として本層２０７はｎ型とな
る。Ｍｇを同時にドープすることによる光損失、ｎキャ
リヤ濃度に与える影響は小さい。

【０２０１】本実施の形態において作製されたレーザ
は、しきい値７５ｍＡで室温連続発振した。発振波長は
４１５ｎｍ、動作電圧は５．５Ｖであった。

【０２０２】このように本発明の実施の形態に係る半導
体レーザ装置によれば、各層におけるマグネシウムＭｇ
等の添加量及び各層の厚さを所定条件内となるように調
整したので、第５の実施の形態と同様な効果を奏するこ
とができる。

【０２０３】（第９の実施の形態）上記第１〜第８の各
実施の形態では、（４）式及び又は（５）式により得ら
れる条件に適合させることでＡｌＧａＮ層のクラック発
生を防止するようにしていた。これに対し、本実施の形
態は、ＡｌＧａＮ層の層厚の総和を全エピタキシャル層
厚の半分以上にして、層構造の支配的な格子定数がＡｌ
ＧａＮ層のものになるようにすることで、Ａｌ導入に伴
う格子不整によりＡｌＧａＮ層にクラック等が発生する
のを防止する。つまり、主たる層をＡｌＧａＮ層にしよ
うという考え方である。

【０２０４】図２６は本発明の第９の実施の形態に係わ
る窒素を含む化合物半導体素子を適用した青色半導体レ
ーザ装置の概略構成を示す断面図である。

【０２０５】この青色半導体レーザ装置における各窒化
物層は、すべてＭＯＣＶＤ（有機金属気相成長法）によ
り成長させたものである。

【０２０６】まず、図２６に示すサファイヤ基板１１上
に、低温（５５０℃）でＧａＮバッファー層１２（０．
０３μｍ）を成長させ、続いて高温（１１００℃）にて
ＧａＮ単結晶バッファー層１３（０．３μｍ）を成長さ
せる。

【０２０７】さらに、その上に十分に厚いｎ−Ａｌ_0.15
Ｇａ_0.85Ｎコンタクト層１４（Ｓｉドープ、１×１０¹⁸
ｃｍ^-3、１．５μｍ）と、ｎ−Ａｌ_0.3 Ｇａ_0.3 Ｎクラ
ッド層１５（Ｓｉドープ、５×１０¹⁷ｃｍ^-3、０．２μ
ｍ）と、活性層１６と、ｐ−Ａｌ_0.3 Ｇａ_0.3 Ｎクラッ
ド層１７（Ｍｇドープ、５×１０¹⁷ｃｍ^-3、０．２μ
ｍ）と、ＧａＮコンタクト層１８（Ｍｇドープ、１〜３
×１０¹⁸ｃｍ^-3、０．１μｍ）とを順次成長させる。

【０２０８】そして、ＧａＮコンタクト層１８上にｐ側
電極２０、ｎ−ＡｌＧａＮコンタクト層１４上にｎ側電
極１９が設けられて、青色半導体レーザ装置として構成
されることになる。なお、活性層１６は、１００オング
ストロームのＩｎ_0.1 Ｇａ_{0. 9} Ｎが両側Ａｌ_0.1 Ｇａ
_0.9 Ｎで挟まれた構造となっている（アンドープ） 図２６に示す青色半導体レーザ装置の半導体素子部分
は、主にＧａＮからなる層としては低温成長ＧａＮバッ
ファー層１２と、高温ＧａＮ単結晶バッファー層１３
と、ＧａＮコンタクト層１８とがあり、その合計層厚
は、約０．４３μｍである。一方、主にＡｌＧａＮから
なる層としてはｎ−ＡｌＧａＮコンタクト層１４と、ｎ
−ＡｌＧａＮクラッド層１５と、活性層１６と、ｐ−Ａ
ｌＧａＮクラッド層１７とがあり、その合計層厚は、約
１．９μｍである。

【０２０９】このように本実施形態の構造では、ＧａＮ
層に対して、ＡｌＧａＮ層が厚く、層構造を構成する支
配的な格子定数はＡｌＧａＮ層のものとなる。

【０２１０】この様子を図２７の概念図に示す。この場
合、各ＧａＮ層はクラック等を生じない臨界膜厚以下と
なっており、圧縮歪が導入された状態となっているもの
の、転位など新たに発生することなく、層構造を形成・
維持することができる。

【０２１１】なお、このような本実施の形態に示すよう
にＡｌＧａＮ層が層構造の支配的な層となる構成とせ
ず、かつ上記（４）式又は（５）式の条件も満たさない
場合には、図２８の概念図に示すようにＡｌＧａＮ層に
引っ張り歪みが生じることになり、クラックが発生す
る。

【０２１２】ところで、サファイヤ基板を用いてＡｌＧ
ａＮ層を形成する場合、本実施の形態でも実施したよう
に、基板と直接もしくは基板付近にＧａＮの単結晶層を
挿入することが必要である。これは、Ａｌを含むナイト
ライド結晶に比べＧａＮ結晶が粘り強い性質を有してい
るので、サファイヤ基板、あるいは下記で述べる低温成
長層との歪みがあってもこのＧａＮ層の存在によって、
それ以降の結晶成長を維持することが可能となるからで
ある。したがって、サファイヤ基板からＧａＮ層を全く
介することなく良質なＡｌＧａＮ層を成長させ続ける構
造とすることは、一般に困難とされている。

【０２１３】このように高温ＧａＮ単結晶バッファー層
１３は、サファイヤ基板１１もしくはアモルフォス層で
ある低温成長ＧａＮバッファー層１２との格子不正を緩
和するために導入され、かかる目的を達成するために臨
界膜厚以下の単結晶層となっている。

【０２１４】このように高温ＧａＮ単結晶バッファー層
１３は、ｎ−ＡｌＧａＮコンタクト層１４以降の層に対
する結晶成長時の転位伝搬を防止すると共に、半導体素
子形成後の上記圧縮歪みによる転位発生を抑える働きを
している。つまり、この高温ＧａＮ単結晶バッファー層
１３がないと、半導体素子形成後のＡｌＧａＮ層に起因
して発生する圧縮歪みにより、アモルフォス層である低
温成長ＧａＮバッファー層１２に転位等が入ることにな
る。この転位は上方向に伝搬し、結局発光素子部を含む
ＡｌＧａＮ層にも転位等を生じるが、本実施形態では、
高温ＧａＮ単結晶バッファー層１３により転位発生・伝
搬が防止されている。

【０２１５】なお、高温ＧａＮ単結晶バッファー層１３
自体は、上記したように臨界膜厚以下であるのでここか
ら転位・クラック等を新たに生じることはない。

【０２１６】また、サファイヤ基板１１との界面には、
上記したように低温成長したアモルフォス状のＧａＮバ
ッファー層１２が設けられている。なお、このバッファ
層１２は低温成長したＡｌＮバッファー層等のアモルフ
ォス層でもよい。このようなバッファ層１２が設けられ
る理由は、低温成長バッファー層がアモルフォス状であ
れば、成長層の核化形成には支配的な層役割を果たす
が、格子不整に関しては存在する転位等によって緩和す
る方向に働くからである。したがって、このような低温
バッファー層の存在によってサファイヤ基板との格子不
整が大幅に緩和され、以降の結晶成長が良好に続けられ
ることになる。

【０２１７】したがって、この低温成長バッファー層の
存在により単結晶性の良いＧａＮ層の成長が可能とな
り、これにより、ＡｌＧａＮ層からなる発光素子部をも
形成可能となる。

【０２１８】ＡｌＧａＮ層の総和が全エピタキシャル層
厚の半分以上である場合、層構造を構成する支配的な格
子定数は厚い側のＡｌＧａＮ層のものとなり、良好な結
晶状態が維持される。なお、ＡｌＧａＮ層は光閉じ込め
のためにある程度厚膜が必要であるが、ＧａＮ層はコン
タクト層などキャリヤ濃度などを適正化すれば総層厚を
薄くできるので、上記構造を実現することが可能であ
る。

【０２１９】また、コンタクト層としての測定評価をし
たところＧａＮの圧縮歪が原因と考えられる、コンタク
ト抵抗の低減効果が見られた。ＧａＮの圧縮歪としてＡ
ｌＧａＮ層のＡｌ組成が１０％を越える量から以上のよ
うな改善につながる効果が得られ始めた。また基板とし
てはサファイヤなどの酸化物系基板の場合がこのよう
な、ＡｌＧａＮ層による格子定数構築に適していた。

【０２２０】以上のように構成された青色半導体レーザ
装置は、しきい値１０５ｍＡで室温パルス発振した。発
振波長は４１５ｎｍ、動作電圧は１０Ｖであった。

【０２２１】このように本発明の第９の実施の形態に係
る窒素を含む化合物半導体素子においては、エピタキシ
ャル層におけるＡｌＧａＮ層の厚さを半分以上とし、層
構造を構成する支配的な格子定数をＡｌＧａＮ層のもの
とするようにしたので、クラックを発生させることのな
い良好なＡｌＧａＮ層を得ることができ、高Ａｌ組成の
ＡｌＧａＮ層をクラッド層としてナイトライド系半導体
素子に用いることができる。その有用性は絶大である。

【０２２２】したがって、素子抵抗を十分に低くするこ
とができ、特に半導体レーザにおいては、低しきい値を
実現できるのみならず、信頼性も大幅に向上させること
ができる。これにより、活性層への光閉じ込め，キャリ
ヤ閉じ込め等を十分行うことができる優れた特性の窒素
を含む化合物半導体素子を提供することができる。

【０２２３】また、本実施の形態の窒素を含む化合物半
導体素子においては、サファイヤ基板１１とｎ−ＡｌＧ
ａＮコンタクト層１４との間に、低温成長ＧａＮバッフ
ァー層１２及び臨界膜厚以下の高温ＧａＮ単結晶バッフ
ァー層１３を設け、基板１１とナイトライド系半導体成
長層との基本的な格子不整合を解消し、さらに、支配的
な格子定数がＡｌＧａＮ層のものであることによる格子
定数差を吸収するようにしたので、新たな転位・クラッ
ク等の発生を防止することとができ、転位・クラックの
少ない化合物半導体素子を得ることができる。したがっ
て、素子抵抗を十分に低くすることができる。この単結
晶ＧａＮバッファー層１３が設けられることで、結晶表
面の平坦性も改善され、良好なＡｌＧａＮ層の成長を可
能ならしめている。

【０２２４】なお、ＡｌＧａＮ層の厚さ条件を本実施の
形態の場合と同様にし、かつ（４）式及び又は（５）式
の条件に適合させた半導体発光素子を製造してもよい。
このようにすれば、より一層確実にＡｌＧａＮ層のクラ
ック発生を防止し、信頼性の高い窒化ガリウム系半導体
素子を得ることができる。

【０２２５】（第１０の実施の形態）上記第１〜第８の
各実施の形態では、（４）式及び又は（５）式により得
られる条件に適合させることでＡｌＧａＮ層のクラック
発生を防止するようにしていた。これに対し、本実施の
形態は、第９の実施の形態と同様、ＡｌＧａＮ層の層厚
の総和を全エピタキシャル層厚の半分以上にして、層構
造の支配的な格子定数がＡｌＧａＮ層のものになるよう
にすることで、Ａｌ導入に伴う格子不整によりＡｌＧａ
Ｎ層にクラック等が発生するのを防止する。つまり、主
たる層をＡｌＧａＮ層にしようという考え方である。

【０２２６】図２９は本発明の第１０の実施の形態に係
わる窒素を含む化合物半導体素子を適用した青色半導体
レーザ装置の概略構成を示す断面図である。

【０２２７】この青色半導体レーザ装置における各窒化
物層は、すべてＭＯＣＶＤ（有機金属気相成長法）によ
り成長させたものである。

【０２２８】まず、図２９に示すサファイヤ基板２１上
に、まず、低温（５５０℃）でＡｌＧａＮバッファー層
２２（０．０３μｍ）を成長させ、続いて高温（１１０
０℃）にてＧａＮ単結晶バッファー層４０（０．３μ
ｍ）を成長させる。

【０２２９】さらに、その上に十分に厚いｎ−Ａｌ_0.15
Ｇａ_0.85Ｎ層２３（Ｓｉドープ、１×１０¹⁸ｃｍ^-3、
１．５μｍ）と、ＡｌＧａＮ層２３中に形成された５０
オングストローム厚のｎ−ＧａＮ（Ｓｉドープ、８×１
０¹⁸ｃｍ^-3）及び５０オングストローム厚のｎ−Ａｌ
_0.15Ｇａ_0.85Ｎ層（Ｓｉドープ、５×１０¹⁸ｃｍ^-3）５
０対からなる超格子コンタクト層２４と、ｎ−Ａｌ_0.3
Ｇａ_0.3 Ｎクラッド層２５（Ｓｉドープ、５×１０¹⁷ｃ
ｍ^-3、０．２μｍ）と、１００オングストロームのＩｎ
_0.1 Ｇａ_0.9 Ｎが両側Ａｌ_0.1 Ｇａ_0.9 Ｎで挟まれた構
造となったアンドープの活性層２６と、ｐ−Ａｌ_0.3 Ｇ
ａ_0.3 Ｎクラッド層２７（Ｍｇドープ、５×１０¹⁷ｃｍ
^-3、０．２μｍ）と、ＧａＮコンタクト層２８（Ｍｇド
ープ、１〜３×１０¹⁸ｃｍ^-3、０．１μｍ）とを順次成
長させる。そして、ｐ側電極３０とｎ側電極２９とが設
けられて、青色半導体レーザ装置として構成される。

【０２３０】なお、ＧａＮ単結晶バッファー層４０は、
第９の実施の形態のＧａＮ単結晶バッファー層１３の場
合と同様な目的のために設けられている。また、ここで
は特に細述しないが、低温成長させたＡｌＧａＮバッフ
ァー層２２は、第９の実施の形態で説明した低温成長Ｇ
ａＮバッファー層１２と同様な働きをしている。

【０２３１】以上のように構成された青色半導体レーザ
装置は、しきい値５５ｍＡで室温連続発振した。発振波
長は４１５ｎｍ、動作電圧は５Ｖであった。

【０２３２】このように、本発明の第１０の実施の形態
に係る窒素を含む化合物半導体素子においては、第９の
実施の形態と同様な構成の他、ｎ−ＡｌＧａＮとＧａＮ
とを含む超格子構造のコンタクト層を設けたので、第９
の実施の形態と同様な効果が得られる他、コンタクト抵
抗上昇を抑えることができ、より一層の低抵抗化を図る
ことができる。

【０２３３】すなわち、電極２９形成後のアロイ化によ
ってバリヤの高さが低くなり、また、注入された電流を
超格子中の擬似２次元電子ガスによって低抵抗に活性層
化まで輸送することができる。

【０２３４】また、ＡｌＧａＮ層の厚さ条件を本実施の
形態の場合と同様にし、かつ（４）式及び又は（５）式
の条件に適合させた半導体発光素子を製造してもよい。
このようにすれば、より一層確実にＡｌＧａＮ層のクラ
ック発生を防止し、信頼性の高い窒化ガリウム系半導体
素子を得ることができる。

【０２３５】なお、上記第１〜第１０の実施の形態にお
いては、基板としてサファイヤを用いた場合で説明した
が、本発明に適用できる基板はこれに限定されるもので
はなく、例えばバリウムオキサイドＢａＯ、ジンクオキ
サイドＺｎＯ、炭化ケイ素ＳｉＣ、スピネル基等種々の
基板を使用することが可能である。

【０２３６】また、上記第１〜第１０の実施の形態にお
いては、使用する半導体層としてＧａＮ単結晶バッファ
ー層の代わりにＳｉＣなども適用可能で、II−VI族化合
物半導体、Ｓｉ、Ｇｅなどを用いても良い。さらに、こ
こでは半導体素子としての機能を発揮する対象層をＡｌ
ＧａＮの場合で説明したが、これにＩｎ、Ｔｉ、Ｓｉ、
Ｃ、Ｎｉ、などの元素を混晶にならない不純物程度の
量、含んでいても良い。本発明で得られる半導体素子は
レーザの他、構造的にほとんど同じ発光ダイオードに適
応可能であることは勿論，化合物半導体を用いた受光素
子、或いはヘテロ接合バイポーラトランジスタ（ＨＢ
Ｔ），高移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）等のトランジ
スターなどの種々の電子デバイス分野へも適用が可能で
ある。

【０２３７】なお、本発明は、上記各実施の形態に限定
されるものでなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々に
変形することが可能である。

【０２３８】

【発明の効果】以上詳記したように本発明によれば、Ａ
ｌ導入に伴う格子不整問題を回避し、Ｇａ_1-x Ａｌ_x Ｎ
の厚みを薄することなくクラックの発生を防止し、か
つ、ＡｌＧａＮ層のＡｌ組成を高くし、例えば活性層へ
の光閉じ込めやキャリア閉じ込めが十分なされ得る窒化
ガリウム系半導体素子を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態の結晶成長に用いる有機金
属気相成長装置の概略構成図。

【図２】マグネシウムを添加した場合における，Ｇａ
_1-x Ａｌ_x Ｎ層の組成及び膜厚と、クラック発生との関
係を示す図。

【図３】珪素を添加した場合における，Ｇａ_1-x Ａｌ_x
Ｎ層の組成及び膜厚と、クラック発生との関係を示す
図。

【図４】ＧａＡｌＮ層の厚さ及びＡｌ組成とＧａＮ層の
厚さと関係を示す図。

【図５】ＧａＡｌＮ層の厚さ及びＡｌ組成とＧａＮ層の
厚さと関係を示す図。

【図６】ＧａＡｌＮ層の厚さ及びＡｌ組成とＧａＮ層の
厚さと関係を示す図。

【図７】マグネシウムを添加して作成した試料におけ
る，Ｇａ_1-x Ａｌ_x Ｎ層の組成及び膜厚と、クラック発
生との関係を示す図。

【図８】珪素を添加して作成した試料における，Ｇａ
_1-x Ａｌ_x Ｎ層の組成及び膜厚と、クラック発生との関
係を示す図。

【図９】本発明の第１の実施の形態の発光ダイオードの
工程断面図。

【図１０】同実施の形態の発光ダイオードの工程断面
図。

【図１１】同実施の形態の発光ダイオードの工程断面
図。

【図１２】本発明の第２の実施の形態のレーザダイオー
ドの工程断面図。

【図１３】同実施の形態のレーザダイオードの工程断面
図。

【図１４】同実施の形態のレーザダイオードの工程断面
図。

【図１５】同実施の形態のレーザダイオードの工程断面
図。

【図１６】本発明の第３の実施の形態のレーザダイオー
ドの工程断面図。

【図１７】同実施の形態のレーザダイオードの工程断面
図。

【図１８】同実施の形態のレーザダイオードの工程断面
図。

【図１９】同実施の形態のレーザダイオードの工程断面
図。

【図２０】本発明の第５の実施の形態に係る青色半導体
レーザ装置の概略構成を説明する図。

【図２１】同実施の形態のレーザのｎ−ＡｌＧａＮクラ
ッド層、活性層部及びｐ−ＡｌＧａＮクラッド層の部分
の伝導帯側のバンドダイヤグラムを示す図。

【図２２】本発明の第６の実施の形態に係わる部分の伝
導帯側のバンドダイヤグラムを説明する図。

【図２３】本発明の第７の実施の形態に係わる部分の伝
導帯側のバンドダイヤグラムを説明する図。

【図２４】本発明の第８の実施の形態に係わる青色半導
体レーザ装置の概略構成を説明する図。

【図２５】同実施の形態に係わる部分の伝導帯側のバン
ドダイヤグラムを説明する図。

【図２６】本発明の第９の実施の形態に係わる窒素を含
む化合物半導体素子を適用した青色半導体レーザ装置の
概略構成を示す断面図。

【図２７】同実施の形態の化合物半導体素子においてク
ラック発生が防止される様子を示した図。

【図２８】引っ張り歪みによりＡｌＧａＮ層にクラック
発生する様子を示した図。

【図２９】本発明の第１０の実施の形態に係わる窒素を
含む化合物半導体素子を適用した青色半導体レーザ装置
の概略構成を示す断面図。

【符号の説明】

１１…サファイヤ基板 １２…ＧａＮバッファー層 １３…ＧａＮ単結晶バッファー層 １４…ｎ−Ａｌ_0.15Ｇａ_0.85Ｎコンタクト層 １５…ｎ−Ａｌ_0.3 Ｇａ_0.3 Ｎクラッド層 １６…活性層 １７…ｐ−Ａｌ_0.3 Ｇａ_0.3 Ｎクラッド層 １８…ＧａＮコンタクト層 １９…ｎ側電極 ２０…ｐ側電極 ２１…サファイヤ基板 ２２…ＡｌＧａＮバッファー層 ２３…ｎ−Ａｌ_0.15Ｇａ_0.85Ｎ層 ２４…超格子コンタクト層 ２５…ｎ−Ａｌ_0.3 Ｇａ_0.3 Ｎクラッド層 ２６…アンドープの活性層 ２７…ｐ−Ａｌ_0.3 Ｇａ_0.3 Ｎクラッド層 ２８…ＧａＮコンタクト層 ２９…ｎ側電極 ３０…ｐ側電極 ４０…ＧａＮ単結晶バッファー層 １０１…サファイヤ基板 １０２…ＧａＮバッファー層 １０３…ｎ−ＧａＮコンタクト層 １０４…ｎ側電極 １０５…ｎ−Ａｌ_0.15Ｇａ_0.85Ｎクラッド層 １０６…活性層部 １０６ａ，１０６ｂ…光ガイド層 １０７…ｐ−Ａｌ_0.15Ｇａ_0.85Ｎクラッド層 １０８…ｐ−ＧａＮ再成長用キャップ層 １０９…ｐ−ＧａＮコンタクト層 １１０…ｐ⁺ −ＧａＮ高濃度コンタクト層 １１１…電流狭窄層 １１２…ｐ側電極１１２ ２０３…サファイヤ基板 ２０４…ＧａＮバッファー層 ２０５…ｎ−ＧａＮコンタクト層 ２０６…ｎ側電極 ２０７…ｎ−Ａｌ_0.15Ｇａ_0.85Ｎクラッド層 ２０８…活性層部 ２０８ａ，２０８ｂ…光ガイド層 ２０９…ｐ−Ａｌ_0.15Ｇａ_0.85Ｎクラッド層 ２１０…ｐ−ＧａＮ再成長用キャップ層 ２１１…ｐ−ＧａＮコンタクト層 ２１２…ｐ⁺ −ＧａＮ高濃度コンタクト層 ２１３…ｐ側電極 ２１４…埋め込み層 ３０１…石英製の成長容器 ３０２…ガス導入口 ３０３…ガス排出口 ３０４…サセプタ ３０５…高周波加熱装置 ３０６…Ｗ熱電対 ３０７…基板 ４０１…サファイア基板 ４０２…Ｇａ_0.9 Ａｌ_0.1 Ｎバッファー層 ４０３…ｎ型ＧａＮ層 ４０４…多重量子井戸構造活性層 ４０５…マグネシウム添加のｐ型Ｇａ_0.85Ａｌ_0.15Ｎ層
４０５ ４０６…マグネシウム添加のｐ型ＧａＮ層 ４０７…ｎ型のＧａＮ層 ４０８，４０９…電極 ５０１，６０１…サファイア基板 ５０２，６０２…ＧａＮバッファー層 ５０３，６０３…ｎ型ＧａＮ層 ５０４，６０４…ｎ型の珪素添加のＧａ_0.85Ａｌ_0.15Ｎ
層 ５０５，６０５…無添加のＧａＮ層 ５０６，６０６…多重量子井戸構造活性層 ５０７，６０７…ｐ型ＧａＮ層 ５０８，６０８…マグネシウム添加のｐ型Ｇａ_0.85Ａｌ
_0.15Ｎ層 ５０９，６０９…マグネシウム添加のｐ型ＧａＮ層 ５１０…ＳｉＯ₂ 膜 ５１１…ポリイミド ５１２…ＳｉＯ₂ 膜 ６１０…ｎ型ＧａＮ ６１１…ｐ−ＧａＮ層 ６１２…ＳｉＯ₂ 膜

フロントページの続き (72)発明者 鈴木 真理子 神奈川県川崎市幸区小向東芝町１番地 株式会社東芝研究開発センター内 (72)発明者 杉浦 理砂 神奈川県川崎市幸区小向東芝町１番地 株式会社東芝研究開発センター内 (56)参考文献 特開 平７−15041（ＪＰ，Ａ) 特開 平８−316587（ＪＰ，Ａ) 特開 平９−18053（ＪＰ，Ａ)

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 基板と、 前記基板に近接して設けられ、マグネシウム濃度Ｎ_bg1
   ｃｍ^-3の窒化ガリウムからなる厚みｄ₁ μｍの単結晶層
   と、 前記基板とで前記単結晶層を挟む位置に設けられ、濃度
   Ｎ_Mgｃｍ^-3のマグネシウムが添加されるともに、Ａｌ組
   成ｘが０．０２以上１以下となる厚みｄ₂ μｍのＧａ
   _1-x Ａｌ_x Ｎを主成分とする半導体層とを備え、 前記Ａｌ組成ｘ、前記濃度Ｎ_Mg、前記濃度Ｎ_bg1 、厚み
   ｄ₁ 及び厚みｄ₂ との間に以下の関係を有する窒化ガリ
   ウム系半導体素子。 ｄ₁ ／（1600×ｘ）＜ｄ₂ ＜3.6 ×10^-3× logＮ／（ｘ
   ＋0.02）＋0.02 ここで、Ｎｃｍ^-3は、 Ｎ_Mg＞Ｎ_bg1 の場合、Ｎ＝Ｎ_Mg−Ｎ_bg1 、 Ｎ_Mg≦Ｎ_bg1 の場合、Ｎは無添加のＧａ_1-x Ａｌ_x Ｎに
   おけるマグネシウムのバックグラウンドレベルである。
2. 【請求項２】 レーザ発振可能に構成された活性層と、 前記活性層に近接して設けられたｎ型ＡｌＧａＮ層とを
   備え、 前記活性層に近接する前記半導体層と、前記ｎ型ＡｌＧ
   ａＮ層とによって前記活性層が挟まれるように配置さ
   れ、かつ、前記半導体層の層厚を前記ｎ型ＡｌＧａＮ層
   の層厚よりも厚くした請求項１記載の窒化ガリウム系半
   導体素子。
3. 【請求項３】 レーザ発振可能に構成された活性層と、 前記活性層に近接して設けられたｎ型ＡｌＧａＮ層とを
   備え、 前記活性層に近接する前記半導体層と、前記ｎ型ＡｌＧ
   ａＮ層とによって前記活性層が挟まれるように配置さ
   れ、かつ、前記半導体層のＡｌ組成を前記ｎ型ＡｌＧａ
   Ｎ層のＡｌ組成よりも高くした請求項１記載の窒化ガリ
   ウム系半導体素子。