JP3623713B2 - 窒化物半導体発光素子 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、青紫色半導体レーザ等の窒化物半導体発光素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
窒化物半導体は青紫色レーザ素子の材料としてたいへん有望であり、中村他がＪｐｎ． Ｊ． Ａｐｐｌ． Ｐｈｙｓ． ｖｏｌ． ３６ （１９９７）， ｐｐ． Ｌ１５６８−１５７１で報告しているように、既に室温において２ｍＷ出力で１万時間以上の連続発振寿命が報告されている。図４にそのレーザの断面構造図を示す。一般に、レーザ素子の寿命を長くするためには転位密度を低減することが不可欠であり、図４のレーザ素子においては、サファイア基板１０１上のＧａＮ膜１０２上に、ストライプ状のＳｉＯ２膜（マスク）１０３を形成し、その上にＧａＮを成長することによって選択成長させ、マスク上に横方向成長した低転位密度のＧａＮを形成し、その低転位密度領域１０４の上にｐ電極１０５が形成されるようにレーザ素子を作製している。
【０００３】
中村他による上記の方法によって作製されたＧａＮ基板はＥＬＯＧ（Ｅｐｉｔａｘｉａｌ Ｌａｔｅｒａｌ Ｏｖｅｒｇｒｏｗｔｈ ＧａＮ）基板と呼ばれており、ＳｉＯ２マスクの無い部分（窓領域）の上部では、サファイア基板上ＧａＮ膜の高密度の貫通転位がそのまま引き継がれて膜が成長するために、高い（１０１２ｍ−２以上）転位密度となっているが、ＳｉＯ２マスクの上部ではマスクによって転位の伝播がさえぎられるために、低い（１０１１ｍ−２未満）転位密度が実現している。ただし、ＳｉＯ２マスクの中心付近では両側の窓領域から横方向成長してきたＧａＮがぶつかるため、転位が新たに発生し高い転位密度となっている。
【０００４】
そして、低転位領域（ＳｉＯ２マスク上で中心から離れた部分：図中でドット模様を付していない領域）１０４の上部にｐ電極１０５が形成されるようにレーザ素子を作製すると、活性層内の低転位密度領域に電流が注入されるため、転位に起因した素子の劣化が起こりにくくなり、素子の寿命が長くなると考えられる。
【０００５】
図４のレーザ素子は、Ｓｉドープｎ型ＧａＮ−ＥＬＯＧ基板１０６上にＳｉドープｎ型Ｉｎ０．１Ｇａ０．９Ｎ層１０７、 １２０周期のＳｉドープｎ型ＧａＮ層（厚さ２．５ｎｍ）とアンドープＡｌ０．１４Ｇａ０．８６Ｎ層（厚さ２．５ｎｍ）からなるｎ型クラッド層１０８、Ｓｉドープｎ型ＧａＮ（厚さ０．１μｍ）からなるｎ型光閉じ込め層１０９、Ｓｉドープｎ型Ｉｎ０．１５Ｇａ０．８５Ｎ量子井戸層（厚さ３．５ｎｍ）とＳｉドープｎ型Ｉｎ０．０２Ｇａ０．９８Ｎ障壁層（厚さ１０．５ｎｍ）からなる多重量子井戸活性層２１０、Ｍｇドープｐ型Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ｎキャップ層（厚さ２０ｎｍ）１１１、Ｍｇドープｐ型ＧａＮ（厚さ０．１μｍ）からなるｐ型光閉じ込め層１１２、１２０周期のＭｇドープｐ型ＧａＮ層（厚さ２．５ｎｍ）とアンドープＡｌ０．１４Ｇａ０．８６Ｎ層（厚さ２．５ｎｍ）からなるｐ型クラッド層１１３、 Ｍｇドープｐ型ＧａＮ（厚さ０．０５μｍ）からなるｐ型コンタクト層１１４を順に成長した後に、ドライエッチングなどにより図４に示すようなリッジ構造を形成し、最後にＮｉとＡｕからなるｐ電極１０５とＴｉとＡｌからなるｎ電極１１５を蒸着して作製されている。
【０００６】
上記のマスクを用いる方法の他に、転位密度の低い領域を作製する方法として、中村他が応用物理第６８巻第７号ｐｐ．７９３−７９６に記述しているように、サファイア基板上ＧａＮ膜をドライエッチングしてストライプ状にＧａＮ膜を残し、その上にＧａＮ再成長を行うことによって側面成長を利用して平坦な膜を形成する方法（以下マスクレスＥＬＯＧと呼ぶ）もある。この方法では残されたストライプ状ＧａＮの上部ではＧａＮ膜の貫通転位が引き継がれて高転位密度となるが、ＧａＮをエッチングしサファイアが露出した領域の上部では低転位密度となる。そしてこの低転位密度領域にレーザ素子を形成することによって長い素子寿命が得られている。
【０００７】
一方、発明者らはＪｐｎ． Ｊ． Ａｐｐｌ． Ｐｈｙｓ． ｖｏｌ． ３６ （１９９７）， ｐｐ． Ｌ８９９−９０２あるいはＮＥＣ Ｒｅｓｅａｒｃｈ ａｎｄ Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｖｏｌ．４１ （２０００） Ｎｏ．１ ｐｐ．７４−８５で述べているように、ＦＩＥＬＯ（Ｆａｃｅｔ−Ｉｎｉｔｉａｔｅｄ Ｅｐｉｔａｘｉａｌ Ｌａｔｅｒａｌ Ｏｖｅｒｇｒｏｗｔｈ）と呼ばれる方法によって基板あるいは活性層全面にわたって転位密度を低くすることに成功している。ＦＩＥＬＯにおいては、ＥＬＯＧと同様にサファイア基板上のＧａＮ膜上に、ストライプ状のＳｉＯ２膜（マスク）を形成するが、ハイドライド気相成長によって選択成長させることによって貫通転位を曲げることができ、ＥＬＯＧのように転位密度の高い領域は生じず、基板全面にわたって転位密度を低くできる。
【０００８】
以上述べたように、低転位密度のＧａＮを作製する技術の進展に伴って、４００−４５０ｎｍ程度の波長領域で発振する青紫色窒化物半導体レーザの素子寿命は飛躍的に改善されてきた。一方、閾値電流密度などのレーザ素子特性そのものを改善する技術として活性層へのＳｉ不純物の添加が挙げられる。長濱他が特開平１０−１２９６９号公報に記載しているように、活性層にＳｉ不純物（あるいはＭｇなどの他の不純物）を１０１９−１０２１ｃｍ−３の濃度で添加することにより、レーザの閾値は改善される。
【０００９】
秩父他は、Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒ ７３ （１９９８）， ｐｐ．４９６−４９８．やＰｒｏｃ． ｏｆ ｔｈｅ ２ｎｄ Ｉｎｔ． Ｓｙｍｐ． ｏｎ Ｂｌｕｅ Ｌａｓｅｒ ａｎｄ Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅｓ， （１９９８）， ｐ．３８１，において、活性層にＳｉ不純物を添加することによる閾値低減のメカニズムについて述べており、不純物添加によるピエゾ電界遮蔽効果、量子井戸構造の平坦性改善など複数の可能性を挙げている。このように不純物添加によるレーザ特性改善のメカニズムはまだ完全に解明されたわけではないが、この不純物添加によるレーザ特性改善は広く業界に認知されており、近年作製されている窒化物半導体レーザにおいては活性層にＳｉ不純物を添加するのが常識となっている。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の窒化物半導体レーザ素子においても、応用上の観点から十分な素子の信頼性が実現しているとは言いがたい。４００−４５０ｎｍ程度の波長領域で発振する窒化物半導体レーザをＤＶＤなどの光ディスクに用いるためには、書き込み用も考慮に入れると、７０℃において、３０ｍＷ出力で５０００時間以上の素子寿命が必要である。それにもかかわらず、中村他がＪＳＡＰ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｎｏ．１ ｐｐ．５−１７（２０００）に述べているように、これまでのところ、６０℃においても、３０ｍＷ出力で５００時間程度の素子寿命しか実現していない。
【００１１】
本発明は、前述の課題に鑑みてなされたもので、高温・高出力動作での素子寿命を飛躍的に改善し、さらに長時間の素子寿命を実現することができる窒化物半導体発光素子を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、窒化物半導体レーザの製造技術について研究を行ってきた結果、ＦＩＥＬＯ−ＧａＮ基板上に作製した窒化物半導体レーザ素子において活性層に不純物を添加しなくても閾値の低いものができること等を見出し、さらに、それらの素子の寿命が長いという兆候も得ることができた。
【００１３】
本発明者らは、ペレット（１チップにおける一つの半導体レーザ素子）の転位密度分布や活性層不純物濃度とレーザ素子の閾値、素子寿命との関連をさらに詳しく調べるため、ＦＩＥＬＯ基板上とＥＬＯＧ基板上とに同時成長によりレーザ構造を成長し、レーザ素子を作製した。そして、活性層量子井戸に添加するＳｉ不純物濃度について、アンドープ、１×１０１８ｃｍ−３、５×１０１８ｃｍ−３の３種類のものを作製した。
【００１４】
上記レーザ素子の構造は、後述する第１実施形態で述べるものと同一である。ここで用いたＥＬＯＧ基板においては、マスク幅２０μｍ、窓部５μｍのＳｉＯ２マスクパターンを用いており、マスク幅が通常のＥＬＯＧ（マスク幅は通常１０μｍ程度以下）に比べてかなり広い。このようにマスク幅が広い場合、横方向成長で広い領域のＳｉＯ２マスクを埋め込まなければならないので、平坦な膜を作製するのがあまり容易ではないが、転位密度の低い領域の面積を大きくすることができる。ここでは、平坦に埋め込むために成長条件（ＩＩＩ族原料とＶ族原料の流量比）の最適化を行った上で、従来より幅広いマスク幅のＥＬＯＧを実現した。
【００１５】
表１に、これらから作製した数個のレーザ素子の初期閾値電流密度の平均値および７０℃、３０ｍＷで１００時間ＡＰＣ動作した後の素子劣化状況を示す。
【表１】
【００１６】
初期閾値電流密度は６種類の試料で大きな差は見られず、ＦＩＥＬＯ上の素子ではアンドープおよび１×１０１８ｃｍ−３のドーピングで若干閾値が下がる傾向が見られている。すなわち、Ｓｉ不純物濃度が１０１９ｃｍ−３レベルまでは至っていないものの、閾値に大きなＳｉ不純物濃度依存性はなく、かつ、少なくともＦＩＥＬＯ上においてはバラツキの範囲の可能性はあるもののＳｉ不純物を添加しない方が閾値が低くなるという傾向が得られた。そして、素子の劣化に関しては、ＥＬＯＧ上の５×１０１８ｃｍ−３ドーピングの素子においてのみ若干の電圧上昇（劣化）が見られた。
【００１７】
上記の実験結果から、高温・高出力動作での素子の劣化には、高転位密度領域の有無とＳｉ不純物濃度の両方が関係していると考えられる。すなわち、基板全面にわたって転位密度が低減されているＦＩＥＬＯ上の素子では劣化が起こりにくいが、電流注入する領域は低転位密度領域であってもペレット内に高転位密度領域が存在するＥＬＯＧ上素子の場合には劣化が起こりやすいと考えられる。さらに、高転位密度領域がペレット内に存在する場合においても、活性層に添加されている不純物濃度が小さい場合には劣化は起こりにくいと考えられる。
【００１８】
これらの現象のメカニズムは次のように推測される。高温・高出力動作では、素子には大きな電流が流れ、発熱も大きく、発生する光の強度も高い。この熱や光のエネルギーにより、電流の流れていない部分の転位が増殖しながら活性層領域（電流の流れている部分）にまで移動してきて素子を劣化させる可能性が考えられる。そして、活性層への不純物添加の有無が転位の増殖や運動に影響を与える理由としては、不純物添加によって結晶に局所的な歪みが導入されて転位が増殖したり動きやすくなる効果や不純物準位によるレーザ光吸収による発熱が転位の増殖や運動を促進する効果などが考えられる。
【００１９】
このような素子の劣化を防ぐには素子内のすべての領域で転位密度を低くすることが最も望ましい。ＦＩＥＬＯ基板を用いれば基板面内のすべての領域が低転位密度になるが、ＦＩＥＬＯ基板を作製するためには、ＭＯＶＰＥ成長装置だけでなく、ハイドライドＶＰＥ成長装置も用意する必要があり、現状ではコストが高くなる。将来、ＦＩＥＬＯ基板の大量生産ができるようになればこのコストの問題は解決される見通しであるが、現状ではＥＬＯＧやマスクレスＥＬＯＧによるＧａＮ基板を利用する方がコスト面で有利である。
【００２０】
ＥＬＯＧやマスクレスＥＬＯＧによるＧａＮ基板を用いたレーザ素子において、高温・高出力動作寿命を改善するためには次の２つの方法が考えられる。１つは、ＥＬＯＧ作製時のＳｉＯ２マスク幅もしくはマスクレスＥＬＯＧ作製時のサファイア露出領域の幅を十分広くして高転位密度領域の影響を少なくする方法である。もう１つは、活性層の不純物濃度を低くして高転位密度領域から低転位密度領域への転位の増殖と移動を抑制する方法である。
【００２１】
前者の方法では、横方向成長で埋め込むべき領域の面積が大きくなるので、埋め込むのに必要な成長時間が長くなり、しかも、平坦な膜を作製するのが難しくなる。しかしながら、横方向成長しやすい成長条件（例えばＴＭＧ流量を１分あたり１μｍｏｌ以下にする）を用いれば３０μｍ程度のマスク幅（あるいはサファイア露出領域幅）でも平坦な膜で埋め込むことが可能である。
【００２２】
後者の方法は、Ｓｉ不純物を添加した方が閾値電流密度が低くなるという従来の窒化物半導体レーザ素子の常識と反する方向性であるが、前述のように少なくとも発明者らが実験した範囲ではＳｉ不純物濃度による閾値電流密度の大きな変化は見られなかった。これはＦＩＥＬＯ基板での結果が如実に物語るように発明者らが作製した活性層（電流注入領域）の転位密度が低く欠陥が少ないことが関係していると推測している。
【００２３】
転位では転位芯を通してのキャリアの非放射再結合が起こると考えられるが、これを軽減するには活性層の不純物濃度を増大してキャリア拡散長を短くすることで、転位芯へのキャリアの流入を押さえることが有効と考えられる。しかし、一方で不純物濃度を１０１９ｃｍ−３以上にするとオージェ再結合と呼ばれる非放射再結合が盛んになることは多くの半導体で報告されている。
【００２４】
従来、不純物濃度を高める必要があったのは活性層での転位密度が高く、この転位芯での非放射再結合を防ぐためであったと考えられる。一方、転位密度を大幅に低減した領域に電流を注入するレーザにあっては転位芯での非放射再結合よりはオージェ再結合を軽減することが重要であることを実験結果は示していると考えられる。
【００２５】
なお、活性層が量子井戸構造ではなく厚さ１０ｎｍ以上の単層膜の場合にはＳｉ不純物濃度を１０１８ｃｍ−３より小さくしても長寿命化は量子井戸構造の場合ほどには顕著ではなかった。しかし、たとえ活性層がＩｎＧａＮ単層膜であっても量子井戸構造としての効果（状態密度の立ち上がりが急峻になるために光学利得が増加し、しきい値が下がり温度特性も向上する）が現れる活性層厚が１０ｎｍ未満（単一量子井戸構造）の場合には不純物濃度を１０１８ｃｍ−３より小さくすると量子井戸活性層の場合と同様に長寿命化は顕著であった。
【００２６】
厚さ１０ｎｍ以上の単層膜活性層で長寿命化効果が顕著でない理由の一つとしては、厚い活性層では不純物濃度を低減するとその直列抵抗が増加し発熱量が大きくなり、不純物を添加量が小さくても転位の増殖と移動が容易に起こってしまうことが考えられる。また、発熱量とは別に量子井戸構造の場合に不純物濃度を大きいと寿命が短くなる理由としては厚い単層膜活性層の場合に較べて活性層体積に占める界面の割合が著しく増加し、これら界面での不純物の偏析が起こり、界面再結合速度の増大をもたらすのみならず、転位の増殖や移動を増長させるためだと考えられる。
【００２７】
したがって、本発明は、上記知見に基づいた技術であり、前記課題を解決するために以下の構成を採用した。
すなわち、本発明の窒化物半導体発光素子では、井戸層と障壁層とが積層されてなる量子井戸構造の活性層を有する窒化物半導体発光素子であって、前記活性層は、互いに転位密度が異なる高転位密度領域と低転位密度領域とを有し、前記低転位密度領域は、前記高転位密度領域より転位密度が低いと共に少なくとも一部に電流注入領域が形成され、前記高転位密度領域は、前記電流注入領域から離れた位置に位置しており、前記活性層の不純物濃度が１０１８ｃｍ−３未満であることを特徴とする。
【００２８】
この窒化物半導体発光素子では、低転位密度領域の少なくとも一部に電流注入領域が形成され、前記高転位密度領域は、前記電流注入領域から離れた位置に位置しており、前記活性層の不純物濃度が１０１８ｃｍ−３未満であるので、活性層における不純物濃度が低くオージェ再結合が軽減されると共に、高転位密度領域から低転位密度領域の電流注入領域への転位の増殖と移動を抑制することができ、高温・高出力動作での素子寿命を飛躍的に長くすることができる。
【００２９】
また、本発明の窒化物半導体発光素子は、前記低転位密度領域が前記高転位密度領域の転位密度の１０分の１以下の転位密度である場合に好適である。
また、本発明の窒化物半導体発光素子は、前記電流注入領域の平均転位密度が活性層全領域の平均転位密度の１０分の１以下である場合に好適である。
【００３０】
さらに、本発明の窒化物半導体発光素子は、前記高転位密度領域が、少なくとも一部の転位密度が１０１２ｍ−２以上であり、前記低転位密度領域の電流注入領域の平均転位密度が、１０１１ｍ−２未満である場合に好適である。
また、本発明の窒化物半導体発光素子は、前記活性層が、全領域の平均転位密度が１０１２ｍ−２以上であり、かつ、前記低転位密度領域の電流注入領域の平均転位密度が１０１１ｍ−２未満である場合に好適である。
【００３１】
これらの窒化物半導体発光素子では、少なくとも活性層内における電流が注入される領域の転位密度が、他の領域の高転位密度領域の１／１０以下であり、活性層の不純物濃度が１０１８ｃｍ−３未満であることによる効果（高転位密度領域からの転位の移動・増殖の抑制）が顕著に得られる。
【００３２】
また、本発明の窒化物半導体発光素子は、前記活性層が、前記電流注入領域の平均転位密度が１０１１ｍ−２未満であり、かつ、電流注入領域から５μｍ以内の領域の平均転位密度が１０１２ｍ−２以上である場合に好適である。
また、本発明の窒化物半導体発光素子は、前記活性層上には、他の半導体層を介して電流注入電極が形成され、前記活性層が、前記電流注入電極の直下の領域の平均転位密度が１０１１ｍ−２未満であり、かつ、前記領域から５μｍ以内の領域の平均転位密度が１０１２ｍ−２以上である場合に好適である。
【００３３】
また、本発明の窒化物半導体発光素子は、前記活性層が、前記電流注入領域の平均転位密度が電流注入領域から５μｍ以内の領域の平均転位密度の１０分の１以下である場合に好適である。
また、本発明の窒化物半導体発光素子は、前記活性層上には、他の半導体層を介して電流注入電極が形成され、前記活性層が、前記電流注入電極の直下の領域の平均転位密度が前記領域から５μｍ以内の領域の平均転位密度の１０分の１以下である場合に好適である。
【００３４】
これらの窒化物半導体発光素子では、電流が注入される領域より１０倍以上の転位密度を有する領域が、電流が注入される領域の５μｍ以内に存在しており、この場合、活性層の不純物濃度が１０１８ｃｍ−３未満であることによる効果（高転位密度領域からの転位の移動・増殖の抑制）が特に顕著に得られる。
【００３５】
また、本発明の窒化物半導体発光素子は、窒化物半導体が露出した基板表面にパターニングされたマスク材料を形成した後に窒化物を選択成長させて作製されることが好ましい。すなわち、この窒化物半導体発光素子では、いわゆるＥＬＯＧ基板に作製されるので、いわゆるＦＩＥＬＯ基板に比べて低コストで作製することができる。
【００３６】
また、本発明の窒化物半導体発光素子は、窒化物半導体層が形成された基板表面をエッチングにより加工して部分的に窒化物半導体層を除去した後に窒化物を成長させて作製されることが好ましい。すなわち、この窒化物半導体発光素子では、いわゆるマスクレスＥＬＯＧ基板に作製されるので、いわゆるＦＩＥＬＯ基板に比べて低コストで作製することができる。
【００３７】
本発明の窒化物半導体発光素子は、井戸層と障壁層とが積層されてなる量子井戸構造の活性層を有する窒化物半導体発光素子であって、窒化物半導体が露出した基板表面にパターニングされたマスク材料を形成した後に窒化物を選択成長させて作製され、前記マスク材料が、マスク幅２５μｍ以上でパターニングされていることを特徴とする。
この窒化物半導体発光素子では、いわゆるＥＬＯＧ基板に作製される場合において、マスク材料がマスク幅２５μｍ以上でパターニングされているので、高温・高出力で高信頼性が得られる十分に広い低転位密度領域が確保され、高転位密度領域からの影響が大幅に抑制される。
【００３８】
本発明の窒化物半導体発光素子は、井戸層と障壁層とが積層されてなる量子井戸構造の活性層を有する窒化物半導体発光素子であって、窒化物半導体層が形成された基板表面をエッチングにより加工して部分的に窒化物半導体層を除去した後に窒化物を成長させて作製され、前記エッチングによる加工が、幅２５μｍ以上の領域に施されていることを特徴とする。
この窒化物半導体発光素子では、いわゆるマスクレスＥＬＯＧ基板に作製される場合において、エッチングによる加工が幅２５μｍ以上の領域に施されているので、高温・高出力で高信頼性が得られる十分に広い低転位密度領域が確保され、高転位密度領域からの影響が大幅に抑制される。
【００３９】
なお、本発明の窒化物半導体発光素子は、前記活性層に添加した不純物がＳｉであることが好ましい。
【００４０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の第１実施形態について、図１を参照しながら説明する。
図１は、第１実施形態における窒化物半導体レーザ素子の断面構造図である。
【００４１】
第１実施形態における半導体レーザ素子の構造を、その製造工程と共に説明する。
まず、サファイア基板１０１上にＧａＮ膜１０２をＭＯＣＶＤにより成長する。その後、ＧａＮ膜１０２上に、ストライプ状のＳｉＯ２膜（マスク）１０３を［１，−１，０，０］方向に形成し、その上にＳｉを添加したｎ型ＧａＮをＭＯＣＶＤ成長することによって選択成長させ、マスク上に横方向成長した低転位密度のＧａＮを形成し、ｎ型ＧａＮ−ＥＬＯＧ基板１０６を作製する。この際、比較のために、ＳｉＯ２膜のマスク幅を１０μｍにした基板と該マスク幅を２５μｍにした基板の両方を用意した。
【００４２】
この基板上にさらに引き続き、Ｓｉドープｎ型Ｉｎ０．１Ｇａ０．９Ｎ層１０７、 １２０周期のＳｉドープｎ型ＧａＮ層（厚さ２．５ｎｍ）とアンドープＡｌ０．１４Ｇａ０．８６Ｎ層（厚さ２．５ｎｍ）からなるｎ型クラッド層１０８、Ｓｉドープｎ型ＧａＮ（厚さ０．１μｍ）からなるｎ型光閉じ込め層１０９、アンドープＩｎ０．１５Ｇａ０．８５Ｎ量子井戸層（厚さ３．５ｎｍ）とアンドープＩｎ０．０２Ｇａ０．９８Ｎ障壁層（厚さ１０．５ｎｍ）からなる多重量子井戸活性層１１０、Ｍｇドープｐ型Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ｎキャップ層（厚さ２０ｎｍ）１１１、Ｍｇドープｐ型ＧａＮ（厚さ０．１μｍ）からなるｐ型光閉じ込め層１１２、 １２０周期のＭｇドープｐ型ＧａＮ層（厚さ２．５ｎｍ）とアンドープＡｌ０．１４Ｇａ０．８６Ｎ層（厚さ２．５ｎｍ）からなるｐ型クラッド層１１３、 Ｍｇドープｐ型ＧａＮ（厚さ０．０５μｍ）からなるｐ型コンタクト層１１４を順に成長した後に、ドライエッチングなどにより図１に示すようなリッジ構造を形成し、最後にＮｉとＡｕからなるｐ電極１０５とＴｉとＡｌからなるｎ電極１１５を蒸着により、図１に示す半導体レーザ素子が作製される。
【００４３】
なお、比較のために、活性層の障壁層及び量子井戸層にＳｉ不純物を１×１０１８ｃｍ−３添加したレーザ素子及び活性層にＳｉ不純物を５×１０１８ｃｍ−３添加したレーザ素子も作製した。これらのレーザ素子に対し、透過電子顕微鏡によって転位を観察したところ、すべての素子に対して前述の高転位密度領域１１６と低転位密度領域１０４とがはっきりと観察され、転位密度は高転位密度領域１１６で５×１０１２ｍ−２程度、低転位密度領域１０４で２×１０１０ｍ−２程度であった。このように、本実施形態では、高転位密度領域１１６と低転位密度領域１０４とが活性層の層方向に形成され、活性層の面内で転位密度が大きく変化している。
【００４４】
転位密度の測定は透過電子顕微鏡による観察で調べることができるが、より簡便にはエッチピット密度で調べることもできる。窒化物半導体では、リン酸と硫酸の混合液を２００℃程度に加熱し、その溶液に試料を１時間程度浸すことによりエッチピットが形成される。基本的にはエッチピットは転位の存在するところに形成されるので、エッチピット密度は転位密度にほぼ対応する。
【００４５】
転位（エッチピット）密度が低い場合には、広い面積で転位（エッチピット）数を数えなければ精度の良い密度の測定はできない。例えば、転位密度１０１１ｍ−２程度の場合には少なくとも１０−１０ｍ２程度の面積での測定が必要である。この面積は１０μｍ角四方に対応するが、ＥＬＯＧ基板上成長膜ではストライプに垂直な方向に転位密度が大きく空間変化するため、測定は「ストライプ方向１００μｍ」×「ストライプに垂直方向１μｍ」の長方形領域で行う必要がある。
【００４６】
ＳｉＯ２マスク幅またはＳｉ不純物濃度の異なるこれら６つの素子における初期閾値電流密度および７０℃、３０ｍＷで１００時間ＡＰＣ動作した後の素子劣化状況を表２に示す。
【表２】
【００４７】
初期閾値電流密度は６つの素子でほとんど差が見られないが、素子劣化については、ＳｉＯ２マスク幅が１０μｍであり、かつ、活性層にＳｉ不純物を５×１０１８ｃｍ−３添加した素子において、著しい劣化が見られ、１００時間動作終了前に発振が止まってしまった。それ以外の５つの試料についてはほとんど劣化は見られなかった。また、劣化した素子について、透過型電子顕微鏡によって転位を観察したところ、高転位密度領域から低転位密度領域に転位が移動し増殖しているのが観察された。
【００４８】
この試料において、高転位密度領域は、動作試験前には、電流を注入する活性層領域から３μｍ程度離れた位置にあったが、動作試験後に高転位密度領域は活性層（電流注入する領域）まで進出していた。これに対し、活性層に不純物を添加していない素子では、転位の分布は動作試験前と全く変わらない状況であった。また、ＳｉＯ２マスク幅が２５μｍであり、かつ、活性層にＳｉ不純物を５×１０１８ｃｍ−３添加した素子においては、高転位密度領域１１６から低転位密度領域１０４に転位が移動し増殖しているのが観察されたが、高転位密度領域１１６の進出は５μｍ程度の距離にとどまっており活性層（電流注入する領域）まで進出してはいなかった。
【００４９】
このように、本実施形態では、高転位密度領域１１６が活性層（電流注入する領域）から５μｍ以内の近傍に存在している場合であっても、不純物濃度が低い（１０１８ｃｍ−３未満）ことによる効果が顕著に得られて、転位の移動及び増殖を抑制することができる。また、従来から行われてきた活性層へのＳｉ不純物添加を行わないこと、もしくは、ＳｉＯ２マスク幅を十分広くすること（２５μｍ以上）により、高転位密度領域１１６から低転位密度領域１０４への転位の移動・増殖が抑制され、高温・高出力でのレーザ素子寿命が飛躍的に改善される。
【００５０】
なお、本実施形態における素子長寿命効果を示すために、比較として高転位密度領域及び低転位密度領域の転位密度を様々に変化させたものを作製し、それぞれについて高温・高出力動作での素子劣化試験を行った。なお、転位密度は選択成長の成長条件を変えることによってある程度制御できる。
【００５１】
その結果、本実施形態では、高転位密度領域と低転位密度領域とで転位密度が１０倍以上異なっている場合であっても、Ｓｉ不純物を添加しないことによる長寿命化現象が顕著に生じ、素子の劣化が抑制されることが確認された。高転位密度領域からの転位の移動・増殖により素子の劣化が起こっていることを考えると、転位密度の空間分布（例えば、活性層の面内における転位密度の変化）があまり大きくない場合には効果は小さいはずなのでこの結果は当然と言え、実際に転位密度が空間的に一様なレーザ素子では不純物を添加しないことによる長寿命化効果は全く見られなかった。
【００５２】
また、ここで述べた活性層への不純物添加とは、量子井戸層または障壁層いずれか一方または両者への不純物添加のことを指しており、活性層内のすべての層をアンドープにするか、もしくは、Ｓｉ不純物添加量を１０１８ｃｍ−３より小さくすることによって初めて素子の長寿命化が実現される。
【００５３】
また、活性層を量子井戸構造ではなくＩｎＧａＮ単層膜にした場合の実験を行った結果、ＩｎＧａＮ単層膜の厚さが１０ｎｍ以上の場合にはＳｉ不純物濃度を１０１８ｃｍ−３より小さくしても長寿命化は量子井戸構造の場合ほどには顕著ではなかった。しかし、たとえ活性層がＩｎＧａＮ単層膜であっても量子井戸構造としての効果が現れる活性層厚が１０ｎｍ未満（単一量子井戸構造）の場合にはＳｉ不純物濃度を１０１８ｃｍ−３より小さくすると量子井戸活性層の場合と同様に長寿命化が顕著にあらわれた。
【００５４】
このように、厚さ１０ｎｍ以上のＩｎＧａＮ単層膜活性層で長寿命化効果が顕著でない理由の一つとしては、前記したように厚い活性層では発熱量が大きいためにＳｉ不純物を添加しない活性層においても転位の増殖と移動が容易に起こってしまうことが考えられる。また、これも前記したことだが発熱量とは別に量子井戸構造の場合にＳｉ不純物濃度を大きいと寿命が短くなる理由としては厚い単層膜活性層の場合に較べて活性層体積に占める界面の割合が著しく増加し、これら界面での不純物の偏析が起こり、界面再結合速度の増大などをもたらしたり、転位の増殖や移動を増長させるためだと考える。
【００５５】
また、長濱他が特開平１０−１２９６９号公報で記載しているように、ＭｇなどのＳｉ以外の不純物を添加することによりレーザ素子の閾値を低減することも行われているが、このようなレーザ素子においても不純物を添加しないことにより、高温・高出力レーザ素子寿命が大幅に改善されると考えられる。実際に我々は、活性層にＭｇ不純物を添加したレーザ素子と添加しないレーザ素子で７０℃、３０ｍＷでの素子劣化を比較した結果、不純物添加しない素子より添加した素子の方が劣化が顕著であった。
【００５６】
次に、本発明の第２実施形態について、図２を参照しながら説明する。
図２は、第２実施形態における窒化物半導体レーザ素子の断面構造図である。
【００５７】
第２実施形態の半導体レーザ素子の構造を、その製造工程と共に説明する。
まず、サファイア基板１０１上にＧａＮ膜をＭＯＣＶＤにより成長する。その上にストライプ状のＳｉＯ２マスクを形成し、ドライエッチングにより窓部のＧａＮをサファイアまでエッチングした。次にＳｉＯ２マスクを除去し、できたストライプ状ＧａＮ３０１上にＭＯＣＶＤによりＳｉを添加したｎ型ＧａＮ３０２を再成長させる。
【００５８】
ある程度の時間成長すると、側面方向からのGaNがつながり平坦なGaN膜ができる。ストライプ状GaNの上部では高密度の貫通転位がそのまま引き継がれるため高転位密度領域（図中でドット模様を付した領域）１１６ができるが、側面成長により形成されたGaNが低転位密度領域１０４となる。また、左右から横方向成長してきたGaNがぶつかる領域には新たに転位が発生し高い転位密度となっている。
【００５９】
比較のために、サファイア露出領域幅を１０μｍにした基板と該幅を２５μｍにした基板との両方を用意した。この基板の上に、Ｓｉドープｎ型Ｉｎ０．１Ｇａ０．９Ｎ層１０７、 １２０周期のＳｉドープｎ型ＧａＮ層（厚さ２．５ｎｍ）とアンドープＡｌ０．１４Ｇａ０．８６Ｎ層（厚さ２．５ｎｍ）からなるｎ型クラッド層１０８、Ｓｉドープｎ型ＧａＮ（厚さ０．１μｍ）からなるｎ型光閉じ込め層１０９、アンドープＩｎ０．１５Ｇａ０．８５Ｎ量子井戸層（厚さ３．５ｎｍ）とアンドープＩｎ０．０２Ｇａ０．９８Ｎ障壁層（厚さ１０．５ｎｍ）からなる多重量子井戸活性層１１０、Ｍｇドープｐ型Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ｎキャップ層（厚さ２０ｎｍ）１１１、Ｍｇドープｐ型ＧａＮ（厚さ０．１μｍ）からなるｐ型光閉じ込め層１１２、 １２０周期のＭｇドープｐ型ＧａＮ層（厚さ２．５ｎｍ）とアンドープＡｌ０．１４Ｇａ０．８６Ｎ層（厚さ２．５ｎｍ）からなるｐ型クラッド層１１３、 Ｍｇドープｐ型ＧａＮ（厚さ０．０５μｍ）からなるｐ型コンタクト層１１４を順に成長した後に、ドライエッチングなどにより図２に示すようなリッジ構造を形成し、最後にＮｉとＡｕからなるｐ電極１０５とＴｉとＡｌからなるｎ電極１１５を蒸着により、図２に示す半導体レーザ素子が作製される。
【００６０】
比較のために、活性層の障壁層及び量子井戸層にＳｉ不純物を１×１０１８ｃｍ−３添加したレーザ素子及び活性層にＳｉ不純物を５×１０１８ｃｍ−３添加したレーザ素子も作製した。これらのレーザ素子に対し、透過電子顕微鏡によって転位を観察したところ、すべての素子に対して前述の高転位密度領域と低転位密度領域とがはっきりと観察され、転位密度は高転位密度領域で５×１０１２ｍ−２程度、低転位密度領域で２×１０１０ｍ−２程度であった。
【００６１】
ＳｉＯ２マスク幅またはＳｉ不純物濃度の異なるこれら６つの素子における初期閾値電流密度および７０℃、３０ｍＷで１００時間ＡＰＣ動作した後の素子劣化状況を表３に示す。
【表３】
【００６２】
初期閾値電流密度は６つの素子でほとんど差が見られないが、素子劣化については、サファイア露出領域幅が１０μｍであり、かつ、活性層にＳｉ不純物を５×１０１８ｃｍ−３添加した素子において、著しい劣化が見られ、１００時間動作終了前に発振を停止してしまった。それ以外の５つの試料についてはほとんど劣化は見られなかった。
【００６３】
また、劣化した素子について、透過型電子顕微鏡によって転位を観察したところ、高転位密度領域から低転位密度領域に転位が移動し増殖しているのが観察された。この試料において、高転位密度領域は、動作試験前には、電流を注入する活性層領域から３μｍ程度離れた位置にあったが、動作試験後に高転位密度領域は活性層（電流注入する領域）まで進出していた。
【００６４】
これに対し、活性層に不純物を添加していない素子では、転位の分布は動作試験前と全く変わらない状況であった。また、サファイア露出領域幅が２５μｍであり、かつ、活性層にＳｉ不純物を５×１０１８ｃｍ−３添加した素子においては、高転位密度領域１１６から低転位密度領域１０４に転位が移動し増殖しているのが観察されたが、高転位密度領域１１６の進出は５μｍ程度の距離にとどまっており活性層（電流注入する領域）まで進出してはいなかった。
【００６５】
この結果、本実施形態では、活性層（電流注入する領域）から５μｍ以内の近傍に高転位密度領域１１６が存在している場合であっても、不純物濃度が低い（１０１８ｃｍ−３未満）ことによる効果が顕著に得られて、転位の移動及び増殖を抑制することができる。また、従来から行われてきた活性層へのＳｉ不純物添加を行わないこと、もしくは、サファイア露出領域幅を十分広くすることにより、高転位密度領域１１６から低転位密度領域１０４への転位の移動・増殖が抑制され、高温・高出力でのレーザ素子寿命が飛躍的に改善されることがわかる。
【００６６】
次に、本発明の第３実施形態について、図３を参照しながら説明する。
図３は、第３実施形態における面発光型窒化物半導体レーザ素子の断面構造図である。
【００６７】
第３実施形態の半導体レーザ素子の構造を、その製造工程と共に説明する。
まず、サファイア基板１０１上にＧａＮ膜１０２をＭＯＣＶＤにより成長する。その後、ＧａＮ膜１０２上に、ストライプ状の２０周期ＺｒＯ２／ＳｉＯ２膜（マスク）４０３を［１，−１，０，０］方向に形成し、その上にＳｉを添加したｎ型ＧａＮをＭＯＣＶＤ成長することによって選択成長させ、マスク上に横方向成長した低転位密度のＧａＮを形成し、ｎ型ＧａＮ−ＥＬＯＧ基板１０６を作製する。
【００６８】
ＺｒＯ２／ＳｉＯ２膜は、誘電体多層膜反射鏡（ＤＢＲ）の働きも兼ねている。この基板上にさらに引き続き、アンドープＩｎ０．１５Ｇａ０．８５Ｎ量子井戸層（厚さ３．５ｎｍ）とアンドープＩｎ０．０２Ｇａ０．９８Ｎ障壁層（厚さ１０．５ｎｍ）からなる多重量子井戸活性層１１０、Ｍｇドープｐ型Ａｌ０．４Ｇａ０．６Ｎ／ＧａＮ４０周期多層膜反射鏡（ＤＢＲ）４１３、Ｍｇドープｐ型ＧａＮ（厚さ０．０５μｍ）からなるｐ型コンタクト層１１４を順に成長した後に、ドライエッチングなどにより図３に示すようなリッジ構造を形成し、最後にＮｉとＡｕからなるｐ電極１０５とＴｉとＡｌからなるｎ電極１１５を蒸着により作製する。
【００６９】
この面発光レーザでは、裏面（すなわちサファイア基板側）からレーザ光が出射される。比較のために、活性層の障壁層及び量子井戸層にＳｉ不純物を１×１０１８ｃｍ−３添加したレーザ素子及び活性層にＳｉ不純物を５×１０１８ｃｍ−３添加したレーザ素子も作製した。これらの面発光レーザ素子においても、上記実施形態と同様に活性層に不純物を添加しない素子で、高温・高出力動作での長寿命化が実現した。
【００７０】
なお、上記各実施形態では、窒化物半導体発光素子として半導体レーザに適用したが、他の半導体発光素子に採用しても構わない。例えば、ＬＥＤやＳＬＤ（Ｓｕｐｅｒ Ｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｔ Ｄｉｏｄｅ）に用いてもよい。
【００７１】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明の窒化物半導体発光素子によれば、低転位密度領域の少なくとも一部に電流注入領域が形成され、前記高転位密度領域は、前記電流注入領域から離れた位置に位置しており、前記活性層の不純物濃度が１０１８ｃｍ−３未満であるので、活性層における不純物濃度が低くオージェ再結合が軽減されると共に、高転位密度領域から低転位密度領域の電流注入領域への転位の増殖と移動を抑制することができ、高温・高出力動作でのレーザ素子等の寿命を飛躍的に長くすることができる。
【００７２】
また、本発明の窒化物半導体発光素子によれば、窒化物半導体が露出した基板表面にパターニングされたマスク材料を形成した後に窒化物を選択成長させて作製され、マスク材料が、マスク幅２５μｍ以上でパターニングされている、又は窒化物半導体層が形成された基板表面をエッチングにより加工して部分的に窒化物半導体層を除去した後に窒化物を成長させて作製され、エッチングによる加工が、幅２５μｍ以上の領域に施されているので、高温・高出力で高信頼性が得られる十分に広い低転位密度領域が確保され、高転位密度領域からの影響が大幅に抑制される。
【００７３】
したがって、本発明により、書き込み可能な光ディスク用光源として、実用可能な窒化物半導体レーザ等が実現できるようになり、産業上の利用価値は非常に大きい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る窒化物半導体発光素子の第１実施形態を示す窒化物半導体レーザ素子の断面図である。
【図２】本発明に係る窒化物半導体発光素子の第２実施形態を示す窒化物半導体レーザ素子の断面図である。
【図３】本発明に係る窒化物半導体発光素子の第３実施形態を示す窒化物半導体レーザ素子の断面図である。
【図４】本発明に係る窒化物半導体発光素子の従来例を示す窒化物半導体レーザ素子の断面図である。
【符号の説明】
１０１ サファイア基板
１０２ ＧａＮ膜
１０３ ストライプ状ＳｉＯ２膜（マスク）
１０４ 低転位密度領域（ドット模様を付していない領域）
１０５ ｐ電極
１０６ ＥＬＯＧ基板
１０７ ＩｎＧａＮ層
１０８ ｎ型クラッド層
１０９ ｎ型光閉じ込め層
１１０ アンドープ活性層
１１１ キャップ層
１１２ ｐ型光閉じ込め層
１１３ ｐ型クラッド層
１１４ ｐ型コンタクト層
１１５ ｎ電極
１１６ 高転位密度領域（ドット模様を付した領域）
２１０ Ｓｉドープ活性層
３０１ ストライプ状ＧａＮ
３０２ ｎ型ＧａＮ
４０３ ストライプ状ＺｒＯ２／ＳｉＯ２多層膜
４１３ ｐ型ＡｌＧａＮ／ＧａＮ多層膜反射鏡
【発明の属する技術分野】
本発明は、青紫色半導体レーザ等の窒化物半導体発光素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
窒化物半導体は青紫色レーザ素子の材料としてたいへん有望であり、中村他がＪｐｎ． Ｊ． Ａｐｐｌ． Ｐｈｙｓ． ｖｏｌ． ３６ （１９９７）， ｐｐ． Ｌ１５６８−１５７１で報告しているように、既に室温において２ｍＷ出力で１万時間以上の連続発振寿命が報告されている。図４にそのレーザの断面構造図を示す。一般に、レーザ素子の寿命を長くするためには転位密度を低減することが不可欠であり、図４のレーザ素子においては、サファイア基板１０１上のＧａＮ膜１０２上に、ストライプ状のＳｉＯ２膜（マスク）１０３を形成し、その上にＧａＮを成長することによって選択成長させ、マスク上に横方向成長した低転位密度のＧａＮを形成し、その低転位密度領域１０４の上にｐ電極１０５が形成されるようにレーザ素子を作製している。
【０００３】
中村他による上記の方法によって作製されたＧａＮ基板はＥＬＯＧ（Ｅｐｉｔａｘｉａｌ Ｌａｔｅｒａｌ Ｏｖｅｒｇｒｏｗｔｈ ＧａＮ）基板と呼ばれており、ＳｉＯ２マスクの無い部分（窓領域）の上部では、サファイア基板上ＧａＮ膜の高密度の貫通転位がそのまま引き継がれて膜が成長するために、高い（１０１２ｍ−２以上）転位密度となっているが、ＳｉＯ２マスクの上部ではマスクによって転位の伝播がさえぎられるために、低い（１０１１ｍ−２未満）転位密度が実現している。ただし、ＳｉＯ２マスクの中心付近では両側の窓領域から横方向成長してきたＧａＮがぶつかるため、転位が新たに発生し高い転位密度となっている。
【０００４】
そして、低転位領域（ＳｉＯ２マスク上で中心から離れた部分：図中でドット模様を付していない領域）１０４の上部にｐ電極１０５が形成されるようにレーザ素子を作製すると、活性層内の低転位密度領域に電流が注入されるため、転位に起因した素子の劣化が起こりにくくなり、素子の寿命が長くなると考えられる。
【０００５】
図４のレーザ素子は、Ｓｉドープｎ型ＧａＮ−ＥＬＯＧ基板１０６上にＳｉドープｎ型Ｉｎ０．１Ｇａ０．９Ｎ層１０７、 １２０周期のＳｉドープｎ型ＧａＮ層（厚さ２．５ｎｍ）とアンドープＡｌ０．１４Ｇａ０．８６Ｎ層（厚さ２．５ｎｍ）からなるｎ型クラッド層１０８、Ｓｉドープｎ型ＧａＮ（厚さ０．１μｍ）からなるｎ型光閉じ込め層１０９、Ｓｉドープｎ型Ｉｎ０．１５Ｇａ０．８５Ｎ量子井戸層（厚さ３．５ｎｍ）とＳｉドープｎ型Ｉｎ０．０２Ｇａ０．９８Ｎ障壁層（厚さ１０．５ｎｍ）からなる多重量子井戸活性層２１０、Ｍｇドープｐ型Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ｎキャップ層（厚さ２０ｎｍ）１１１、Ｍｇドープｐ型ＧａＮ（厚さ０．１μｍ）からなるｐ型光閉じ込め層１１２、１２０周期のＭｇドープｐ型ＧａＮ層（厚さ２．５ｎｍ）とアンドープＡｌ０．１４Ｇａ０．８６Ｎ層（厚さ２．５ｎｍ）からなるｐ型クラッド層１１３、 Ｍｇドープｐ型ＧａＮ（厚さ０．０５μｍ）からなるｐ型コンタクト層１１４を順に成長した後に、ドライエッチングなどにより図４に示すようなリッジ構造を形成し、最後にＮｉとＡｕからなるｐ電極１０５とＴｉとＡｌからなるｎ電極１１５を蒸着して作製されている。
【０００６】
上記のマスクを用いる方法の他に、転位密度の低い領域を作製する方法として、中村他が応用物理第６８巻第７号ｐｐ．７９３−７９６に記述しているように、サファイア基板上ＧａＮ膜をドライエッチングしてストライプ状にＧａＮ膜を残し、その上にＧａＮ再成長を行うことによって側面成長を利用して平坦な膜を形成する方法（以下マスクレスＥＬＯＧと呼ぶ）もある。この方法では残されたストライプ状ＧａＮの上部ではＧａＮ膜の貫通転位が引き継がれて高転位密度となるが、ＧａＮをエッチングしサファイアが露出した領域の上部では低転位密度となる。そしてこの低転位密度領域にレーザ素子を形成することによって長い素子寿命が得られている。
【０００７】
一方、発明者らはＪｐｎ． Ｊ． Ａｐｐｌ． Ｐｈｙｓ． ｖｏｌ． ３６ （１９９７）， ｐｐ． Ｌ８９９−９０２あるいはＮＥＣ Ｒｅｓｅａｒｃｈ ａｎｄ Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｖｏｌ．４１ （２０００） Ｎｏ．１ ｐｐ．７４−８５で述べているように、ＦＩＥＬＯ（Ｆａｃｅｔ−Ｉｎｉｔｉａｔｅｄ Ｅｐｉｔａｘｉａｌ Ｌａｔｅｒａｌ Ｏｖｅｒｇｒｏｗｔｈ）と呼ばれる方法によって基板あるいは活性層全面にわたって転位密度を低くすることに成功している。ＦＩＥＬＯにおいては、ＥＬＯＧと同様にサファイア基板上のＧａＮ膜上に、ストライプ状のＳｉＯ２膜（マスク）を形成するが、ハイドライド気相成長によって選択成長させることによって貫通転位を曲げることができ、ＥＬＯＧのように転位密度の高い領域は生じず、基板全面にわたって転位密度を低くできる。
【０００８】
以上述べたように、低転位密度のＧａＮを作製する技術の進展に伴って、４００−４５０ｎｍ程度の波長領域で発振する青紫色窒化物半導体レーザの素子寿命は飛躍的に改善されてきた。一方、閾値電流密度などのレーザ素子特性そのものを改善する技術として活性層へのＳｉ不純物の添加が挙げられる。長濱他が特開平１０−１２９６９号公報に記載しているように、活性層にＳｉ不純物（あるいはＭｇなどの他の不純物）を１０１９−１０２１ｃｍ−３の濃度で添加することにより、レーザの閾値は改善される。
【０００９】
秩父他は、Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒ ７３ （１９９８）， ｐｐ．４９６−４９８．やＰｒｏｃ． ｏｆ ｔｈｅ ２ｎｄ Ｉｎｔ． Ｓｙｍｐ． ｏｎ Ｂｌｕｅ Ｌａｓｅｒ ａｎｄ Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅｓ， （１９９８）， ｐ．３８１，において、活性層にＳｉ不純物を添加することによる閾値低減のメカニズムについて述べており、不純物添加によるピエゾ電界遮蔽効果、量子井戸構造の平坦性改善など複数の可能性を挙げている。このように不純物添加によるレーザ特性改善のメカニズムはまだ完全に解明されたわけではないが、この不純物添加によるレーザ特性改善は広く業界に認知されており、近年作製されている窒化物半導体レーザにおいては活性層にＳｉ不純物を添加するのが常識となっている。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の窒化物半導体レーザ素子においても、応用上の観点から十分な素子の信頼性が実現しているとは言いがたい。４００−４５０ｎｍ程度の波長領域で発振する窒化物半導体レーザをＤＶＤなどの光ディスクに用いるためには、書き込み用も考慮に入れると、７０℃において、３０ｍＷ出力で５０００時間以上の素子寿命が必要である。それにもかかわらず、中村他がＪＳＡＰ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｎｏ．１ ｐｐ．５−１７（２０００）に述べているように、これまでのところ、６０℃においても、３０ｍＷ出力で５００時間程度の素子寿命しか実現していない。
【００１１】
本発明は、前述の課題に鑑みてなされたもので、高温・高出力動作での素子寿命を飛躍的に改善し、さらに長時間の素子寿命を実現することができる窒化物半導体発光素子を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、窒化物半導体レーザの製造技術について研究を行ってきた結果、ＦＩＥＬＯ−ＧａＮ基板上に作製した窒化物半導体レーザ素子において活性層に不純物を添加しなくても閾値の低いものができること等を見出し、さらに、それらの素子の寿命が長いという兆候も得ることができた。
【００１３】
本発明者らは、ペレット（１チップにおける一つの半導体レーザ素子）の転位密度分布や活性層不純物濃度とレーザ素子の閾値、素子寿命との関連をさらに詳しく調べるため、ＦＩＥＬＯ基板上とＥＬＯＧ基板上とに同時成長によりレーザ構造を成長し、レーザ素子を作製した。そして、活性層量子井戸に添加するＳｉ不純物濃度について、アンドープ、１×１０１８ｃｍ−３、５×１０１８ｃｍ−３の３種類のものを作製した。
【００１４】
上記レーザ素子の構造は、後述する第１実施形態で述べるものと同一である。ここで用いたＥＬＯＧ基板においては、マスク幅２０μｍ、窓部５μｍのＳｉＯ２マスクパターンを用いており、マスク幅が通常のＥＬＯＧ（マスク幅は通常１０μｍ程度以下）に比べてかなり広い。このようにマスク幅が広い場合、横方向成長で広い領域のＳｉＯ２マスクを埋め込まなければならないので、平坦な膜を作製するのがあまり容易ではないが、転位密度の低い領域の面積を大きくすることができる。ここでは、平坦に埋め込むために成長条件（ＩＩＩ族原料とＶ族原料の流量比）の最適化を行った上で、従来より幅広いマスク幅のＥＬＯＧを実現した。
【００１５】
表１に、これらから作製した数個のレーザ素子の初期閾値電流密度の平均値および７０℃、３０ｍＷで１００時間ＡＰＣ動作した後の素子劣化状況を示す。
【表１】
初期閾値電流密度は６種類の試料で大きな差は見られず、ＦＩＥＬＯ上の素子ではアンドープおよび１×１０１８ｃｍ−３のドーピングで若干閾値が下がる傾向が見られている。すなわち、Ｓｉ不純物濃度が１０１９ｃｍ−３レベルまでは至っていないものの、閾値に大きなＳｉ不純物濃度依存性はなく、かつ、少なくともＦＩＥＬＯ上においてはバラツキの範囲の可能性はあるもののＳｉ不純物を添加しない方が閾値が低くなるという傾向が得られた。そして、素子の劣化に関しては、ＥＬＯＧ上の５×１０１８ｃｍ−３ドーピングの素子においてのみ若干の電圧上昇（劣化）が見られた。
【００１７】
上記の実験結果から、高温・高出力動作での素子の劣化には、高転位密度領域の有無とＳｉ不純物濃度の両方が関係していると考えられる。すなわち、基板全面にわたって転位密度が低減されているＦＩＥＬＯ上の素子では劣化が起こりにくいが、電流注入する領域は低転位密度領域であってもペレット内に高転位密度領域が存在するＥＬＯＧ上素子の場合には劣化が起こりやすいと考えられる。さらに、高転位密度領域がペレット内に存在する場合においても、活性層に添加されている不純物濃度が小さい場合には劣化は起こりにくいと考えられる。
【００１８】
これらの現象のメカニズムは次のように推測される。高温・高出力動作では、素子には大きな電流が流れ、発熱も大きく、発生する光の強度も高い。この熱や光のエネルギーにより、電流の流れていない部分の転位が増殖しながら活性層領域（電流の流れている部分）にまで移動してきて素子を劣化させる可能性が考えられる。そして、活性層への不純物添加の有無が転位の増殖や運動に影響を与える理由としては、不純物添加によって結晶に局所的な歪みが導入されて転位が増殖したり動きやすくなる効果や不純物準位によるレーザ光吸収による発熱が転位の増殖や運動を促進する効果などが考えられる。
【００１９】
このような素子の劣化を防ぐには素子内のすべての領域で転位密度を低くすることが最も望ましい。ＦＩＥＬＯ基板を用いれば基板面内のすべての領域が低転位密度になるが、ＦＩＥＬＯ基板を作製するためには、ＭＯＶＰＥ成長装置だけでなく、ハイドライドＶＰＥ成長装置も用意する必要があり、現状ではコストが高くなる。将来、ＦＩＥＬＯ基板の大量生産ができるようになればこのコストの問題は解決される見通しであるが、現状ではＥＬＯＧやマスクレスＥＬＯＧによるＧａＮ基板を利用する方がコスト面で有利である。
【００２０】
ＥＬＯＧやマスクレスＥＬＯＧによるＧａＮ基板を用いたレーザ素子において、高温・高出力動作寿命を改善するためには次の２つの方法が考えられる。１つは、ＥＬＯＧ作製時のＳｉＯ２マスク幅もしくはマスクレスＥＬＯＧ作製時のサファイア露出領域の幅を十分広くして高転位密度領域の影響を少なくする方法である。もう１つは、活性層の不純物濃度を低くして高転位密度領域から低転位密度領域への転位の増殖と移動を抑制する方法である。
【００２１】
前者の方法では、横方向成長で埋め込むべき領域の面積が大きくなるので、埋め込むのに必要な成長時間が長くなり、しかも、平坦な膜を作製するのが難しくなる。しかしながら、横方向成長しやすい成長条件（例えばＴＭＧ流量を１分あたり１μｍｏｌ以下にする）を用いれば３０μｍ程度のマスク幅（あるいはサファイア露出領域幅）でも平坦な膜で埋め込むことが可能である。
【００２２】
後者の方法は、Ｓｉ不純物を添加した方が閾値電流密度が低くなるという従来の窒化物半導体レーザ素子の常識と反する方向性であるが、前述のように少なくとも発明者らが実験した範囲ではＳｉ不純物濃度による閾値電流密度の大きな変化は見られなかった。これはＦＩＥＬＯ基板での結果が如実に物語るように発明者らが作製した活性層（電流注入領域）の転位密度が低く欠陥が少ないことが関係していると推測している。
【００２３】
転位では転位芯を通してのキャリアの非放射再結合が起こると考えられるが、これを軽減するには活性層の不純物濃度を増大してキャリア拡散長を短くすることで、転位芯へのキャリアの流入を押さえることが有効と考えられる。しかし、一方で不純物濃度を１０１９ｃｍ−３以上にするとオージェ再結合と呼ばれる非放射再結合が盛んになることは多くの半導体で報告されている。
【００２４】
従来、不純物濃度を高める必要があったのは活性層での転位密度が高く、この転位芯での非放射再結合を防ぐためであったと考えられる。一方、転位密度を大幅に低減した領域に電流を注入するレーザにあっては転位芯での非放射再結合よりはオージェ再結合を軽減することが重要であることを実験結果は示していると考えられる。
【００２５】
なお、活性層が量子井戸構造ではなく厚さ１０ｎｍ以上の単層膜の場合にはＳｉ不純物濃度を１０１８ｃｍ−３より小さくしても長寿命化は量子井戸構造の場合ほどには顕著ではなかった。しかし、たとえ活性層がＩｎＧａＮ単層膜であっても量子井戸構造としての効果（状態密度の立ち上がりが急峻になるために光学利得が増加し、しきい値が下がり温度特性も向上する）が現れる活性層厚が１０ｎｍ未満（単一量子井戸構造）の場合には不純物濃度を１０１８ｃｍ−３より小さくすると量子井戸活性層の場合と同様に長寿命化は顕著であった。
【００２６】
厚さ１０ｎｍ以上の単層膜活性層で長寿命化効果が顕著でない理由の一つとしては、厚い活性層では不純物濃度を低減するとその直列抵抗が増加し発熱量が大きくなり、不純物を添加量が小さくても転位の増殖と移動が容易に起こってしまうことが考えられる。また、発熱量とは別に量子井戸構造の場合に不純物濃度を大きいと寿命が短くなる理由としては厚い単層膜活性層の場合に較べて活性層体積に占める界面の割合が著しく増加し、これら界面での不純物の偏析が起こり、界面再結合速度の増大をもたらすのみならず、転位の増殖や移動を増長させるためだと考えられる。
【００２７】
したがって、本発明は、上記知見に基づいた技術であり、前記課題を解決するために以下の構成を採用した。
すなわち、本発明の窒化物半導体発光素子では、井戸層と障壁層とが積層されてなる量子井戸構造の活性層を有する窒化物半導体発光素子であって、前記活性層は、互いに転位密度が異なる高転位密度領域と低転位密度領域とを有し、前記低転位密度領域は、前記高転位密度領域より転位密度が低いと共に少なくとも一部に電流注入領域が形成され、前記高転位密度領域は、前記電流注入領域から離れた位置に位置しており、前記活性層の不純物濃度が１０１８ｃｍ−３未満であることを特徴とする。
【００２８】
この窒化物半導体発光素子では、低転位密度領域の少なくとも一部に電流注入領域が形成され、前記高転位密度領域は、前記電流注入領域から離れた位置に位置しており、前記活性層の不純物濃度が１０１８ｃｍ−３未満であるので、活性層における不純物濃度が低くオージェ再結合が軽減されると共に、高転位密度領域から低転位密度領域の電流注入領域への転位の増殖と移動を抑制することができ、高温・高出力動作での素子寿命を飛躍的に長くすることができる。
【００２９】
また、本発明の窒化物半導体発光素子は、前記低転位密度領域が前記高転位密度領域の転位密度の１０分の１以下の転位密度である場合に好適である。
また、本発明の窒化物半導体発光素子は、前記電流注入領域の平均転位密度が活性層全領域の平均転位密度の１０分の１以下である場合に好適である。
【００３０】
さらに、本発明の窒化物半導体発光素子は、前記高転位密度領域が、少なくとも一部の転位密度が１０１２ｍ−２以上であり、前記低転位密度領域の電流注入領域の平均転位密度が、１０１１ｍ−２未満である場合に好適である。
また、本発明の窒化物半導体発光素子は、前記活性層が、全領域の平均転位密度が１０１２ｍ−２以上であり、かつ、前記低転位密度領域の電流注入領域の平均転位密度が１０１１ｍ−２未満である場合に好適である。
【００３１】
これらの窒化物半導体発光素子では、少なくとも活性層内における電流が注入される領域の転位密度が、他の領域の高転位密度領域の１／１０以下であり、活性層の不純物濃度が１０１８ｃｍ−３未満であることによる効果（高転位密度領域からの転位の移動・増殖の抑制）が顕著に得られる。
【００３２】
また、本発明の窒化物半導体発光素子は、前記活性層が、前記電流注入領域の平均転位密度が１０１１ｍ−２未満であり、かつ、電流注入領域から５μｍ以内の領域の平均転位密度が１０１２ｍ−２以上である場合に好適である。
また、本発明の窒化物半導体発光素子は、前記活性層上には、他の半導体層を介して電流注入電極が形成され、前記活性層が、前記電流注入電極の直下の領域の平均転位密度が１０１１ｍ−２未満であり、かつ、前記領域から５μｍ以内の領域の平均転位密度が１０１２ｍ−２以上である場合に好適である。
【００３３】
また、本発明の窒化物半導体発光素子は、前記活性層が、前記電流注入領域の平均転位密度が電流注入領域から５μｍ以内の領域の平均転位密度の１０分の１以下である場合に好適である。
また、本発明の窒化物半導体発光素子は、前記活性層上には、他の半導体層を介して電流注入電極が形成され、前記活性層が、前記電流注入電極の直下の領域の平均転位密度が前記領域から５μｍ以内の領域の平均転位密度の１０分の１以下である場合に好適である。
【００３４】
これらの窒化物半導体発光素子では、電流が注入される領域より１０倍以上の転位密度を有する領域が、電流が注入される領域の５μｍ以内に存在しており、この場合、活性層の不純物濃度が１０１８ｃｍ−３未満であることによる効果（高転位密度領域からの転位の移動・増殖の抑制）が特に顕著に得られる。
【００３５】
また、本発明の窒化物半導体発光素子は、窒化物半導体が露出した基板表面にパターニングされたマスク材料を形成した後に窒化物を選択成長させて作製されることが好ましい。すなわち、この窒化物半導体発光素子では、いわゆるＥＬＯＧ基板に作製されるので、いわゆるＦＩＥＬＯ基板に比べて低コストで作製することができる。
【００３６】
また、本発明の窒化物半導体発光素子は、窒化物半導体層が形成された基板表面をエッチングにより加工して部分的に窒化物半導体層を除去した後に窒化物を成長させて作製されることが好ましい。すなわち、この窒化物半導体発光素子では、いわゆるマスクレスＥＬＯＧ基板に作製されるので、いわゆるＦＩＥＬＯ基板に比べて低コストで作製することができる。
【００３７】
本発明の窒化物半導体発光素子は、井戸層と障壁層とが積層されてなる量子井戸構造の活性層を有する窒化物半導体発光素子であって、窒化物半導体が露出した基板表面にパターニングされたマスク材料を形成した後に窒化物を選択成長させて作製され、前記マスク材料が、マスク幅２５μｍ以上でパターニングされていることを特徴とする。
この窒化物半導体発光素子では、いわゆるＥＬＯＧ基板に作製される場合において、マスク材料がマスク幅２５μｍ以上でパターニングされているので、高温・高出力で高信頼性が得られる十分に広い低転位密度領域が確保され、高転位密度領域からの影響が大幅に抑制される。
【００３８】
本発明の窒化物半導体発光素子は、井戸層と障壁層とが積層されてなる量子井戸構造の活性層を有する窒化物半導体発光素子であって、窒化物半導体層が形成された基板表面をエッチングにより加工して部分的に窒化物半導体層を除去した後に窒化物を成長させて作製され、前記エッチングによる加工が、幅２５μｍ以上の領域に施されていることを特徴とする。
この窒化物半導体発光素子では、いわゆるマスクレスＥＬＯＧ基板に作製される場合において、エッチングによる加工が幅２５μｍ以上の領域に施されているので、高温・高出力で高信頼性が得られる十分に広い低転位密度領域が確保され、高転位密度領域からの影響が大幅に抑制される。
【００３９】
なお、本発明の窒化物半導体発光素子は、前記活性層に添加した不純物がＳｉであることが好ましい。
【００４０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の第１実施形態について、図１を参照しながら説明する。
図１は、第１実施形態における窒化物半導体レーザ素子の断面構造図である。
【００４１】
第１実施形態における半導体レーザ素子の構造を、その製造工程と共に説明する。
まず、サファイア基板１０１上にＧａＮ膜１０２をＭＯＣＶＤにより成長する。その後、ＧａＮ膜１０２上に、ストライプ状のＳｉＯ２膜（マスク）１０３を［１，−１，０，０］方向に形成し、その上にＳｉを添加したｎ型ＧａＮをＭＯＣＶＤ成長することによって選択成長させ、マスク上に横方向成長した低転位密度のＧａＮを形成し、ｎ型ＧａＮ−ＥＬＯＧ基板１０６を作製する。この際、比較のために、ＳｉＯ２膜のマスク幅を１０μｍにした基板と該マスク幅を２５μｍにした基板の両方を用意した。
【００４２】
この基板上にさらに引き続き、Ｓｉドープｎ型Ｉｎ０．１Ｇａ０．９Ｎ層１０７、 １２０周期のＳｉドープｎ型ＧａＮ層（厚さ２．５ｎｍ）とアンドープＡｌ０．１４Ｇａ０．８６Ｎ層（厚さ２．５ｎｍ）からなるｎ型クラッド層１０８、Ｓｉドープｎ型ＧａＮ（厚さ０．１μｍ）からなるｎ型光閉じ込め層１０９、アンドープＩｎ０．１５Ｇａ０．８５Ｎ量子井戸層（厚さ３．５ｎｍ）とアンドープＩｎ０．０２Ｇａ０．９８Ｎ障壁層（厚さ１０．５ｎｍ）からなる多重量子井戸活性層１１０、Ｍｇドープｐ型Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ｎキャップ層（厚さ２０ｎｍ）１１１、Ｍｇドープｐ型ＧａＮ（厚さ０．１μｍ）からなるｐ型光閉じ込め層１１２、 １２０周期のＭｇドープｐ型ＧａＮ層（厚さ２．５ｎｍ）とアンドープＡｌ０．１４Ｇａ０．８６Ｎ層（厚さ２．５ｎｍ）からなるｐ型クラッド層１１３、 Ｍｇドープｐ型ＧａＮ（厚さ０．０５μｍ）からなるｐ型コンタクト層１１４を順に成長した後に、ドライエッチングなどにより図１に示すようなリッジ構造を形成し、最後にＮｉとＡｕからなるｐ電極１０５とＴｉとＡｌからなるｎ電極１１５を蒸着により、図１に示す半導体レーザ素子が作製される。
【００４３】
なお、比較のために、活性層の障壁層及び量子井戸層にＳｉ不純物を１×１０１８ｃｍ−３添加したレーザ素子及び活性層にＳｉ不純物を５×１０１８ｃｍ−３添加したレーザ素子も作製した。これらのレーザ素子に対し、透過電子顕微鏡によって転位を観察したところ、すべての素子に対して前述の高転位密度領域１１６と低転位密度領域１０４とがはっきりと観察され、転位密度は高転位密度領域１１６で５×１０１２ｍ−２程度、低転位密度領域１０４で２×１０１０ｍ−２程度であった。このように、本実施形態では、高転位密度領域１１６と低転位密度領域１０４とが活性層の層方向に形成され、活性層の面内で転位密度が大きく変化している。
【００４４】
転位密度の測定は透過電子顕微鏡による観察で調べることができるが、より簡便にはエッチピット密度で調べることもできる。窒化物半導体では、リン酸と硫酸の混合液を２００℃程度に加熱し、その溶液に試料を１時間程度浸すことによりエッチピットが形成される。基本的にはエッチピットは転位の存在するところに形成されるので、エッチピット密度は転位密度にほぼ対応する。
【００４５】
転位（エッチピット）密度が低い場合には、広い面積で転位（エッチピット）数を数えなければ精度の良い密度の測定はできない。例えば、転位密度１０１１ｍ−２程度の場合には少なくとも１０−１０ｍ２程度の面積での測定が必要である。この面積は１０μｍ角四方に対応するが、ＥＬＯＧ基板上成長膜ではストライプに垂直な方向に転位密度が大きく空間変化するため、測定は「ストライプ方向１００μｍ」×「ストライプに垂直方向１μｍ」の長方形領域で行う必要がある。
【００４６】
ＳｉＯ２マスク幅またはＳｉ不純物濃度の異なるこれら６つの素子における初期閾値電流密度および７０℃、３０ｍＷで１００時間ＡＰＣ動作した後の素子劣化状況を表２に示す。
【表２】
初期閾値電流密度は６つの素子でほとんど差が見られないが、素子劣化については、ＳｉＯ２マスク幅が１０μｍであり、かつ、活性層にＳｉ不純物を５×１０１８ｃｍ−３添加した素子において、著しい劣化が見られ、１００時間動作終了前に発振が止まってしまった。それ以外の５つの試料についてはほとんど劣化は見られなかった。また、劣化した素子について、透過型電子顕微鏡によって転位を観察したところ、高転位密度領域から低転位密度領域に転位が移動し増殖しているのが観察された。
【００４８】
この試料において、高転位密度領域は、動作試験前には、電流を注入する活性層領域から３μｍ程度離れた位置にあったが、動作試験後に高転位密度領域は活性層（電流注入する領域）まで進出していた。これに対し、活性層に不純物を添加していない素子では、転位の分布は動作試験前と全く変わらない状況であった。また、ＳｉＯ２マスク幅が２５μｍであり、かつ、活性層にＳｉ不純物を５×１０１８ｃｍ−３添加した素子においては、高転位密度領域１１６から低転位密度領域１０４に転位が移動し増殖しているのが観察されたが、高転位密度領域１１６の進出は５μｍ程度の距離にとどまっており活性層（電流注入する領域）まで進出してはいなかった。
【００４９】
このように、本実施形態では、高転位密度領域１１６が活性層（電流注入する領域）から５μｍ以内の近傍に存在している場合であっても、不純物濃度が低い（１０１８ｃｍ−３未満）ことによる効果が顕著に得られて、転位の移動及び増殖を抑制することができる。また、従来から行われてきた活性層へのＳｉ不純物添加を行わないこと、もしくは、ＳｉＯ２マスク幅を十分広くすること（２５μｍ以上）により、高転位密度領域１１６から低転位密度領域１０４への転位の移動・増殖が抑制され、高温・高出力でのレーザ素子寿命が飛躍的に改善される。
【００５０】
なお、本実施形態における素子長寿命効果を示すために、比較として高転位密度領域及び低転位密度領域の転位密度を様々に変化させたものを作製し、それぞれについて高温・高出力動作での素子劣化試験を行った。なお、転位密度は選択成長の成長条件を変えることによってある程度制御できる。
【００５１】
その結果、本実施形態では、高転位密度領域と低転位密度領域とで転位密度が１０倍以上異なっている場合であっても、Ｓｉ不純物を添加しないことによる長寿命化現象が顕著に生じ、素子の劣化が抑制されることが確認された。高転位密度領域からの転位の移動・増殖により素子の劣化が起こっていることを考えると、転位密度の空間分布（例えば、活性層の面内における転位密度の変化）があまり大きくない場合には効果は小さいはずなのでこの結果は当然と言え、実際に転位密度が空間的に一様なレーザ素子では不純物を添加しないことによる長寿命化効果は全く見られなかった。
【００５２】
また、ここで述べた活性層への不純物添加とは、量子井戸層または障壁層いずれか一方または両者への不純物添加のことを指しており、活性層内のすべての層をアンドープにするか、もしくは、Ｓｉ不純物添加量を１０１８ｃｍ−３より小さくすることによって初めて素子の長寿命化が実現される。
【００５３】
また、活性層を量子井戸構造ではなくＩｎＧａＮ単層膜にした場合の実験を行った結果、ＩｎＧａＮ単層膜の厚さが１０ｎｍ以上の場合にはＳｉ不純物濃度を１０１８ｃｍ−３より小さくしても長寿命化は量子井戸構造の場合ほどには顕著ではなかった。しかし、たとえ活性層がＩｎＧａＮ単層膜であっても量子井戸構造としての効果が現れる活性層厚が１０ｎｍ未満（単一量子井戸構造）の場合にはＳｉ不純物濃度を１０１８ｃｍ−３より小さくすると量子井戸活性層の場合と同様に長寿命化が顕著にあらわれた。
【００５４】
このように、厚さ１０ｎｍ以上のＩｎＧａＮ単層膜活性層で長寿命化効果が顕著でない理由の一つとしては、前記したように厚い活性層では発熱量が大きいためにＳｉ不純物を添加しない活性層においても転位の増殖と移動が容易に起こってしまうことが考えられる。また、これも前記したことだが発熱量とは別に量子井戸構造の場合にＳｉ不純物濃度を大きいと寿命が短くなる理由としては厚い単層膜活性層の場合に較べて活性層体積に占める界面の割合が著しく増加し、これら界面での不純物の偏析が起こり、界面再結合速度の増大などをもたらしたり、転位の増殖や移動を増長させるためだと考える。
【００５５】
また、長濱他が特開平１０−１２９６９号公報で記載しているように、ＭｇなどのＳｉ以外の不純物を添加することによりレーザ素子の閾値を低減することも行われているが、このようなレーザ素子においても不純物を添加しないことにより、高温・高出力レーザ素子寿命が大幅に改善されると考えられる。実際に我々は、活性層にＭｇ不純物を添加したレーザ素子と添加しないレーザ素子で７０℃、３０ｍＷでの素子劣化を比較した結果、不純物添加しない素子より添加した素子の方が劣化が顕著であった。
【００５６】
次に、本発明の第２実施形態について、図２を参照しながら説明する。
図２は、第２実施形態における窒化物半導体レーザ素子の断面構造図である。
【００５７】
第２実施形態の半導体レーザ素子の構造を、その製造工程と共に説明する。
まず、サファイア基板１０１上にＧａＮ膜をＭＯＣＶＤにより成長する。その上にストライプ状のＳｉＯ２マスクを形成し、ドライエッチングにより窓部のＧａＮをサファイアまでエッチングした。次にＳｉＯ２マスクを除去し、できたストライプ状ＧａＮ３０１上にＭＯＣＶＤによりＳｉを添加したｎ型ＧａＮ３０２を再成長させる。
【００５８】
ある程度の時間成長すると、側面方向からのGaNがつながり平坦なGaN膜ができる。ストライプ状GaNの上部では高密度の貫通転位がそのまま引き継がれるため高転位密度領域（図中でドット模様を付した領域）１１６ができるが、側面成長により形成されたGaNが低転位密度領域１０４となる。また、左右から横方向成長してきたGaNがぶつかる領域には新たに転位が発生し高い転位密度となっている。
【００５９】
比較のために、サファイア露出領域幅を１０μｍにした基板と該幅を２５μｍにした基板との両方を用意した。この基板の上に、Ｓｉドープｎ型Ｉｎ０．１Ｇａ０．９Ｎ層１０７、 １２０周期のＳｉドープｎ型ＧａＮ層（厚さ２．５ｎｍ）とアンドープＡｌ０．１４Ｇａ０．８６Ｎ層（厚さ２．５ｎｍ）からなるｎ型クラッド層１０８、Ｓｉドープｎ型ＧａＮ（厚さ０．１μｍ）からなるｎ型光閉じ込め層１０９、アンドープＩｎ０．１５Ｇａ０．８５Ｎ量子井戸層（厚さ３．５ｎｍ）とアンドープＩｎ０．０２Ｇａ０．９８Ｎ障壁層（厚さ１０．５ｎｍ）からなる多重量子井戸活性層１１０、Ｍｇドープｐ型Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ｎキャップ層（厚さ２０ｎｍ）１１１、Ｍｇドープｐ型ＧａＮ（厚さ０．１μｍ）からなるｐ型光閉じ込め層１１２、 １２０周期のＭｇドープｐ型ＧａＮ層（厚さ２．５ｎｍ）とアンドープＡｌ０．１４Ｇａ０．８６Ｎ層（厚さ２．５ｎｍ）からなるｐ型クラッド層１１３、 Ｍｇドープｐ型ＧａＮ（厚さ０．０５μｍ）からなるｐ型コンタクト層１１４を順に成長した後に、ドライエッチングなどにより図２に示すようなリッジ構造を形成し、最後にＮｉとＡｕからなるｐ電極１０５とＴｉとＡｌからなるｎ電極１１５を蒸着により、図２に示す半導体レーザ素子が作製される。
【００６０】
比較のために、活性層の障壁層及び量子井戸層にＳｉ不純物を１×１０１８ｃｍ−３添加したレーザ素子及び活性層にＳｉ不純物を５×１０１８ｃｍ−３添加したレーザ素子も作製した。これらのレーザ素子に対し、透過電子顕微鏡によって転位を観察したところ、すべての素子に対して前述の高転位密度領域と低転位密度領域とがはっきりと観察され、転位密度は高転位密度領域で５×１０１２ｍ−２程度、低転位密度領域で２×１０１０ｍ−２程度であった。
【００６１】
ＳｉＯ２マスク幅またはＳｉ不純物濃度の異なるこれら６つの素子における初期閾値電流密度および７０℃、３０ｍＷで１００時間ＡＰＣ動作した後の素子劣化状況を表３に示す。
【表３】
初期閾値電流密度は６つの素子でほとんど差が見られないが、素子劣化については、サファイア露出領域幅が１０μｍであり、かつ、活性層にＳｉ不純物を５×１０１８ｃｍ−３添加した素子において、著しい劣化が見られ、１００時間動作終了前に発振を停止してしまった。それ以外の５つの試料についてはほとんど劣化は見られなかった。
【００６３】
また、劣化した素子について、透過型電子顕微鏡によって転位を観察したところ、高転位密度領域から低転位密度領域に転位が移動し増殖しているのが観察された。この試料において、高転位密度領域は、動作試験前には、電流を注入する活性層領域から３μｍ程度離れた位置にあったが、動作試験後に高転位密度領域は活性層（電流注入する領域）まで進出していた。
【００６４】
これに対し、活性層に不純物を添加していない素子では、転位の分布は動作試験前と全く変わらない状況であった。また、サファイア露出領域幅が２５μｍであり、かつ、活性層にＳｉ不純物を５×１０１８ｃｍ−３添加した素子においては、高転位密度領域１１６から低転位密度領域１０４に転位が移動し増殖しているのが観察されたが、高転位密度領域１１６の進出は５μｍ程度の距離にとどまっており活性層（電流注入する領域）まで進出してはいなかった。
【００６５】
この結果、本実施形態では、活性層（電流注入する領域）から５μｍ以内の近傍に高転位密度領域１１６が存在している場合であっても、不純物濃度が低い（１０１８ｃｍ−３未満）ことによる効果が顕著に得られて、転位の移動及び増殖を抑制することができる。また、従来から行われてきた活性層へのＳｉ不純物添加を行わないこと、もしくは、サファイア露出領域幅を十分広くすることにより、高転位密度領域１１６から低転位密度領域１０４への転位の移動・増殖が抑制され、高温・高出力でのレーザ素子寿命が飛躍的に改善されることがわかる。
【００６６】
次に、本発明の第３実施形態について、図３を参照しながら説明する。
図３は、第３実施形態における面発光型窒化物半導体レーザ素子の断面構造図である。
【００６７】
第３実施形態の半導体レーザ素子の構造を、その製造工程と共に説明する。
まず、サファイア基板１０１上にＧａＮ膜１０２をＭＯＣＶＤにより成長する。その後、ＧａＮ膜１０２上に、ストライプ状の２０周期ＺｒＯ２／ＳｉＯ２膜（マスク）４０３を［１，−１，０，０］方向に形成し、その上にＳｉを添加したｎ型ＧａＮをＭＯＣＶＤ成長することによって選択成長させ、マスク上に横方向成長した低転位密度のＧａＮを形成し、ｎ型ＧａＮ−ＥＬＯＧ基板１０６を作製する。
【００６８】
ＺｒＯ２／ＳｉＯ２膜は、誘電体多層膜反射鏡（ＤＢＲ）の働きも兼ねている。この基板上にさらに引き続き、アンドープＩｎ０．１５Ｇａ０．８５Ｎ量子井戸層（厚さ３．５ｎｍ）とアンドープＩｎ０．０２Ｇａ０．９８Ｎ障壁層（厚さ１０．５ｎｍ）からなる多重量子井戸活性層１１０、Ｍｇドープｐ型Ａｌ０．４Ｇａ０．６Ｎ／ＧａＮ４０周期多層膜反射鏡（ＤＢＲ）４１３、Ｍｇドープｐ型ＧａＮ（厚さ０．０５μｍ）からなるｐ型コンタクト層１１４を順に成長した後に、ドライエッチングなどにより図３に示すようなリッジ構造を形成し、最後にＮｉとＡｕからなるｐ電極１０５とＴｉとＡｌからなるｎ電極１１５を蒸着により作製する。
【００６９】
この面発光レーザでは、裏面（すなわちサファイア基板側）からレーザ光が出射される。比較のために、活性層の障壁層及び量子井戸層にＳｉ不純物を１×１０１８ｃｍ−３添加したレーザ素子及び活性層にＳｉ不純物を５×１０１８ｃｍ−３添加したレーザ素子も作製した。これらの面発光レーザ素子においても、上記実施形態と同様に活性層に不純物を添加しない素子で、高温・高出力動作での長寿命化が実現した。
【００７０】
なお、上記各実施形態では、窒化物半導体発光素子として半導体レーザに適用したが、他の半導体発光素子に採用しても構わない。例えば、ＬＥＤやＳＬＤ（Ｓｕｐｅｒ Ｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｔ Ｄｉｏｄｅ）に用いてもよい。
【００７１】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明の窒化物半導体発光素子によれば、低転位密度領域の少なくとも一部に電流注入領域が形成され、前記高転位密度領域は、前記電流注入領域から離れた位置に位置しており、前記活性層の不純物濃度が１０１８ｃｍ−３未満であるので、活性層における不純物濃度が低くオージェ再結合が軽減されると共に、高転位密度領域から低転位密度領域の電流注入領域への転位の増殖と移動を抑制することができ、高温・高出力動作でのレーザ素子等の寿命を飛躍的に長くすることができる。
【００７２】
また、本発明の窒化物半導体発光素子によれば、窒化物半導体が露出した基板表面にパターニングされたマスク材料を形成した後に窒化物を選択成長させて作製され、マスク材料が、マスク幅２５μｍ以上でパターニングされている、又は窒化物半導体層が形成された基板表面をエッチングにより加工して部分的に窒化物半導体層を除去した後に窒化物を成長させて作製され、エッチングによる加工が、幅２５μｍ以上の領域に施されているので、高温・高出力で高信頼性が得られる十分に広い低転位密度領域が確保され、高転位密度領域からの影響が大幅に抑制される。
【００７３】
したがって、本発明により、書き込み可能な光ディスク用光源として、実用可能な窒化物半導体レーザ等が実現できるようになり、産業上の利用価値は非常に大きい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る窒化物半導体発光素子の第１実施形態を示す窒化物半導体レーザ素子の断面図である。
【図２】本発明に係る窒化物半導体発光素子の第２実施形態を示す窒化物半導体レーザ素子の断面図である。
【図３】本発明に係る窒化物半導体発光素子の第３実施形態を示す窒化物半導体レーザ素子の断面図である。
【図４】本発明に係る窒化物半導体発光素子の従来例を示す窒化物半導体レーザ素子の断面図である。
【符号の説明】
１０１ サファイア基板
１０２ ＧａＮ膜
１０３ ストライプ状ＳｉＯ２膜（マスク）
１０４ 低転位密度領域（ドット模様を付していない領域）
１０５ ｐ電極
１０６ ＥＬＯＧ基板
１０７ ＩｎＧａＮ層
１０８ ｎ型クラッド層
１０９ ｎ型光閉じ込め層
１１０ アンドープ活性層
１１１ キャップ層
１１２ ｐ型光閉じ込め層
１１３ ｐ型クラッド層
１１４ ｐ型コンタクト層
１１５ ｎ電極
１１６ 高転位密度領域（ドット模様を付した領域）
２１０ Ｓｉドープ活性層
３０１ ストライプ状ＧａＮ
３０２ ｎ型ＧａＮ
４０３ ストライプ状ＺｒＯ２／ＳｉＯ２多層膜
４１３ ｐ型ＡｌＧａＮ／ＧａＮ多層膜反射鏡
Claims (13)
- 窒化物半導体が露出した基板表面にパターニングされたマスク材料を形成した後に窒化物半導体を選択成長して作製されたエピタキシャル基板に井戸層と障壁層とが積層されてなる量子井戸構造の活性層を成長した窒化物半導体発光素子であって、
前記活性層は、前記マスクの無い部分に形成された高転位密度領域と、前記マスク上に形成された低転位密度領域および高転位密度領域とを有し、
前記活性層の電流注入領域は、前記高転位密度領域から離れて位置し前記高転位密度領域の１０分の１以下の転位密度の前記低転位密度領域に形成され、
前記活性層の不純物濃度が１０ 18 ｃｍ -3 未満であることを特徴とする窒化物半導体発光素子。 - 窒化物半導体層が形成された基板表面をエッチングで部分的に前記窒化物半導体層を除去し窒化物半導体マスクを形成した後、窒化物半導体を再成長して作製されたエピタキシャル基板に井戸層と障壁層とが積層されてなる量子井戸構造の活性層を成長した窒化物半導体発光素子であって、
前記活性層は、前記窒化物半導体マスクの無い部分に形成された低転位密度領域および高転位密度領域と、前記窒化物半導体マスク上に形成された高転位密度領域とを有し、
前記活性層の電流注入領域は、前記高転位密度領域から離れて位置し前記高転位密度領域の１０分の１以下の転位密度の前記低転位密度領域に形成され、
前記活性層の不純物濃度が１０ 18 ｃｍ -3 未満であることを特徴とする窒化物半導体発光素子。 - 窒化物半導体が露出した基板表面にパターニングされたマスク材料を形成した後に窒化物半導体を選択成長して作製されたエピタキシャル基板に井戸層と障壁層とが積層されてなる量子井戸構造の活性層を成長した窒化物半導体発光素子であって、
前記活性層は、前記マスクの無い部分に形成された高転位密度領域と、前記マスク上に形成された低転位密度領域および高転位密度領域とを有し、
前記活性層の電柱注入領域は、前記高転位密度領域から離れて位置し前記低転位密度領域に形成され、前記電流注入領域の平均転位密度が活性層全領域の平均転位密度の１０分の１以下であり、
前記活性層の不純物濃度が１０ 18 ｃｍ -3 未満であることを特徴とする窒化物半導体発光素子。 - 窒化物半導体層が形成された基板表面をエッチングで部分的に前記窒化物半導体層を除去し窒化物半導体マスクを形成した後、窒化物半導体を再成長して作製されたエピタキシャル基板に井戸層と障壁層とが積層されてなる量子井戸構造の活性層を成長した窒化物半導体発光素子であって、
前記活性層は、前記窒化物半導体マスクの無い部分に形成された低転位密度領域および高転位密度領域と、前記窒化物半導体マスク上に形成された高転位密度領域とを有し、
前記活性層の電柱注入領域は、前記高転位密度領域から離れて位置し前記低転位密度領域に形成され、前記電流注入領域の平均転位密度が活性層全領域の平均転位密度の１０分の１以下であり、
前記活性層の不純物濃度が１０ 18 ｃｍ -3 未満であることを特徴とする窒化物半導体発光素子。 - 請求項１から４のいずれかに記載の窒化物半導体発光素子において、
前記高転位密度領域は、少なくとも一部の転位密度が１０12ｍ-2以上であり、 前記低転位密度領域の電流注入領域の平均転位密度は、１０11ｍ-2未満であることを特徴とする窒化物半導体発光素子。 - 請求項１から５のいずれかに記載の窒化物半導体発光素子において、
前記活性層は、全領域の平均転位密度が１０12ｍ-2以上であり、かつ、前記低転位密度領域の電流注入領域の平均転位密度が１０11ｍ-2未満であることを特徴とする窒化物半導体発光素子。 - 請求項１から６のいずれかに記載の窒化物半導体発光素子において、
前記活性層は、前記電流注入領域の平均転位密度が１０11ｍ-2未満であり、かつ、電流注入領域から５μｍ以内の領域の平均転位密度が１０12ｍ-2以上であることを特徴とする窒化物半導体発光素子。 - 請求項１から６のいずれかに記載の窒化物半導体発光素子において、
前記活性層上には、他の半導体層を介して電流注入電極が形成され、
前記活性層は、前記電流注入電極の直下の領域の平均転位密度が１０11ｍ-2未満であり、かつ、前記領域から５μｍ以内の領域の平均転位密度が１０12ｍ-2以上であることを特徴とする窒化物半導体発光素子。 - 請求項１から６のいずれかに記載の窒化物半導体発光素子において、
前記活性層は、前記電流注入領域の平均転位密度が電流注入領域から５μｍ以内の領域の平均転位密度の１０分の１以下であることを特徴とする窒化物半導体発光素子。 - 請求項１から６のいずれかに記載の窒化物半導体発光素子において、
前記活性層上には、他の半導体層を介して電流注入電極が形成され、
前記活性層は、前記電流注入電極の直下の領域の平均転位密度が前記領域から５μｍ以内の領域の平均転位密度の１０分の１以下であることを特徴とする窒化物半導体発光素子。 - 請求項１又は３記載の窒化物半導体発光素子において、
前記マスク材料は、マスク幅２５μｍ以上でパターニングされていることを特徴とする窒化物半導体発光素子。 - 請求項２又は４記載の窒化物半導体発光素子において、
前記エッチングによる加工は、幅２５μｍ以上の領域に施されていることを特徴とする窒化物半導体発光素子。 - 請求項１から１２のいずれかに記載の窒化物半導体発光素子において、前記活性層に添加した不純物がＳｉであることを特徴とする窒化物半導体発光素子。
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