JP3658112B2 - 窒化物半導体レーザダイオード - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、窒化物半導体デバイスに係り、より具体的には、レーザダイオード（ＬＤ）デバイス、発光ダイオード（ＬＥＤ）デバイス等の窒化物半導体発光デバイスおよび太陽電池等の受光デバイスに関し、とりわけ窒化物半導体発光デバイスに関する。
【０００２】
【従来の技術】
窒化物半導体は、その組成に依存して１．９５〜６．０ｅＶまでのバンドギャップエネルギーを有し得るため、発光ダイオード（ＬＥＤ）デバイス、レーザダイオード（ＬＤ）デバイス等の半導体発光デバイスの材料として従来より注目されている。最近、この窒化物半導体材料を用いて高輝度の青色ＬＥＤデバイスと、緑色ＬＥＤデバイスが実用化されている。これらのＬＥＤデバイスは、ｐ−ｎ接合を有するダブルへテロ構造を有しており、出力は両者とも１ｍＷを超えている。
【０００３】
従来のＬＥＤデバイスは、基本的には、ＩｎＧａＮよりなる活性層が共にＡｌＧａＮよりなるｎ型とｐ型のクラッド層との間に挟まれたダブルへテロ構造を有する。ｎ型クラッド層にはＧａＮよりなるｎ型コンタクト層が形成され、またｐ型クラッド層にはＧａＮよりなるｐ型コンタクト層が形成されている。この積層構造は、例えばサファイアよりなる基板上に設けられている。
【０００４】
ＬＤデバイスも基本的には前記ＬＥＤデバイスと同様の構造を有し得る。しかしながら、特にＬＤデバイスの場合は、光とキャリアとを別々に閉じこめる分離閉じ込め型構造が用いられることが多い。窒化物半導体の分離閉じ込め型ＬＤデバイスは、例えば特開平６−２１５１１号公報に示されている。この公報には、一方がｎ型ＧａＮよりなり他方がｐ型ＧａＮよりなる２つの光ガイド層の間に挟まれたＩｎＧａＮ活性層を備え、ｎ型光ガイド層の上にｎ型ＡｌＧａＮよりなるキャリア閉じ込め層が形成され、ｐ型光ガイド層の上にｐ型ＡｌＧａＮよりなるもう一つのキャリア閉じ込め層が形成された分離閉じ込め型構造の発光デバイスが開示されている。
【０００５】
ところで、通常のダブルへテロ構造の半導体素子においては、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第１のクラッド層が設けられ、その第１のクラッド層に接して、第１のクラッド層よりもバンドギャップエネルギーが大きい第２のクラッド層が設けられる。これは電子と正孔とが、エネルギー準位に従って、効率よく活性層に注入されるようにするためである。
【０００６】
窒化物半導体ＬＤデバイスの場合も同様に、活性層に接してバンドギャップエネルギーが次第に大きくなるように、光ガイド層、キャリア閉じ込め層（光閉じ込め層）のようなクラッド層が順次形成されている（例えば、前記公報参照）。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、インジウムを含有する活性層を有する従来の窒化物半導体デバイス特にＬＤデバイスは、上記構造では発光効率が低いことが判明している。特にデバイスに印加する電流を増大させるに従いデバイス温度が上昇すると、発光効率の低下が激しいことがわかった。
【０００８】
従って、本発明の目的は、インジウムを含む窒化物半導体を包含する活性層を有する窒化物半導体素子であって、発光効率が高い窒化物半導体デバイスを提供することである。
また、本発明の他の目的は、デバイス温度が上昇しても発光効率の低下が少ない窒化物半導体デバイスを提供することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明は、活性層とクラッド層の間に光ガイド層を形成した分離閉じ込め型の窒化物半導体レーザダイオードにおいて、前記活性層が、Ｉｎを含有する窒化物半導体より成る井戸層を有する量子井戸構造を有し、前記活性層のｐ側に、Ａｌを含む窒化物半導体から成り、膜厚が５００オングストローム以下であり、前記活性層に接する第１の窒化物半導体層と、ＩｎｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）から成り、光ガイド層として作用する第２の窒化物半導体層と、Ａｌを含む窒化物半導体から成り、クラッド層として作用し、前記第２の窒化物半導体層に接する第３の窒化物半導体層とを、順次積層したことを特徴とする窒化物半導体レーザダイオードを提供する。
【００１０】
本発明の窒化物半導体デバイスにおいて、活性層は、究極的に正電極に接触すべき層構造と究極的に負電極に接触すべき層構造とにより挟持される。以下の記述において、究極的に正電極に接触すべき層構造が形成される側をｐ側といい、究極的に負電極に接触すべき層構造が形成される側をｎ側ということがある。
【００１１】
上記第１の窒化物半導体層は、キャリアがトンネリングし得るに十分薄い厚さを有するために、０．１μｍ以下の厚さを有することが好ましいが、良好なレーザ発振の観点から、５００オングストローム以下とする。通常、この第１の窒化物半導体層は、少なくとも１０オングストローム以上の厚さを有することが好ましい。
【００１２】
また、本件とは別発明として、ｎ型窒化物半導体からなる第１のクラッド層；該第１のクラッド層上に設けられ、インジウムおよびガリウムを含む窒化物半導体からなり７０オングストローム以下の厚さを有し、下地層上に該下地層に対して格子不整合の状態で設けられた少なくとも１層の井戸層を包含する量子井戸構造の活性層であって、該井戸層は複数のインジウムリッチ領域とインジウムプア領域を包含する活性層；および該活性層上に設けられ、アクセプター不純物をドープした窒化物半導体からなる第２のクラッド層を備えたことを特徴とする窒化物半導体デバイスがある。
【００１３】
本発明において、広く窒化物半導体というとき、周期律表第３族元素の窒化物、より具体的には、式Ｉｎx Ａｌy Ｇａ1-x-y Ｎ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）で示される窒化物半導体を指す。
【００１４】
本発明者らは、特にインジウムを含有する活性層を有する窒化物半導体デバイスにおける、温度上昇に伴う発光効率の低下について研究した。その結果、発光効率の低下の主な原因は、インジウムを含有する窒化物半導体特にＩｎＧａＮは、アルミニウムを含む窒化物半導体または窒化ガリウム（ＧａＮ）に比べて成長しにくいという性質を有していることにあることがわかった。すなわち、ＩｎＧａＮを構成するＩｎＮとＧａＮは、その分解温度が著しく異なり、ＩｎＧａＮは成長中にＩｎＮとＧａＮとに相分離する傾向にあり、インジウム含有率を多くすると均一な組成の活性層が得られにくい。そこで、ＩｎＧａＮ活性層を有する従来の窒化物半導体では、インジウムの含有率が低く抑えられる傾向にある。
【００１５】
そのようにインジウム含有率が低いＩｎＧａＮ活性層にＧａＮよりなる光ガイド層を接して形成した場合、当該活性層と光ガイド層との間のバンドオフセットは極めて小さくなる。このことを、従来の窒化物半導体発光デバイスに対応するエネルギーバンドを示す図である図６を参照して説明する。図６に示すように、従来の窒化物半導体素子では、活性層（ＩｎＧａＮ）のバンドギャップエネルギーに比べて、ＩｎＧａＮ活性層を直接挟んでいる光ガイド層（ＧａＮ）のバンドギャップエネルギーはそれほど大きくない（ＩｎＧａＮ中のＩｎの含有率が低いので、ＩｎＧａＮ組成がＧａＮ組成に近似するため）。このため、半導体デバイスに印加する電流値を増大させるにつれデバイスの温度が上昇すると、その熱エネルギーの影響により、それぞれｎ層およびｐ層から活性層に注入された電子および正孔が再結合して光（ｈν）を発する前に、電子と正孔とは活性層をオーバーフローしてそれぞれ注入側とは反対側のガイド層（ＧａＮ）にまで、すなわち電子はｐ型光ガイド層に、正孔はｎ型光ガイド層にまで達してしまう。その結果、従来の構造では発光効率が低く、特に、温度が上昇すると特に効率が低下する。
【００１６】
そこで、本発明の窒化物半導体デバイスにおいては、インジウムを含む窒化物半導体を包含する活性層に接してこれを挟んで形成される２つの第１の層（第１のｐ側層および第１のｎ側層）を活性層のバンドギャップエネルギーよりも大きなバンドギャップエネルギーを有する窒化物半導体で形成する。これら第１の層は、活性層のバンドギャップエネルギーよりも大きなバンドギャップエネルギーを有していればよく、好ましくは、２つの第１の層は活性層よりも０．０１〜４．０５ｅＶ大きなバンドギャップエネルギーを有する。このような大きなバンドギャップエネルギーを有する第１の層の存在により、活性層に注入された電子または正孔が活性層をオーバーフローすることがなくなる。そして、各第１の層上に、好ましくはこれと接して第１の層のバンドギャップエネルギーよりも小さなバンドギャップエネルギーを有するが、好ましくは活性層のバンドギャップエネルギーよりも大きなバンドギャップエネルギーを有する窒化物半導体で形成された２つの第２の層（第２のｐ側層および第２のｎ側層）を設ける。これら第２の層は、第１の層のバンドギャップエネルギーよりも小さなバンドギャップエネルギーを有していればよく、好ましくは第１のバンドギャップエネルギーよりも０．０１〜４．０５ｅＶ小さなバンドギャップエネルギーを有する。さらに、各第２の層上に、これと接して、第２の層のバンドギャップエネルギーよりも大きなバンドギャップエネルギーを有する窒化物半導体で形成された２つの第３の層（第３のｐ側層および第３のｎ側層）を設ける。これら第３の層は、第２の層のバンドギャップエネルギーよりも大きなバンドギャップエネルギーを有していればよく、好ましくは、第２の層のバンドギャップエネルギーよりも０．０１〜４．０５ｅＶ大きなバンドギャップエネルギーを有する。かくして、第３の層側から注入された電子または正孔は、より小さなバンドギャップエネルギーを有する第２の層へ効率的に注入されるが、第１の層のバンドギャップエネルギーが大きいため、活性層への注入は第１の層により阻止される傾向にある。そこで、本発明では、電子または正孔がこの第１の層をトンネル効果により突き抜けること（トンネリング）ができる程度に第１の層を薄く形成する。こうして、電子または正孔は、第３の層から活性層まで効率的に注入されることとなる。かくして、本発明のデバイスにおいて、電子および正孔は第３の層から活性層へと効率的に注入され、かつ電子または正孔は注入側とは反対側の第１の層に阻止されてたとえデバイス温度が上昇しても活性層をオーバーフローすることがない。なお、窒化物半導体のバンドギャップエネルギーについて述べると、ＡｌＮのバンドギャップエネルギーは６．０ｅＶであり、ＧａＮのバンドギャップエネルギーは３．４ｅＶであり、ＩｎＮのバンドギャップエネルギーは１．９５ｅＶである。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、図１ないし図５を参照して本発明を説明する。これらの図を通じて、同一要素・部材は、同一符号で示されている。
図１は本発明の第１の態様によるＬＤデバイスの一構造を示す模式的な断面図である。このＬＤデバイスにおいて、本発明の３層構造はｐ側に設けられている。
【００１９】
図１に示すＬＤデバイスは、基板１１上に、バッファ層１２を介して、ｎ型コンタクト層１３、ｎ型キャリア閉じ込め層（光閉じ込め層）１４、ｎ型光ガイド層１５、活性層１６、活性層１６よりもバンドギャップエネルギーが大きい第１のｐ側窒化物半導体層１０１、第１のｐ側窒化物半導体層よりもバンドギャップエネルギーが小さい第２のｐ側窒化物半導体層１０２、第２のｐ側窒化物半導体層１０２よりもバンドギャップが大きい第３のｐ側窒化物半導体層１０３およびｐ型コンタクト層１７を含む窒化物半導体積層構造が設けられている。ｐ型コンタクト層１７上にはコンタクトホール１８ａを設けた電流狭窄層１８が設けられている。ｎ型コンタクト層１３の露出表面上には負電極１９が設けられ、電流狭窄層２０上には正電極２０が設けられている。正電極２０は、電流狭窄層１８のコンタクトホール１８ａを通してｐ型コンタクト層１７と接している。
【００２０】
基板１１は、スピネル（ＭｇＡｌ2 Ｏ4 ）、サファイア（Ａｌ2 Ｏ3 、Ａ面、Ｒ面、Ｃ面を含む）、ＳｉＣ（６Ｈ、４Ｈ、３Ｃを含む）、ＺｎＳ、ＺｎＯ、ＧａＡｓ、ＧａＮ等窒化物半導体を成長するために提案されている通常の材料が使用できる。
【００２１】
バッファ層１２は、ＡｌＮ、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ等で形成することができ、９００℃以下の温度で、数十オングストローム〜数百オングストロームの厚さで形成することができる。バッファ層１２は、基板１１とその上に形成される窒化物半導体層との格子定数不整合を緩和するために形成されるものである。従って、窒化物半導体と格子整合した基板、窒化物半導体の格子定数に近い格子定数を有する基板等を使用する際、また窒化物半導体の成長方法等によっては省略することもできる。
【００２２】
ｎ型コンタクト層１３は、窒化物半導体で形成され、、特にＧａＮ、Ｉｎa Ｇａ1-a Ｎ（０＜ａ＜１）で形成することが好ましい。（本明細書において、Ｉｎa Ｇａ1-a Ｎ（０＜ａ＜１）または類似の表現により示される窒化物半導体を単にＩｎＧａＮということがある）。特に、ＳｉをドープしたＧａＮでｎ型コンタクト層１３を形成すると、キャリア濃度の高いｎ型層が得られ、また負電極１９との好ましいオーミック接触が得られるので、レーザ素子の閾値電流を低下させることができる。ｎ型コンタクト層１３の厚さに特に制限はないが、通常０．１μｍ〜５μｍの厚さで形成できる。
【００２３】
ｎ型コンタクト層１３のエッチングにより露出した表面に形成される負電極１９は、ｎ型コンタクト層１３との好ましいオーミック接触が得られるので、Ａｌ、Ｔｉ、Ｗ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｓｎ、Ｉｎ等の金属若しくはそれらの合金で形成することが好ましい。
【００２４】
ｎ型キャリア閉じ込め層１４、およびこの層１４上に形成されているｎ型光ガイド層１５は、それぞれ、ｎ型窒化物半導体で形成される。図１に示す態様において、ｎ型光ガイド層１５は、活性層１６のバンドギャップエネルギーよりも大きなバンドギャップエネルギーを有し、ｎ型キャリア閉じ込め層１４は、ｎ型光ガイド層１５のバンドギャップエネルギーよりも大きなバンドギャップエネルギーを有する。ｎ型キャリア閉じ込め層１４は、通常、０．１μｍ〜１μｍの厚さで形成され、ｎ型光ガイド層１５は、通常、１００オングストロームないし１μｍの厚さで形成されることが望ましい。
【００２５】
ｎ型光ガイド層１５上に形成されている活性層１６は、量子井戸構造（すなわち、単一量子井戸構造または多重量子井戸構造）を有し、この量子井戸構造は、ｎ型光ガイド層１５および第１のｐ側窒化物半導体層１０１の両者のバンドギャップよりも小さなバンドギャップを有するインジウム含有窒化物半導体すなわちＩｎd Ａｌe Ｇａ1-d-e Ｎ（０＜ｄ≦１、０≦ｅ≦１、０＜ｄ＋ｅ≦１）よりなる井戸層を有する。好ましくは、井戸層は、三元混晶のＩｎf Ｇａ1-f Ｎ（０＜ｆ＜１）で形成される。三元混晶のＩｎＧａＮは四元混晶のものに比べて結晶性が良好な層を提供するので、発光出力が向上する。
【００２６】
その中でも、活性層１６は、ＩｎＧａＮ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を交互に積層した多重量子井戸構造（最小で３層構造となる）とすることが特に好ましい。本発明において、多重量子井戸構造は、ｎ型光ガイド層１５等のｎ型層上に直接設けられた最下層としての井戸層および以後述べる第１のｐ側窒化物半導体１０１等のｐ型層に直接接する最上層としての井戸層を有する構造であっても、あるいはｎ型光ガイド層１５等のｎ型層上に直接設けられた最下層としての障壁層および第１のｐ側窒化物半導体層１０１等のｐ型層に直接接する最上層としての障壁層を有する構造であってもよい。障壁層を形成する窒化物半導体には、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ等が含まれる。しかしながら、障壁層を井戸層と同様に三元混晶のＩｎf'Ｇａ1-f'Ｎ（０＜ｆ’＜１、ただし、ｆ’＜ｆ）で形成することが特に好ましい。このように活性層１６をバンドギャップエネルギーが異なるＩｎＧａＮ層を積層した多重量子井戸構造とすると、活性層１６のインジウムモル分率を変えるかあるいは以後述べる第１もしくは第３のｎ側もしくはｐ側窒化物半導体層のアルミニウムモル分率を変えることによって、量子準位間発光により約３６５ｎｍ〜６６０ｎｍの波長の高出力のＬＤデバイスを実現することができる。さらに、井戸層の上にＩｎＧａＮ障壁層を積層すると、ＩｎＧａＮ障壁層はＡｌＧａＮに比べて結晶が柔らかいので、その上に形成するクラッド層としての例えばＡｌＧａＮ層の厚さをクラックを発生させずに厚くできるので、優れたレーザ発振が実現できる。
【００２７】
多重量子井戸構造では、井戸層は７０オングストローム以下、障壁層は１５０オングストローム以下の厚さを有することが特に望ましい。一方、１つの量子井戸層により構成される単一量子井戸構造の活性層は７０オングストローム以下の厚さを有することが特に望ましい。井戸層、障壁層とも、厚さの下限は５オングストロームであることが好ましい。
【００２８】
活性層１６は、不純物をドープしないものでも（ノンドープ）、井戸層および／または障壁層に不純物（アクセプター不純物および／またはドナー不純物）をドープしたものでもよい。特に好ましい活性層１６は、ノンドープ活性層、およびシリコンまたはゲルマニウムドープ活性層であり、不純物をドープした活性層のうち、特に好ましいものはシリコンドープ活性層である。特に、活性層にシリコンをドープすると、ＬＤデバイスにあっては、閾値電流が低下する傾向にある。なお、シリコンのドープは、活性層を構成すべき窒化物半導体の成長中に、原料ガスに例えばテトラエチルシラン等の有機シリコンガス、シラン等の水素化シリコンガス、四塩化シリコン等のハロゲン化シリコンガス等を添加することによって行うことができる。
【００２９】
活性層１６に接して設けられている第１のｐ側窒化物半導体層１０１は、活性層１６（より厳密には、その井戸層）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で形成されている。特に好ましくは第１の窒化物半導体層は、Ａｌを含む窒化物半導体すなわちＩｎg Ａｌh Ｇａ1-g-h Ｎ（０≦ｇ≦１、０＜ｈ≦１、０＜ｇ＋ｈ≦１）で形成され、特に好ましくは三元混晶のＡｌj Ｇａ1-j Ｎ（０＜ｊ＜１）で形成される。（本明細書において、Ａｌj Ｇａ1-j Ｎ（０＜ｊ＜１）または類似の表現で示される窒化物半導体を単にＡｌＧａＮということがある）。
【００３０】
第１のｐ側窒化物半導体層１０１は、ｉ型かｐ型であることが好ましい。特にＡｌＧａＮは高キャリア濃度のｐ型が得られやすく、しかもＩｎＧａＮを包含する井戸層を含む活性層１６に接して形成することにより、発光出力が高い素子を得ることができる。
【００３１】
なお、本発明において、窒化物半導体（活性層の窒化物半導体も含む）をｐ型とするには、結晶成長中にＭｇ、Ｚｎ、Ｃ、Ｂｅ、Ｃａ、Ｂａ等のアクセプター不純物をドープすることによって得られる。アクセプター不純物濃度は、１×１０17〜１×１０22／ｃｍ3 であることが好ましい。特にアクセプター不純物がマグネシウムである場合、その濃度は、１×１０18〜１×１０20／ｃｍ3 、特に１×１０19〜１×１０20／ｃｍ3 であることが殊に好ましい。いずれの場合でも、高キャリア濃度のｐ層を得るためには、アクセプター不純物をドープした後、不活性ガス雰囲気中、４００℃以上でアニーリング（熱処理）することがより望ましい。アニーリングを行うことにより、通常、Ｍｇドープｐ型ＡｌＧａＮの場合で１×１０17〜１×１０19／ｃｍ3 のキャリア濃度が得られる。またｉ型の窒化物半導体を得るには、例えば、Ａｌj Ｇａ1-j Ｎにおいてｊの値が０．５以上の窒化物半導体を成長させることにより、アクセプター不純物をドープすることなくｉ型窒化物半導体を得ることができる。また、ｉ型窒化物半導体は、ｐ型窒化物半導体層にその正孔キャリア濃度を補償するだけのドナー不純物をドープするか、ｎ型窒化物半導体層にその電子キャリア濃度を補償するだけのアクセプター不純物をドープすることによっても得られる。
【００３２】
第１の窒化物半導体層１０１の厚さは、第１の窒化物半導体層１０１をキャリアがトンネリングし得るに十分に薄い厚さを有することが好ましい。より具体的には、半導体層１０１は、０．１μｍ以下、さらに好ましくは０．０５μｍ（５００オングストロング）以下、最も好ましくは０．０３μｍ（３００オングストローム）以下の厚さを有することが望ましい。半導体層１０１の厚さをこのように薄くすると、第１のｐ側窒化物半導体層１０１中のクラック発生を防止でき、結晶性の良い窒化物半導体層を成長させることができる。またＡｌの比率が大きいＡｌＧａＮ程薄く形成するとレーザ発振しやすくなる。例えば、ｊの値が０．２以上のＡｌj Ｇａ1-j Ｎを用いた場合、５００オングストローム以下の厚さで半導体層１０１を形成することが望ましい。第１のｐ側窒化物半導体層１０１の厚さの下限には特に制限はないが、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。
【００３３】
第２のｐ側窒化物半導体層１０２は、第１のｐ側窒化物半導体層１０１のバンドギャップエネルギーよりも小さなバンドギャップエネルギーを有し、かつ第１のｐ側窒化物半導体層１０１よりも活性層から離れた位置にあり、最も望ましくは図１に示すように、第１のｐ側窒化物半導体層１０１に接して形成する。第２のｐ側窒化物半導体層１０２は、好ましくはＩｎk Ｇａ1-k Ｎ（０≦ｋ≦１）で形成され、特にＧａＮまたはＩｎＧａＮで形成することが好ましい。この第２のｐ側窒化物半導体層１０２をＧａＮまたはＩｎＧａＮで形成すると、比較的厚く形成してもクラックが入ることが少なく結晶性の良い第２の半導体層１０２が得られる。第２のｐ側窒化物半導体層１０２は０．０１μｍ〜５μｍ、さらに好ましくは０．０２μｍ〜１μｍの厚さを有することが好ましく、この範囲の厚さにおいて、例えば好ましい光ガイド層として作用し得る。なお、第２のｐ側窒化物半導体層１０２は、アクセプター不純物を含有するものであり、またｐ型であることが好ましい。
【００３４】
さらに、特にＩｎＧａＮまたはＧａＮで形成された第２のｐ側窒化物半導体層１０２は、以後説明する第３のｐ側窒化物半導体層１０３を成長させる際のバッファ層としても作用する。ＩｎＧａＮまたはＧａＮは、ＡｌＧａＮに比べて結晶が柔らかい。従って、活性層よりもバンドギャップが大きい第１のｐ側窒化物半導体層１０１と、第３のｐ側窒化物半導体層１０３との間にＩｎＧａＮまたはＧａＮからなる第２のｐ側窒化物半導体層１０２を存在させることにより、第３のｐ側窒化物半導体層１０３にクラックが発生することが防止され、それにより、第３のｐ側窒化物半導体層１０３を第１のｐ側窒化物半導体層１０１に比べて厚く形成することができる。
【００３５】
第３のｐ側窒化物半導体層１０３は、第２のｐ側窒化物半導体層１０２のバンドギャップエネルギーよりも大きなバンドギャップエネルギーを有し、第２のｐ側窒化物半導体層１０２よりも活性層から離れた位置にあり、最も望ましくは図１に示すように第２のｐ側窒化物半導体層１０２に接して形成される。第３のｐ側窒化物半導体層１０３は、Ａｌを含む窒化物半導体すなわちＩｎm Ａｌn Ｇａ1-m-n Ｎ（０≦ｍ≦１、０＜ｎ≦１、０＜ｍ＋ｎ≦１）で形成することが好ましく、特に好ましくは三元混晶のＡｌＧａＮで形成する。
【００３６】
この第３のｐ側窒化物半導体層１０３は、第２のｐ側窒化物半導体層１０２のバンドギャップエネルギーより大きなバンドギャップエネルギーを有することが要求される。第３のｐ側窒化物半導体層１０３は、キャリア閉じ込め層及び光閉じ込め層として作用するからである。この第３のｐ側窒化物半導体層１０３は、０．０１μｍ以上、２μｍ以下、さらに好ましくは０．０５μｍ以上、１μｍ以下の厚さを有することが望ましく、この厚さの範囲内において、結晶性の良いキャリア閉じ込め層として作用し得る。なお、第３のｐ側窒化物半導体層１０３はアクセプター不純物を含有するものであり、また好ましくはｐ型である。
【００３７】
第３のｐ側窒化物半導体層１０３上に形成されているｐ型コンタクト層１７は、ｐ型窒化物半導体で形成される。特に、ｐ型コンタクト層１０３をＩｎＧａＮまたはＧａＮ、とりわけＭｇをドープしたｐ型ＧａＮで形成すると、最もキャリア濃度の高いｐ型層が得られ、正電極と良好なオーミック接触を達成し、それにより閾値電流を低下させることができる。
【００３８】
正電極２０は、オーミック接触を得るために、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｉｒ、Ｒｈ、Ｐｔ、Ａｇ、Ａｕ等の比較的仕事関数の高い金属又はこれらの合金好ましくはで形成されることが好ましい。
【００３９】
電流狭窄層１８は、絶縁性材料、好ましくは二酸化ケイ素で形成される。この電流狭窄層１８は、省くことができる。
ところで、図１において、ｎ型キャリア閉じ込め層１４は、クラック防止層３０を介してｎ型コンタクト層１３上に形成されている。
【００４０】
すなわち、アルミニウムを含有する窒化物半導体は、厚さを厚く成長させると成長した結晶にクラックが発生しやすいという性質を有する。特に、ｎ型のアルミニウム含有窒化物半導体をＧａＮ層またはＡｌＧａＮ層上にクラックを発生させないで直接厚く成長させることが困難である。例えば、ｎ型ＧａＮ等で形成されるｎ型コンタクト層１３上に、ｎ型キャリア閉じ込め層１４のように、例えば０．１μｍ以上と厚く形成する必要があるｎ型層をアルミニウムを含有する窒化物半導体特にＡｌＧａＮで形成することが困難である。そこで、ｎ型コンタクト層１３の上に、クラック防止層３０として、インジウムを含有する窒化物半導体、好ましくはＩｎp Ｇａ1-p Ｎ（０＜ｐ≦１）からなるｎ型層を形成した後に、ｎ型のアルミニウム含有窒化物半導体からなるｎ型キャリア閉じ込め層１４を形成する。クラック防止層３０の存在により、ｎ型キャリア閉じ込め層１４は、クラックを発生することなく、所望の厚さ（例えば、０．１μｍ以上）に成長させることができる。クラック防止層３０は、１００オングストローム以上、０．５μｍ以下の厚さを有することが好ましい。なお、このクラック防止層３０は、ｎ型コンタクト層１３層内部にあっても同様の効果を奏する。
【００４１】
図２は本発明の第２の態様による窒化物半導体ＬＤデバイスを概略的に示す断面図であり、図１と同一符号は同一部材を示している。図２を参照すると、基板１１上には、バッファ層１２を介して、ｎ型コンタクト層１３、クラック防止層３０、第３のｎ側窒化物半導体層２０３、第２のｎ側窒化物半導体層２０２、第１のｎ側窒化物半導体層２０１、活性層１６、ｐ型光ガイド層３１、ｐ型キャリア閉じ込め層（光閉じ込め層）３２、ｐ型コンタクト層１７、電流狭窄層１８が順次形成されている。ｎ型コンタクト層１３には負電極１９が、ｐ型コンタクト層１７には、正電極２０が電気的に接続されている。
【００４２】
図２に示すＬＤデバイスにおいて、第１のｎ側窒化物半導体層２０１、第２のｎ側窒化物半導体層２０２および第３のｎ側窒化物半導体層２０３は、導電型を除いて、それらのバンドギャップエネルギー、それらを構成する窒化物半導体材料およびそれらの厚さの範囲の点において、それぞれ図１に関して説明した対応する第１のｐ側窒化物半導体層１０１、第２のｐ側窒化物半導体層１０２および第３のｐ側窒化物半導体層１０３と基本的に同様であり、第１のｐ側窒化物半導体層１０１、第２のｐ側窒化物半導体層１０２および第３のｐ側窒化物半導体層１０３について述べた材料の好ましさ、厚さの好ましさ等も、それぞれ、第１のｎ側窒化物半導体層２０１、第２のｎ側窒化物半導体層２０２および第３のｎ側窒化物半導体層２０３について適用し得る。
【００４３】
簡単に繰り返すと、活性層１６に接して形成されている第１のｎ側窒化物半導体層２０１は、活性層１６（より厳密には、その井戸層）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で形成されている。特に好ましくは第１のｎ側窒化物半導体層２０１は、Ａｌを含む窒化物半導体で形成され、殊に好ましくは三元混晶のＡｌＧａＮで形成される。
【００４４】
第１のｎ側窒化物半導体層２０１の厚さも、第１のｐ側窒化物半導体１０１と同様、第１のｎ側窒化物半導体層２０１をキャリア（電子キャリア）がトンネリングし得るに十分に薄い厚さを有する。より具体的には、半導体層２０１は、０．１μｍ以下、さらに好ましくは０．０５μｍ（５００オングストロング）以下、最も好ましくは０．０３μｍ（３００オングストローム）以下の厚さを有することが望ましい。第１のｎ側側窒化物半導体層２０１も、１０オングストローム以上の厚さを有することが望ましい。
【００４５】
なお、第１のｎ側窒化物半導体層２０１は、ｎ型かｉ型であることが好ましい。
本発明において、ｎ型窒化物半導体（活性層の場合も含む）はノンドープ（不純物をドープしない状態）でも得られるが、好ましいｎ型とするには、結晶成長中にＳｉ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｓ等のドナー不純物をドープすることによって得られる。その場合、ドナー不純物は、１×１０16〜１×１０22／ｃｍ3 の濃度でドープすることが好ましい。とりわけシリコンは、１×１０17〜１×１０21／ｃｍ3 の濃度が特に好ましく、１×１０18〜１×１０20／ｃｍ3 の濃度が最も好ましい。
【００４６】
第２のｎ側窒化物半導体層２０２は、第１のｎ側窒化物半導体層２０１のバンドギャップエネルギーよりも小さなバンドギャップエネルギーを有し、かつ第１のｎ側窒化物半導体層２０１よりも活性層から離れた位置にあり、最も望ましくは図２に示すように、第１のｎ側窒化物半導体層２０１に接して形成する。第２のｎ側窒化物半導体層２０２は、好ましくはＩｎk Ｇａ1-k Ｎ（０≦ｋ≦１）で形成され、特にＧａＮまたはＩｎＧａＮで形成することが好ましい。第２のｎ側窒化物半導体層２０２は０．０１μｍ〜５μｍ、さらに好ましくは０．０２μｍ〜１μｍの厚さを有することが好ましく、この範囲の厚さにおいて、例えば好ましい光ガイド層として作用し得る。第２のｎ側窒化物半導体層２０２は、ｎ型である。なお、図１に関して説明したように、第２のｐ側窒化物半導体層１０２は、その上に比較的厚く形成される第３のｐ側窒化物半導体層１０３を成長させるため際のバッファ層として作用している。同様に、第２のｎ側窒化物半導体層２０２も、第１のｎ側窒化物半導体層２０１を成長させる際のバッファ層として作用するが、第１のｎ側窒化物半導体層２０１は薄いので、バッファ層としての役割はそれほど重要でない。
【００４７】
第３のｎ側窒化物半導体層２０３も、第３のｐ側窒化物半導体層１０３と同様、キャリア閉じ込め層及び光閉じ込め層として作用するため第２のｎ側窒化物半導体層２０２のバンドギャップエネルギーよりも大きなバンドギャップエネルギーを有し、第２のｎ側窒化物半導体層２０２よりも活性層１６から離れた位置にあり、最も望ましくは図２に示すように第２のｎ側窒化物半導体層２０２に接して形成される。第３のｎ側窒化物半導体層２０３も、Ａｌを含む窒化物半導体で形成することが好ましく、特に好ましくは三元混晶のＡｌＧａＮで形成する。この第３のｎ側窒化物半導体層２０３も、０．０１μｍ以上、２μｍ以下、さらに好ましくは０．０５μｍ以上、１μｍ以下の厚さを有することが望ましく、この厚さの範囲内において、結晶性の良いキャリア閉じ込め層および光閉じ込め層として作用し得る。なお、第３のｎ側窒化物半導体層２０３はｎ型である。好ましくはアルミニウムを含有する窒化物半導体からなる第３のｎ側窒化物半導体層２０３は、好ましくはｎ型ＧａＮで形成されるｎ型コンタクト層１３上に、クラック防止層３０を介して形成されている。
【００４８】
ｐ型光ガイド層３１およびｐ型キャリア閉じ込め層（光閉じ込め層）３２は、それぞれｐ型窒化物半導体で形成される。ｐ型キャリア閉じ込め層（光閉じ込め層）３２のバンドギャップエネルギーは、ｐ型光ガイド層３１のそれよりも大きい。
【００４９】
図３は、活性層の両側（ｐ側およびｎ側）にそれぞれ本発明の３層積層構造を形成した現在のところ最も好ましい態様による窒化物半導体ＬＤデバイスを示している。図３を参照すると、基板１１上には、バッファ層１２を介して、ｎ型コンタクト層１３、クラック防止層３０、第３のｎ側窒化物半導体層２０３、第２のｎ側窒化物半導体層２０２、第１のｎ側窒化物半導体層２０１、活性層１６、第１のｐ側窒化物半導体層１０１、第２のｐ側窒化物半導体層１０２、第３のｐ側窒化物半導体層１０３およびｐ型コンタクト層１７を含む窒化物半導体積層構造が設けられている。ｐ型コンタクト層１７上にはコンタクトホール１８ａを設けた電流狭窄層１８が設けられている。ｎ型コンタクト層１３の露出表面上には負電極１９が設けられ、電流狭窄層２０上には正電極２０が設けられている。正電極２０は、電流狭窄層１８のコンタクトホール１８ａを通してｐ型コンタクト層１７と接している。図３に示すデバイスを構成する要素は、図１および図２に関して説明した通りのものである。
【００５０】
なお、本発明の窒化物半導体デバイスを構成する窒化物半導体層は、有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ）により好ましく成長させることができる。しかしながら、窒化物半導体層は、例えば、ハイドライド気相成長法（ＨＤＶＰＥ）、分子線気相成長法（ＭＢＥ）等窒化物半導体を成長させるために従来使用されている他の方法によっても成長させることができる。
【００５１】
図４は、図３に示す構造の、多重量子井戸構造の活性層を有するＬＤデバイスのエネルギーバンドを概略的に示す。図４に示すように、本発明のダブルへテロ構造のＬＤデバイスでは、インジウム含有窒化物半導体を包含する活性層１６に接して、第１のｐ側窒化物半導体層１０１および第１のｎ側窒化物半導体層２０１が設けられている。すなわち、活性層１６（より厳密には、その井戸層）のバンドギャップエネルギーよりも大きく、さらに第２のｐ側窒化物半導体層１０２および第２のｐ側窒化物半導体層２０２のバンドギャップエネルギーよりも大きなバンドギャップエネルギーを有する２つの第１の窒化物半導体層１０１、２０１が、活性層１６に接して設けられている。しかも、これら２つの第１の窒化物半導体層の膜厚を薄く設定してあるため、これら半導体層１０１、２０１は、キャリアに対してバリアとして作用することはなく、第３のｎ側窒化物半導体層２０３側から第２のｎ側窒化物半導体層２０２に注入された電子キャリアと、第３のｐ側窒化物半導体層１０３側から第２のｐ側窒化物半導体層１０２に注入された正孔キャリアは、トンネル効果によりそれぞれ第１のｎ側窒化物半導体層２０１および第１のｐ側窒化物半導体層１０１を突き抜けることができ、活性層１６において効率よく再結合し、光（ｈν）を発する。
【００５２】
そして注入されたキャリアは、第１の窒化物半導体層１０１、２０１のハンドギャップエネルギーが大きいため、デバイスの温度が上昇しても、または注入電流密度が増えても、キャリアは活性層１６をオーバーフローせず、第１の窒化物半導体層１０１、２０１で阻止されるため、キャリアが活性層１６に有効に蓄積され、効率よく発光することが可能となる。従って、本発明の窒化物半導体デバイスは、デバイス温度が上昇しても発光効率が低下することが少なく、閾値電流の低いＬＤデバイスとなる。
【００５３】
ところで、本発明者らは、本発明のデバイスにおける活性層、特にインジウムとガリウムを含有する窒化物半導体からなる井戸層を有する活性層について詳細に研究した。その結果、例えばＩｎＧａＮを成長させると、条件によっては、成長したＩｎＧａＮ層が、インジウム含有率において全体的に不均一となり、かくしてインジウムリッチ領域とインジウムプア領域を形成することがわかった。このように形成されたインジウムリッチ領域に電子キャリアと正孔キャリアが局在し、エキシトンに基づく発光またはバイエキシトンに基づく発光をする。すなわち、インジウムリッチ領域は、量子ドットまたは量子ボックスを構成する。ＩｎＧａＮ井戸層が、このような量子ドットまたは量子ボックスを形成するためには、ｎ型半導体層上に当該井戸層が、図１〜図３に関して説明したデバイスにおけるように、ｎ型半導体層（アルミニウム含有窒化物半導体１５、２０１）上に当該ｎ型半導体層に対して格子不整合の状態で形成され、その厚さが７０オングストローム以下であることが必要であることがわかった。この井戸層構造は、これを形成した後短時間好ましくは２ないし２０秒間おいてからその上に半導体層を形成するようにすると都合よく形成される。なお、この井戸層を有する活性層上に形成されるさらなる層は、アクセプター不純物を含有していればよい。このような構成のＬＤデバイスは、通常の量子井戸レーザーよりも閾値電流が低く、より高い特性温度を有し得る。
【００５４】
かくして、本発明は、ｎ型窒化物半導体からなる第１のクラッド層；該第１のクラッド層上に設けられ、インジウムおよびガリウムを含む窒化物半導体からなり７０オングストローム以下の厚さを有し、下地層上に該下地層に対して格子不整合の状態で設けられた少なくとも１層の井戸層を包含する量子井戸構造の活性層であって、該井戸層は複数のインジウムリッチ領域とインジウムプア領域を包含する活性層；および該活性層上に設けられ、アクセプター不純物をドープした窒化物半導体からなる第２のクラッド層を備えたことを特徴とする窒化物半導体デバイスをも提供する。ここで、下地層というとき、図１〜図３に関して説明したデバイスにおけるようになｎ型半導体層（アルミニウム含有窒化物半導体１５、２０１）等の該第１のクラッド層自体または当該第１のクラッド層上に設けられた障壁層あるいは障壁層自体を指すものとする。図５は、このデバイスを概念的に示す断面図である。図５では、活性層は、簡便のため単一量子井戸構造を有するものとして示されている。図５に示すように、ｎ型窒化物半導体からなる第１のクラッド層５２上に格子不整合状態で７０オングストローム以下の厚さに形成された量子井戸層（活性層）５４は、例えば全体的にはＩｎＧａＮで形成されるが、相分離を生じさせることによってインジウムリッチ領域５４ａとインジウムプア領域５４ｂを構成する。より詳しくは、インジウムリッチ領域５４ａとインジウムプア領域５４ｂとがドットまたはボックスとして存在し、これらは大きさが２０〜５０オングストロームであり得、各インジウムリッチ領域５４ａと各インジウムプア領域５４ｂとは井戸層の面方向において交互にほぼ規則的に配列されている。この活性層５４の上には、アクセプター不純物をドープした窒化物半導体からなる第２のクラッド層５６が設けられている。
【００５５】
もちろん、量子ドットまたは量子ボックスを構成する井戸層を有する活性層は、図１〜図３に関して説明したデバイスにおける活性層１６を構成することが好ましい。なお、相分離した井戸層のバンドギャップエネルギーは、当該井戸層の平均組成によって決まる。
【００５６】
このような量子ドットまたは量子ボックスを構成する井戸層を有する活性層において、アクセプター不純物および／またはドナー不純物をドープすると、閾値電流がより一層低下し得る。
【００５７】
すなわち、１つの井戸層の面内においてインジウムの含有率が不均一であることは、単一の井戸層の面方向においてバンドギャップの異なるＩｎＧａＮ領域（インジウムリッチ領域およびインジウムプア領域）が存在することを意味する。従って、伝導帯に存在する電子は一旦インジウムリッチ領域に落ち、そこから価電子帯に存在する正孔と再結合することによりｈνのエネルギーを放出する。言い換えると、電子キャリアと正孔キャリアとが井戸層のインジウムリッチ領域（相）に局在化し、局在エキシトンを形成し、レーザの閾値電流を低下させる助けとなるとともに、レーザの発光出力を向上させる。
【００５８】
このような井戸層に、シリコン等のドナー不純物および／またはアクセプター不純物をドープすると、伝導帯と価電子帯との間に、さらに不純物レベルのエネルギー準位が形成される。そのため、電子キャリアは、より深い不純物レベルのエネルギー準位に落ち、正孔キャリアは、ｐ型不純物のレベルに移動して、そこで電子キャリアと正孔キャリアとが再結合してより小さなエネルギーｈνを放出する。このことは、電子キャリアと正孔キャリアとがより一層局在化し、この一層局在化して形成されたエキシトンの効果によりレーザデバイスの閾値電流が低下するものと信じられる。井戸層にドープする不純物としては、シリコンおよびゲルマニウムが好ましく、特にシリコンが好ましい。特にシリコンをドープすることによりデバイスの閾値電流がさらに低下する傾向にある。なお、シリコン、マグネシウム等の不純物は、井戸層だけでなく、障壁層にもドープしてもよく、また多重量子井戸構造の活性層の場合には、井戸層１層のみ、または障壁層１層のみにドープしてもよい。
【００５９】
【実施例】
以下、本発明を実施例により説明する。
実施例１
本実施例では、図３に示す構造の窒化物半導体ＬＤデバイスを作製した。
【００６０】
まず、よく洗浄したスピネル基板１１（ＭｇＡｌ2 Ｏ4 ）を反応容器内にセットし、反応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った。
【００６１】
ついで、温度を５１０℃まで下げ、キャリアガスとして水素を用い、原料ガスとしてアンモニアとトリメチルガリウム（ＴＭＧ）とを用い、基板１１上にＧａＮバッファ層１２を約２００オングストロームの厚さに成長させた。
【００６２】
バッファ層成長後、ＴＭＧ流のみ止めてアンモニアガスを流しながら、温度を１０３０℃まで上昇させた。１０３０℃で、ＴＭＧガスを追加し、ドーパントガスとしてシランガス（ＳｉＨ4 ）を用いて、ｎ型コンタクト層１３としてＳｉドープｎ型ＧａＮ層を４μｍの厚さに成長させた。
【００６３】
次に、温度を８００℃に下げ、原料ガスとしてＴＭＧ、ＴＭＩ（トリメチルインジウム）およびアンモニアを用い、不純物ガスとしてシランガスを用いて、ＳｉドープＩｎ0.1 Ｇａ0.9 Ｎよりなるクラック防止層３０を５００オングストロームの厚さに成長させた。
【００６４】
ついで、温度を１０３０℃に上げ、原料ガスとしてトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）、ＴＭＧおよびアンモニアを用い、ドーパントとしてシランを用い、Ｓｉドープｎ型Ａｌ0.2 Ｇａ0.8 Ｎよりなる第３のｎ型窒化物半導体層２０３を０．５μｍの厚さに成長させた。
【００６５】
次に、温度を８００℃に下げ、ＴＭＡ流のみ止めて、Ｓｉドープｎ型ＧａＮよりなる第２のｎ型窒化物半導体層２０２を０．２μｍの厚さに成長させた。
ついで、温度を１０５０℃に上げ、原料ガスにＴＭＡ、ＴＭＧおよびアンモニアを用い、ドーパントとしてシランを用いて、Ｓｉドープｎ型Ａｌ0.1 Ｇａ0.9 Ｎよりなる第１のｎ型窒化物半導体層２０１を３００オングストロームの厚さに成長させた。
【００６６】
次に原料ガスとしてＴＭＧ、ＴＭＩおよびアンモニアを用いて活性層１６を以下の通りに成長させた。まず、温度を８００℃に保持して、ノンドープＩｎ0.2 Ｇａ0.8 Ｎ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た。次にＴＭＩのモル比を変化させて、同一温度で、ノンドープＩｎ0.01Ｇａ0.99Ｎ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、全部で７層の多重量子井戸構造の活性層を成長させた。
【００６７】
次に、温度を１０５０℃に上げ、ＴＭＧ、ＴＭＡ、アンモニア、シクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ2 Ｍｇ）を用い、Ｍｇドープｐ型Ａｌ0.1 Ｇａ0.9 Ｎよりなる第１のｐ型窒化物半導体層１０１を３００オングストロームの厚さに成長させた。
【００６８】
続いて、１０５０℃で、ＴＭＧ、アンモニア、およびＣｐ2 Ｍｇを用いて、Ｍｇドープｐ型ＧａＮよりなる第２のｐ型窒化物半導体層１０２を０．２μｍの厚さに成長させた。
【００６９】
ついで、１０５０℃で、ＴＭＧ、ＴＭＡ、アンモニア、シクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ2 Ｍｇ）を用い、、Ｍｇドープｐ型Ａｌ0.2 Ｇａ0.8 Ｎよりなる第３のｐ型窒化物半導体層１０３を０．５μｍの厚さに成長させる。
【００７０】
最後に、１０５０℃でＭｇドープｐ型ＧａＮよりなるｐ型コンタクト層１７を０．５μｍの厚さに成長させた。
全ての反応終了後、温度を室温まで下げてウェーハを反応容器から取り出し、７００℃でウェーハのアニーリングを行い、ｐ型層をさらに低抵抗化した。次に、最上層のｐ型コンタクト層１７からｎ型コンタクト層１３の表面が露出するまでストライプ状にエッチングした。エッチング後、ｐ型コンタクト層１７の表面に二酸化シリコンよりなる電流狭窄層１８を形成し、これにコンタクトホールを形成した後、電流狭窄層３０を介して、ｐ型コンタクト層１７と接するようにＮｉとＡｕよりなる正電極２０をストライプ状に形成した。一方ＴｉとＡｌよりなる負電極１９をストライプ状に形成した。
【００７１】
次に、ウェーハをストライプ状の電極に垂直な方向でバー状に切断し、切断面を研磨して平行鏡を作成した後、平行鏡にＳｉＯ2 とＴｉＯ2 とを交互に積層した誘電体多層膜を形成した。最後に電極に平行な方向で、バーを切断してストライプサイズ４μｍ×６００μｍのレーザチップとした後、チップをヒートシンクに設置し、常温でレーザ発振を試みたところ、パルス電流下（パルス幅１０マイクロ秒、デューティ比１０％）で、発振波長４００ｎｍのレーザ発振が確認され、閾値パルス電流密度＝２ｋＡ／ｃｍ2 、Ｔ0 （特性温度）＝２００Ｋであった。
【００７２】
次に、デバイスの閾値電流密度の温度依存性により本発明のＬＤデバイスを評価した。ＬＤの閾値電流密度Ｊthは、
ｅｘｐ（Ｔ／Ｔ0 ）
（但し、Ｔ：動作温度（Ｋ）、Ｔ0 ：特性温度（Ｋ））に比例する。すなわち、Ｔ0 が大きいほどＬＤデバイスは、高温でも閾値電流密度が低く安定に動作する。
【００７３】
実施例１のデバイスにおいて、第１の窒化物半導体層１０１、２０１をいずれも形成しなかった場合は、レーザ発振しなかった。また、実施例１において、第１の窒化物半導体層１０１、２０１のいずれか一方のみを形成しなかった場合の本発明のＬＤデバイスは、Ｊth＝３ｋＡ／ｃｍ2 、Ｔ0 は１００Ｋであった。実施例１のＬＤデバイスは、第１の窒化物半導体層１０１、２０１双方のＡｌj Ｇａ1-j Ｎのｊ値が０．１の場合（実施例１）、前に述べたように、Ｊth＝２ｋＡ／ｃｍ2 、Ｔ0 ＝２００Ｋであったが、ｊ値が０．２の場合は、Ｊth＝１．５ｋＡ／ｃｍ2 、Ｔ0 ＝３００Ｋ、ｊ値が０．３の場合はＪth＝１．４ｋＡ／ｃｍ2 、Ｔ0 ＝４００Ｋであり、本発明のＬＤデバイスの温度特性が非常に優れていることを示している。
【００７４】
実施例２
第１のｎ側窒化物半導体層２０１を成長させなかった以外は、実施例１と同様にして本発明のＬＤデバイスを得た。このＬＤは図１に示すＬＤデバイスと同一の構造を有しており、図１のｎ型キャリア閉じ込め層（光閉じ込め層）１４が、第３のｎ側窒化物半導体層２０３に相当し、ｎ型光ガイド層１５が、第２のｎ側窒化物半導体層２０２に相当するものである。このＬＤデバイスはＪth＝３ｋＡ／ｃｍ2 で発振波長４００ｎｍのレーザ発振が確認され、Ｔ0 ＝１００Ｋであった。
【００７５】
実施例３
第１のｐ側窒化物半導体層１０１を成長させなかった以外は、実施例１と同様にして本発明のＬＤデバイスを得た。このＬＤは図２に示すＬＤデバイスと同一の構造を有しており、図２のｐ型キャリア閉じ込め層（光閉じ込め層）３２が、第３のｐ側窒化物半導体層１０３に相当し、ｐ型光ガイド層３１が、第２のｐ側窒化物半導体層１０２に相当するものである。このＬＤデバイスは、実施例２のＬＤと同じく、Ｊth＝３ｋＡ／ｃｍ2 で発振波長４００ｎｍのレーザ発振が確認され、Ｔ0 ＝１００Ｋであった。
【００７６】
実施例４
活性層１６を、５０オングストロームの膜厚のノンドープＩｎ0.2 Ｇａ0.8 Ｎの井戸層よりなる単一量子井戸構造とし、第１のｐ型窒化物半導体層１０１をＡｌ0.3 Ｇａ0.7 Ｎで形成した以外は、実施例２と同様にして本発明のＬＤデバイスを得た。このＬＤもＪth＝５ｋＡ／ｃｍ2 で発振波長４１０ｎｍのレーザ発振が確認され、Ｔ0 ＝５０Ｋであった。
【００７７】
実施例５
第２のｎ型窒化物半導体層２０２をＳｉドープｎ型Ｉｎ0.01Ｇａ0.99Ｎで形成し、第２のｐ型窒化物半導体１０２をＭｇドープｐ型Ｉｎ0.01Ｇａ0.99Ｎで形成した以外は実施例１と、同様にしてＬＤデバイスを作製した。このＬＤデバイスは、実施例１のＬＤデバイスと全く同一の特性を示した。
【００７８】
実施例６
活性層の井戸層および障壁層に、それぞれ、ドナー不純物としてシリコンを１×１０19／ｃｍ3 の濃度でドープした以外は、実施例１と同様にして本発明のＬＤデバイスを作製した。このＬＤデバイスは、実施例１のＬＤデバイスに比べて、閾値電流がおよそ５％低下し、Ｔ0 はおよそ１０％向上した。
【００７９】
実施例７
活性層の井戸層および障壁層に、それぞれ、アクセプター不純物としてマグネシウムを１×１０18／ｃｍ3 の濃度でドープした以外は、実施例１と同様にして本発明のＬＤデバイスを作製した。このＬＤデバイスは、実施例１のＬＤデバイスとほぼ同等の特性を示した。
【００８０】
実施例８
活性層の井戸層および障壁層に、それぞれ、ドナー不純物としてシリコンを１×１０19／ｃｍ3 の濃度でおよびアクセプター不純物としてマグネシウムを１×１０18／ｃｍ3 の濃度でドープした以外は、実施例１と同様にして本発明のＬＤデバイスを作製した。このＬＤデバイスは、実施例６のＬＤデバイスとほぼ同等の特性を示した。
【００８１】
実施例９
各ノンドープＩｎ0.2 Ｇａ0.8 Ｎ（平均組成）井戸層形成後、５秒間そのまま保持してから各障壁層を形成した以外は、実施例１と同様にしてＬＤデバイスを作製した。このＬＤデバイスにおいて、井戸層は、インジウムリッチ領域とインジウムプア領域とに相分離しており、インジウムリッチ領域は組成がほぼＩｎ0.4 Ｇａ0.6 Ｎに相当し、インジウムプア領域は組成がほぼＩｎ0.02Ｇａ0.98Ｎに相当するものであった。また、井戸層の断面ＴＥＭ写真により、それぞれ平均で３０オングストロームの大きさのインジウムリッチ領域とインジウムプア領域とが面方向に互いに交互に規則的に並んでいることが確認された（図５参照）。こうして作製したＬＤデバイスは、実施例１のＬＤデバイスに対して閾値電流密度においておよそ３０％低下し、Ｔ0 において２０％向上していた。
【００８２】
実施例１０
各井戸層にシリコンをドープした以外は実施例９と同様にしてＬＤデバイスを作製した。このＬＤデバイスは、実施例１のＬＤデバイスに対して閾値電流密度においておよそ４０％低下し、Ｔ0 において３０％向上していた。
なお、上記各実施例において、濃度を特に指摘しなかった不純物も、いずれも先に述べた好ましい範囲内でドープしたものであった。
【００８３】
以上説明した実施例では、最も好ましい例として、活性層と、第１の窒化物半導体層と、第２の窒化物半導体層と、第３の窒化物半導体層とが接して形成されている例について説明したが、本発明では活性層に接して形成されているのは、第１の窒化物半導体層のみでよく、第１の窒化物半導体層と第２の窒化物半導体層との間、第２の窒化物半導体層と第３の窒化物半導体層との間に、他の窒化物半導体層を挿入することもできる。ドープした不純物の濃度は、
【００８４】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、インジウムを含む窒化物半導体を包含する活性層を有する窒化物半導体素子であって、発光効率が高い窒化物半導体デバイスが提供され、またデバイス温度が上昇しても発光効率の低下が少ない窒化物半導体デバイスが提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の態様に係るＬＤデバイスを概略的に示す断面図。
【図２】本発明の第２の態様に係るＬＤデバイスを概略的に示す断面図。
【図３】本発明の第３の態様に係るＬＤデバイスを概略的に示す断面図。
【図４】図３に示すデバイス構造に対応するエネルギーバンドを示す図。
【図５】本発明の第４の態様に係るＬＤデバイスを概略的に示す断面図。
【図６】従来のＬＤデバイスの層構造に対応するエネルギーバンドを示す図。
【符号の説明】
１１…基板
１３…ｎ型コンタクト層
１４…ｎ型キャリア閉じ込め層
１５…ｎ型光ガイド層
１６，５４…活性層
１７…ｐ型コンタクト層
１９…負電極
２０…正電極
３０…クラック防止層
５２…第１のクラッド層
５４ａ…インジウムリッチ領域
５４ｂ…インジウムプア領域
５６…第２のクラッド層
１０１…第１のｐ側窒化物半導体層
１０２…第２のｐ側窒化物半導体層
１０３…第３のｐ側窒化物半導体層
２０１…第１のｎ側窒化物半導体層
２０２…第２のｎ側窒化物半導体層
２０３…第３のｎ側窒化物半導体層。
【発明の属する技術分野】
本発明は、窒化物半導体デバイスに係り、より具体的には、レーザダイオード（ＬＤ）デバイス、発光ダイオード（ＬＥＤ）デバイス等の窒化物半導体発光デバイスおよび太陽電池等の受光デバイスに関し、とりわけ窒化物半導体発光デバイスに関する。
【０００２】
【従来の技術】
窒化物半導体は、その組成に依存して１．９５〜６．０ｅＶまでのバンドギャップエネルギーを有し得るため、発光ダイオード（ＬＥＤ）デバイス、レーザダイオード（ＬＤ）デバイス等の半導体発光デバイスの材料として従来より注目されている。最近、この窒化物半導体材料を用いて高輝度の青色ＬＥＤデバイスと、緑色ＬＥＤデバイスが実用化されている。これらのＬＥＤデバイスは、ｐ−ｎ接合を有するダブルへテロ構造を有しており、出力は両者とも１ｍＷを超えている。
【０００３】
従来のＬＥＤデバイスは、基本的には、ＩｎＧａＮよりなる活性層が共にＡｌＧａＮよりなるｎ型とｐ型のクラッド層との間に挟まれたダブルへテロ構造を有する。ｎ型クラッド層にはＧａＮよりなるｎ型コンタクト層が形成され、またｐ型クラッド層にはＧａＮよりなるｐ型コンタクト層が形成されている。この積層構造は、例えばサファイアよりなる基板上に設けられている。
【０００４】
ＬＤデバイスも基本的には前記ＬＥＤデバイスと同様の構造を有し得る。しかしながら、特にＬＤデバイスの場合は、光とキャリアとを別々に閉じこめる分離閉じ込め型構造が用いられることが多い。窒化物半導体の分離閉じ込め型ＬＤデバイスは、例えば特開平６−２１５１１号公報に示されている。この公報には、一方がｎ型ＧａＮよりなり他方がｐ型ＧａＮよりなる２つの光ガイド層の間に挟まれたＩｎＧａＮ活性層を備え、ｎ型光ガイド層の上にｎ型ＡｌＧａＮよりなるキャリア閉じ込め層が形成され、ｐ型光ガイド層の上にｐ型ＡｌＧａＮよりなるもう一つのキャリア閉じ込め層が形成された分離閉じ込め型構造の発光デバイスが開示されている。
【０００５】
ところで、通常のダブルへテロ構造の半導体素子においては、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第１のクラッド層が設けられ、その第１のクラッド層に接して、第１のクラッド層よりもバンドギャップエネルギーが大きい第２のクラッド層が設けられる。これは電子と正孔とが、エネルギー準位に従って、効率よく活性層に注入されるようにするためである。
【０００６】
窒化物半導体ＬＤデバイスの場合も同様に、活性層に接してバンドギャップエネルギーが次第に大きくなるように、光ガイド層、キャリア閉じ込め層（光閉じ込め層）のようなクラッド層が順次形成されている（例えば、前記公報参照）。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、インジウムを含有する活性層を有する従来の窒化物半導体デバイス特にＬＤデバイスは、上記構造では発光効率が低いことが判明している。特にデバイスに印加する電流を増大させるに従いデバイス温度が上昇すると、発光効率の低下が激しいことがわかった。
【０００８】
従って、本発明の目的は、インジウムを含む窒化物半導体を包含する活性層を有する窒化物半導体素子であって、発光効率が高い窒化物半導体デバイスを提供することである。
また、本発明の他の目的は、デバイス温度が上昇しても発光効率の低下が少ない窒化物半導体デバイスを提供することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明は、活性層とクラッド層の間に光ガイド層を形成した分離閉じ込め型の窒化物半導体レーザダイオードにおいて、前記活性層が、Ｉｎを含有する窒化物半導体より成る井戸層を有する量子井戸構造を有し、前記活性層のｐ側に、Ａｌを含む窒化物半導体から成り、膜厚が５００オングストローム以下であり、前記活性層に接する第１の窒化物半導体層と、ＩｎｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）から成り、光ガイド層として作用する第２の窒化物半導体層と、Ａｌを含む窒化物半導体から成り、クラッド層として作用し、前記第２の窒化物半導体層に接する第３の窒化物半導体層とを、順次積層したことを特徴とする窒化物半導体レーザダイオードを提供する。
【００１０】
本発明の窒化物半導体デバイスにおいて、活性層は、究極的に正電極に接触すべき層構造と究極的に負電極に接触すべき層構造とにより挟持される。以下の記述において、究極的に正電極に接触すべき層構造が形成される側をｐ側といい、究極的に負電極に接触すべき層構造が形成される側をｎ側ということがある。
【００１１】
上記第１の窒化物半導体層は、キャリアがトンネリングし得るに十分薄い厚さを有するために、０．１μｍ以下の厚さを有することが好ましいが、良好なレーザ発振の観点から、５００オングストローム以下とする。通常、この第１の窒化物半導体層は、少なくとも１０オングストローム以上の厚さを有することが好ましい。
【００１２】
また、本件とは別発明として、ｎ型窒化物半導体からなる第１のクラッド層；該第１のクラッド層上に設けられ、インジウムおよびガリウムを含む窒化物半導体からなり７０オングストローム以下の厚さを有し、下地層上に該下地層に対して格子不整合の状態で設けられた少なくとも１層の井戸層を包含する量子井戸構造の活性層であって、該井戸層は複数のインジウムリッチ領域とインジウムプア領域を包含する活性層；および該活性層上に設けられ、アクセプター不純物をドープした窒化物半導体からなる第２のクラッド層を備えたことを特徴とする窒化物半導体デバイスがある。
【００１３】
本発明において、広く窒化物半導体というとき、周期律表第３族元素の窒化物、より具体的には、式Ｉｎx Ａｌy Ｇａ1-x-y Ｎ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）で示される窒化物半導体を指す。
【００１４】
本発明者らは、特にインジウムを含有する活性層を有する窒化物半導体デバイスにおける、温度上昇に伴う発光効率の低下について研究した。その結果、発光効率の低下の主な原因は、インジウムを含有する窒化物半導体特にＩｎＧａＮは、アルミニウムを含む窒化物半導体または窒化ガリウム（ＧａＮ）に比べて成長しにくいという性質を有していることにあることがわかった。すなわち、ＩｎＧａＮを構成するＩｎＮとＧａＮは、その分解温度が著しく異なり、ＩｎＧａＮは成長中にＩｎＮとＧａＮとに相分離する傾向にあり、インジウム含有率を多くすると均一な組成の活性層が得られにくい。そこで、ＩｎＧａＮ活性層を有する従来の窒化物半導体では、インジウムの含有率が低く抑えられる傾向にある。
【００１５】
そのようにインジウム含有率が低いＩｎＧａＮ活性層にＧａＮよりなる光ガイド層を接して形成した場合、当該活性層と光ガイド層との間のバンドオフセットは極めて小さくなる。このことを、従来の窒化物半導体発光デバイスに対応するエネルギーバンドを示す図である図６を参照して説明する。図６に示すように、従来の窒化物半導体素子では、活性層（ＩｎＧａＮ）のバンドギャップエネルギーに比べて、ＩｎＧａＮ活性層を直接挟んでいる光ガイド層（ＧａＮ）のバンドギャップエネルギーはそれほど大きくない（ＩｎＧａＮ中のＩｎの含有率が低いので、ＩｎＧａＮ組成がＧａＮ組成に近似するため）。このため、半導体デバイスに印加する電流値を増大させるにつれデバイスの温度が上昇すると、その熱エネルギーの影響により、それぞれｎ層およびｐ層から活性層に注入された電子および正孔が再結合して光（ｈν）を発する前に、電子と正孔とは活性層をオーバーフローしてそれぞれ注入側とは反対側のガイド層（ＧａＮ）にまで、すなわち電子はｐ型光ガイド層に、正孔はｎ型光ガイド層にまで達してしまう。その結果、従来の構造では発光効率が低く、特に、温度が上昇すると特に効率が低下する。
【００１６】
そこで、本発明の窒化物半導体デバイスにおいては、インジウムを含む窒化物半導体を包含する活性層に接してこれを挟んで形成される２つの第１の層（第１のｐ側層および第１のｎ側層）を活性層のバンドギャップエネルギーよりも大きなバンドギャップエネルギーを有する窒化物半導体で形成する。これら第１の層は、活性層のバンドギャップエネルギーよりも大きなバンドギャップエネルギーを有していればよく、好ましくは、２つの第１の層は活性層よりも０．０１〜４．０５ｅＶ大きなバンドギャップエネルギーを有する。このような大きなバンドギャップエネルギーを有する第１の層の存在により、活性層に注入された電子または正孔が活性層をオーバーフローすることがなくなる。そして、各第１の層上に、好ましくはこれと接して第１の層のバンドギャップエネルギーよりも小さなバンドギャップエネルギーを有するが、好ましくは活性層のバンドギャップエネルギーよりも大きなバンドギャップエネルギーを有する窒化物半導体で形成された２つの第２の層（第２のｐ側層および第２のｎ側層）を設ける。これら第２の層は、第１の層のバンドギャップエネルギーよりも小さなバンドギャップエネルギーを有していればよく、好ましくは第１のバンドギャップエネルギーよりも０．０１〜４．０５ｅＶ小さなバンドギャップエネルギーを有する。さらに、各第２の層上に、これと接して、第２の層のバンドギャップエネルギーよりも大きなバンドギャップエネルギーを有する窒化物半導体で形成された２つの第３の層（第３のｐ側層および第３のｎ側層）を設ける。これら第３の層は、第２の層のバンドギャップエネルギーよりも大きなバンドギャップエネルギーを有していればよく、好ましくは、第２の層のバンドギャップエネルギーよりも０．０１〜４．０５ｅＶ大きなバンドギャップエネルギーを有する。かくして、第３の層側から注入された電子または正孔は、より小さなバンドギャップエネルギーを有する第２の層へ効率的に注入されるが、第１の層のバンドギャップエネルギーが大きいため、活性層への注入は第１の層により阻止される傾向にある。そこで、本発明では、電子または正孔がこの第１の層をトンネル効果により突き抜けること（トンネリング）ができる程度に第１の層を薄く形成する。こうして、電子または正孔は、第３の層から活性層まで効率的に注入されることとなる。かくして、本発明のデバイスにおいて、電子および正孔は第３の層から活性層へと効率的に注入され、かつ電子または正孔は注入側とは反対側の第１の層に阻止されてたとえデバイス温度が上昇しても活性層をオーバーフローすることがない。なお、窒化物半導体のバンドギャップエネルギーについて述べると、ＡｌＮのバンドギャップエネルギーは６．０ｅＶであり、ＧａＮのバンドギャップエネルギーは３．４ｅＶであり、ＩｎＮのバンドギャップエネルギーは１．９５ｅＶである。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、図１ないし図５を参照して本発明を説明する。これらの図を通じて、同一要素・部材は、同一符号で示されている。
図１は本発明の第１の態様によるＬＤデバイスの一構造を示す模式的な断面図である。このＬＤデバイスにおいて、本発明の３層構造はｐ側に設けられている。
【００１９】
図１に示すＬＤデバイスは、基板１１上に、バッファ層１２を介して、ｎ型コンタクト層１３、ｎ型キャリア閉じ込め層（光閉じ込め層）１４、ｎ型光ガイド層１５、活性層１６、活性層１６よりもバンドギャップエネルギーが大きい第１のｐ側窒化物半導体層１０１、第１のｐ側窒化物半導体層よりもバンドギャップエネルギーが小さい第２のｐ側窒化物半導体層１０２、第２のｐ側窒化物半導体層１０２よりもバンドギャップが大きい第３のｐ側窒化物半導体層１０３およびｐ型コンタクト層１７を含む窒化物半導体積層構造が設けられている。ｐ型コンタクト層１７上にはコンタクトホール１８ａを設けた電流狭窄層１８が設けられている。ｎ型コンタクト層１３の露出表面上には負電極１９が設けられ、電流狭窄層２０上には正電極２０が設けられている。正電極２０は、電流狭窄層１８のコンタクトホール１８ａを通してｐ型コンタクト層１７と接している。
【００２０】
基板１１は、スピネル（ＭｇＡｌ2 Ｏ4 ）、サファイア（Ａｌ2 Ｏ3 、Ａ面、Ｒ面、Ｃ面を含む）、ＳｉＣ（６Ｈ、４Ｈ、３Ｃを含む）、ＺｎＳ、ＺｎＯ、ＧａＡｓ、ＧａＮ等窒化物半導体を成長するために提案されている通常の材料が使用できる。
【００２１】
バッファ層１２は、ＡｌＮ、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ等で形成することができ、９００℃以下の温度で、数十オングストローム〜数百オングストロームの厚さで形成することができる。バッファ層１２は、基板１１とその上に形成される窒化物半導体層との格子定数不整合を緩和するために形成されるものである。従って、窒化物半導体と格子整合した基板、窒化物半導体の格子定数に近い格子定数を有する基板等を使用する際、また窒化物半導体の成長方法等によっては省略することもできる。
【００２２】
ｎ型コンタクト層１３は、窒化物半導体で形成され、、特にＧａＮ、Ｉｎa Ｇａ1-a Ｎ（０＜ａ＜１）で形成することが好ましい。（本明細書において、Ｉｎa Ｇａ1-a Ｎ（０＜ａ＜１）または類似の表現により示される窒化物半導体を単にＩｎＧａＮということがある）。特に、ＳｉをドープしたＧａＮでｎ型コンタクト層１３を形成すると、キャリア濃度の高いｎ型層が得られ、また負電極１９との好ましいオーミック接触が得られるので、レーザ素子の閾値電流を低下させることができる。ｎ型コンタクト層１３の厚さに特に制限はないが、通常０．１μｍ〜５μｍの厚さで形成できる。
【００２３】
ｎ型コンタクト層１３のエッチングにより露出した表面に形成される負電極１９は、ｎ型コンタクト層１３との好ましいオーミック接触が得られるので、Ａｌ、Ｔｉ、Ｗ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｓｎ、Ｉｎ等の金属若しくはそれらの合金で形成することが好ましい。
【００２４】
ｎ型キャリア閉じ込め層１４、およびこの層１４上に形成されているｎ型光ガイド層１５は、それぞれ、ｎ型窒化物半導体で形成される。図１に示す態様において、ｎ型光ガイド層１５は、活性層１６のバンドギャップエネルギーよりも大きなバンドギャップエネルギーを有し、ｎ型キャリア閉じ込め層１４は、ｎ型光ガイド層１５のバンドギャップエネルギーよりも大きなバンドギャップエネルギーを有する。ｎ型キャリア閉じ込め層１４は、通常、０．１μｍ〜１μｍの厚さで形成され、ｎ型光ガイド層１５は、通常、１００オングストロームないし１μｍの厚さで形成されることが望ましい。
【００２５】
ｎ型光ガイド層１５上に形成されている活性層１６は、量子井戸構造（すなわち、単一量子井戸構造または多重量子井戸構造）を有し、この量子井戸構造は、ｎ型光ガイド層１５および第１のｐ側窒化物半導体層１０１の両者のバンドギャップよりも小さなバンドギャップを有するインジウム含有窒化物半導体すなわちＩｎd Ａｌe Ｇａ1-d-e Ｎ（０＜ｄ≦１、０≦ｅ≦１、０＜ｄ＋ｅ≦１）よりなる井戸層を有する。好ましくは、井戸層は、三元混晶のＩｎf Ｇａ1-f Ｎ（０＜ｆ＜１）で形成される。三元混晶のＩｎＧａＮは四元混晶のものに比べて結晶性が良好な層を提供するので、発光出力が向上する。
【００２６】
その中でも、活性層１６は、ＩｎＧａＮ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を交互に積層した多重量子井戸構造（最小で３層構造となる）とすることが特に好ましい。本発明において、多重量子井戸構造は、ｎ型光ガイド層１５等のｎ型層上に直接設けられた最下層としての井戸層および以後述べる第１のｐ側窒化物半導体１０１等のｐ型層に直接接する最上層としての井戸層を有する構造であっても、あるいはｎ型光ガイド層１５等のｎ型層上に直接設けられた最下層としての障壁層および第１のｐ側窒化物半導体層１０１等のｐ型層に直接接する最上層としての障壁層を有する構造であってもよい。障壁層を形成する窒化物半導体には、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ等が含まれる。しかしながら、障壁層を井戸層と同様に三元混晶のＩｎf'Ｇａ1-f'Ｎ（０＜ｆ’＜１、ただし、ｆ’＜ｆ）で形成することが特に好ましい。このように活性層１６をバンドギャップエネルギーが異なるＩｎＧａＮ層を積層した多重量子井戸構造とすると、活性層１６のインジウムモル分率を変えるかあるいは以後述べる第１もしくは第３のｎ側もしくはｐ側窒化物半導体層のアルミニウムモル分率を変えることによって、量子準位間発光により約３６５ｎｍ〜６６０ｎｍの波長の高出力のＬＤデバイスを実現することができる。さらに、井戸層の上にＩｎＧａＮ障壁層を積層すると、ＩｎＧａＮ障壁層はＡｌＧａＮに比べて結晶が柔らかいので、その上に形成するクラッド層としての例えばＡｌＧａＮ層の厚さをクラックを発生させずに厚くできるので、優れたレーザ発振が実現できる。
【００２７】
多重量子井戸構造では、井戸層は７０オングストローム以下、障壁層は１５０オングストローム以下の厚さを有することが特に望ましい。一方、１つの量子井戸層により構成される単一量子井戸構造の活性層は７０オングストローム以下の厚さを有することが特に望ましい。井戸層、障壁層とも、厚さの下限は５オングストロームであることが好ましい。
【００２８】
活性層１６は、不純物をドープしないものでも（ノンドープ）、井戸層および／または障壁層に不純物（アクセプター不純物および／またはドナー不純物）をドープしたものでもよい。特に好ましい活性層１６は、ノンドープ活性層、およびシリコンまたはゲルマニウムドープ活性層であり、不純物をドープした活性層のうち、特に好ましいものはシリコンドープ活性層である。特に、活性層にシリコンをドープすると、ＬＤデバイスにあっては、閾値電流が低下する傾向にある。なお、シリコンのドープは、活性層を構成すべき窒化物半導体の成長中に、原料ガスに例えばテトラエチルシラン等の有機シリコンガス、シラン等の水素化シリコンガス、四塩化シリコン等のハロゲン化シリコンガス等を添加することによって行うことができる。
【００２９】
活性層１６に接して設けられている第１のｐ側窒化物半導体層１０１は、活性層１６（より厳密には、その井戸層）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で形成されている。特に好ましくは第１の窒化物半導体層は、Ａｌを含む窒化物半導体すなわちＩｎg Ａｌh Ｇａ1-g-h Ｎ（０≦ｇ≦１、０＜ｈ≦１、０＜ｇ＋ｈ≦１）で形成され、特に好ましくは三元混晶のＡｌj Ｇａ1-j Ｎ（０＜ｊ＜１）で形成される。（本明細書において、Ａｌj Ｇａ1-j Ｎ（０＜ｊ＜１）または類似の表現で示される窒化物半導体を単にＡｌＧａＮということがある）。
【００３０】
第１のｐ側窒化物半導体層１０１は、ｉ型かｐ型であることが好ましい。特にＡｌＧａＮは高キャリア濃度のｐ型が得られやすく、しかもＩｎＧａＮを包含する井戸層を含む活性層１６に接して形成することにより、発光出力が高い素子を得ることができる。
【００３１】
なお、本発明において、窒化物半導体（活性層の窒化物半導体も含む）をｐ型とするには、結晶成長中にＭｇ、Ｚｎ、Ｃ、Ｂｅ、Ｃａ、Ｂａ等のアクセプター不純物をドープすることによって得られる。アクセプター不純物濃度は、１×１０17〜１×１０22／ｃｍ3 であることが好ましい。特にアクセプター不純物がマグネシウムである場合、その濃度は、１×１０18〜１×１０20／ｃｍ3 、特に１×１０19〜１×１０20／ｃｍ3 であることが殊に好ましい。いずれの場合でも、高キャリア濃度のｐ層を得るためには、アクセプター不純物をドープした後、不活性ガス雰囲気中、４００℃以上でアニーリング（熱処理）することがより望ましい。アニーリングを行うことにより、通常、Ｍｇドープｐ型ＡｌＧａＮの場合で１×１０17〜１×１０19／ｃｍ3 のキャリア濃度が得られる。またｉ型の窒化物半導体を得るには、例えば、Ａｌj Ｇａ1-j Ｎにおいてｊの値が０．５以上の窒化物半導体を成長させることにより、アクセプター不純物をドープすることなくｉ型窒化物半導体を得ることができる。また、ｉ型窒化物半導体は、ｐ型窒化物半導体層にその正孔キャリア濃度を補償するだけのドナー不純物をドープするか、ｎ型窒化物半導体層にその電子キャリア濃度を補償するだけのアクセプター不純物をドープすることによっても得られる。
【００３２】
第１の窒化物半導体層１０１の厚さは、第１の窒化物半導体層１０１をキャリアがトンネリングし得るに十分に薄い厚さを有することが好ましい。より具体的には、半導体層１０１は、０．１μｍ以下、さらに好ましくは０．０５μｍ（５００オングストロング）以下、最も好ましくは０．０３μｍ（３００オングストローム）以下の厚さを有することが望ましい。半導体層１０１の厚さをこのように薄くすると、第１のｐ側窒化物半導体層１０１中のクラック発生を防止でき、結晶性の良い窒化物半導体層を成長させることができる。またＡｌの比率が大きいＡｌＧａＮ程薄く形成するとレーザ発振しやすくなる。例えば、ｊの値が０．２以上のＡｌj Ｇａ1-j Ｎを用いた場合、５００オングストローム以下の厚さで半導体層１０１を形成することが望ましい。第１のｐ側窒化物半導体層１０１の厚さの下限には特に制限はないが、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。
【００３３】
第２のｐ側窒化物半導体層１０２は、第１のｐ側窒化物半導体層１０１のバンドギャップエネルギーよりも小さなバンドギャップエネルギーを有し、かつ第１のｐ側窒化物半導体層１０１よりも活性層から離れた位置にあり、最も望ましくは図１に示すように、第１のｐ側窒化物半導体層１０１に接して形成する。第２のｐ側窒化物半導体層１０２は、好ましくはＩｎk Ｇａ1-k Ｎ（０≦ｋ≦１）で形成され、特にＧａＮまたはＩｎＧａＮで形成することが好ましい。この第２のｐ側窒化物半導体層１０２をＧａＮまたはＩｎＧａＮで形成すると、比較的厚く形成してもクラックが入ることが少なく結晶性の良い第２の半導体層１０２が得られる。第２のｐ側窒化物半導体層１０２は０．０１μｍ〜５μｍ、さらに好ましくは０．０２μｍ〜１μｍの厚さを有することが好ましく、この範囲の厚さにおいて、例えば好ましい光ガイド層として作用し得る。なお、第２のｐ側窒化物半導体層１０２は、アクセプター不純物を含有するものであり、またｐ型であることが好ましい。
【００３４】
さらに、特にＩｎＧａＮまたはＧａＮで形成された第２のｐ側窒化物半導体層１０２は、以後説明する第３のｐ側窒化物半導体層１０３を成長させる際のバッファ層としても作用する。ＩｎＧａＮまたはＧａＮは、ＡｌＧａＮに比べて結晶が柔らかい。従って、活性層よりもバンドギャップが大きい第１のｐ側窒化物半導体層１０１と、第３のｐ側窒化物半導体層１０３との間にＩｎＧａＮまたはＧａＮからなる第２のｐ側窒化物半導体層１０２を存在させることにより、第３のｐ側窒化物半導体層１０３にクラックが発生することが防止され、それにより、第３のｐ側窒化物半導体層１０３を第１のｐ側窒化物半導体層１０１に比べて厚く形成することができる。
【００３５】
第３のｐ側窒化物半導体層１０３は、第２のｐ側窒化物半導体層１０２のバンドギャップエネルギーよりも大きなバンドギャップエネルギーを有し、第２のｐ側窒化物半導体層１０２よりも活性層から離れた位置にあり、最も望ましくは図１に示すように第２のｐ側窒化物半導体層１０２に接して形成される。第３のｐ側窒化物半導体層１０３は、Ａｌを含む窒化物半導体すなわちＩｎm Ａｌn Ｇａ1-m-n Ｎ（０≦ｍ≦１、０＜ｎ≦１、０＜ｍ＋ｎ≦１）で形成することが好ましく、特に好ましくは三元混晶のＡｌＧａＮで形成する。
【００３６】
この第３のｐ側窒化物半導体層１０３は、第２のｐ側窒化物半導体層１０２のバンドギャップエネルギーより大きなバンドギャップエネルギーを有することが要求される。第３のｐ側窒化物半導体層１０３は、キャリア閉じ込め層及び光閉じ込め層として作用するからである。この第３のｐ側窒化物半導体層１０３は、０．０１μｍ以上、２μｍ以下、さらに好ましくは０．０５μｍ以上、１μｍ以下の厚さを有することが望ましく、この厚さの範囲内において、結晶性の良いキャリア閉じ込め層として作用し得る。なお、第３のｐ側窒化物半導体層１０３はアクセプター不純物を含有するものであり、また好ましくはｐ型である。
【００３７】
第３のｐ側窒化物半導体層１０３上に形成されているｐ型コンタクト層１７は、ｐ型窒化物半導体で形成される。特に、ｐ型コンタクト層１０３をＩｎＧａＮまたはＧａＮ、とりわけＭｇをドープしたｐ型ＧａＮで形成すると、最もキャリア濃度の高いｐ型層が得られ、正電極と良好なオーミック接触を達成し、それにより閾値電流を低下させることができる。
【００３８】
正電極２０は、オーミック接触を得るために、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｉｒ、Ｒｈ、Ｐｔ、Ａｇ、Ａｕ等の比較的仕事関数の高い金属又はこれらの合金好ましくはで形成されることが好ましい。
【００３９】
電流狭窄層１８は、絶縁性材料、好ましくは二酸化ケイ素で形成される。この電流狭窄層１８は、省くことができる。
ところで、図１において、ｎ型キャリア閉じ込め層１４は、クラック防止層３０を介してｎ型コンタクト層１３上に形成されている。
【００４０】
すなわち、アルミニウムを含有する窒化物半導体は、厚さを厚く成長させると成長した結晶にクラックが発生しやすいという性質を有する。特に、ｎ型のアルミニウム含有窒化物半導体をＧａＮ層またはＡｌＧａＮ層上にクラックを発生させないで直接厚く成長させることが困難である。例えば、ｎ型ＧａＮ等で形成されるｎ型コンタクト層１３上に、ｎ型キャリア閉じ込め層１４のように、例えば０．１μｍ以上と厚く形成する必要があるｎ型層をアルミニウムを含有する窒化物半導体特にＡｌＧａＮで形成することが困難である。そこで、ｎ型コンタクト層１３の上に、クラック防止層３０として、インジウムを含有する窒化物半導体、好ましくはＩｎp Ｇａ1-p Ｎ（０＜ｐ≦１）からなるｎ型層を形成した後に、ｎ型のアルミニウム含有窒化物半導体からなるｎ型キャリア閉じ込め層１４を形成する。クラック防止層３０の存在により、ｎ型キャリア閉じ込め層１４は、クラックを発生することなく、所望の厚さ（例えば、０．１μｍ以上）に成長させることができる。クラック防止層３０は、１００オングストローム以上、０．５μｍ以下の厚さを有することが好ましい。なお、このクラック防止層３０は、ｎ型コンタクト層１３層内部にあっても同様の効果を奏する。
【００４１】
図２は本発明の第２の態様による窒化物半導体ＬＤデバイスを概略的に示す断面図であり、図１と同一符号は同一部材を示している。図２を参照すると、基板１１上には、バッファ層１２を介して、ｎ型コンタクト層１３、クラック防止層３０、第３のｎ側窒化物半導体層２０３、第２のｎ側窒化物半導体層２０２、第１のｎ側窒化物半導体層２０１、活性層１６、ｐ型光ガイド層３１、ｐ型キャリア閉じ込め層（光閉じ込め層）３２、ｐ型コンタクト層１７、電流狭窄層１８が順次形成されている。ｎ型コンタクト層１３には負電極１９が、ｐ型コンタクト層１７には、正電極２０が電気的に接続されている。
【００４２】
図２に示すＬＤデバイスにおいて、第１のｎ側窒化物半導体層２０１、第２のｎ側窒化物半導体層２０２および第３のｎ側窒化物半導体層２０３は、導電型を除いて、それらのバンドギャップエネルギー、それらを構成する窒化物半導体材料およびそれらの厚さの範囲の点において、それぞれ図１に関して説明した対応する第１のｐ側窒化物半導体層１０１、第２のｐ側窒化物半導体層１０２および第３のｐ側窒化物半導体層１０３と基本的に同様であり、第１のｐ側窒化物半導体層１０１、第２のｐ側窒化物半導体層１０２および第３のｐ側窒化物半導体層１０３について述べた材料の好ましさ、厚さの好ましさ等も、それぞれ、第１のｎ側窒化物半導体層２０１、第２のｎ側窒化物半導体層２０２および第３のｎ側窒化物半導体層２０３について適用し得る。
【００４３】
簡単に繰り返すと、活性層１６に接して形成されている第１のｎ側窒化物半導体層２０１は、活性層１６（より厳密には、その井戸層）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で形成されている。特に好ましくは第１のｎ側窒化物半導体層２０１は、Ａｌを含む窒化物半導体で形成され、殊に好ましくは三元混晶のＡｌＧａＮで形成される。
【００４４】
第１のｎ側窒化物半導体層２０１の厚さも、第１のｐ側窒化物半導体１０１と同様、第１のｎ側窒化物半導体層２０１をキャリア（電子キャリア）がトンネリングし得るに十分に薄い厚さを有する。より具体的には、半導体層２０１は、０．１μｍ以下、さらに好ましくは０．０５μｍ（５００オングストロング）以下、最も好ましくは０．０３μｍ（３００オングストローム）以下の厚さを有することが望ましい。第１のｎ側側窒化物半導体層２０１も、１０オングストローム以上の厚さを有することが望ましい。
【００４５】
なお、第１のｎ側窒化物半導体層２０１は、ｎ型かｉ型であることが好ましい。
本発明において、ｎ型窒化物半導体（活性層の場合も含む）はノンドープ（不純物をドープしない状態）でも得られるが、好ましいｎ型とするには、結晶成長中にＳｉ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｓ等のドナー不純物をドープすることによって得られる。その場合、ドナー不純物は、１×１０16〜１×１０22／ｃｍ3 の濃度でドープすることが好ましい。とりわけシリコンは、１×１０17〜１×１０21／ｃｍ3 の濃度が特に好ましく、１×１０18〜１×１０20／ｃｍ3 の濃度が最も好ましい。
【００４６】
第２のｎ側窒化物半導体層２０２は、第１のｎ側窒化物半導体層２０１のバンドギャップエネルギーよりも小さなバンドギャップエネルギーを有し、かつ第１のｎ側窒化物半導体層２０１よりも活性層から離れた位置にあり、最も望ましくは図２に示すように、第１のｎ側窒化物半導体層２０１に接して形成する。第２のｎ側窒化物半導体層２０２は、好ましくはＩｎk Ｇａ1-k Ｎ（０≦ｋ≦１）で形成され、特にＧａＮまたはＩｎＧａＮで形成することが好ましい。第２のｎ側窒化物半導体層２０２は０．０１μｍ〜５μｍ、さらに好ましくは０．０２μｍ〜１μｍの厚さを有することが好ましく、この範囲の厚さにおいて、例えば好ましい光ガイド層として作用し得る。第２のｎ側窒化物半導体層２０２は、ｎ型である。なお、図１に関して説明したように、第２のｐ側窒化物半導体層１０２は、その上に比較的厚く形成される第３のｐ側窒化物半導体層１０３を成長させるため際のバッファ層として作用している。同様に、第２のｎ側窒化物半導体層２０２も、第１のｎ側窒化物半導体層２０１を成長させる際のバッファ層として作用するが、第１のｎ側窒化物半導体層２０１は薄いので、バッファ層としての役割はそれほど重要でない。
【００４７】
第３のｎ側窒化物半導体層２０３も、第３のｐ側窒化物半導体層１０３と同様、キャリア閉じ込め層及び光閉じ込め層として作用するため第２のｎ側窒化物半導体層２０２のバンドギャップエネルギーよりも大きなバンドギャップエネルギーを有し、第２のｎ側窒化物半導体層２０２よりも活性層１６から離れた位置にあり、最も望ましくは図２に示すように第２のｎ側窒化物半導体層２０２に接して形成される。第３のｎ側窒化物半導体層２０３も、Ａｌを含む窒化物半導体で形成することが好ましく、特に好ましくは三元混晶のＡｌＧａＮで形成する。この第３のｎ側窒化物半導体層２０３も、０．０１μｍ以上、２μｍ以下、さらに好ましくは０．０５μｍ以上、１μｍ以下の厚さを有することが望ましく、この厚さの範囲内において、結晶性の良いキャリア閉じ込め層および光閉じ込め層として作用し得る。なお、第３のｎ側窒化物半導体層２０３はｎ型である。好ましくはアルミニウムを含有する窒化物半導体からなる第３のｎ側窒化物半導体層２０３は、好ましくはｎ型ＧａＮで形成されるｎ型コンタクト層１３上に、クラック防止層３０を介して形成されている。
【００４８】
ｐ型光ガイド層３１およびｐ型キャリア閉じ込め層（光閉じ込め層）３２は、それぞれｐ型窒化物半導体で形成される。ｐ型キャリア閉じ込め層（光閉じ込め層）３２のバンドギャップエネルギーは、ｐ型光ガイド層３１のそれよりも大きい。
【００４９】
図３は、活性層の両側（ｐ側およびｎ側）にそれぞれ本発明の３層積層構造を形成した現在のところ最も好ましい態様による窒化物半導体ＬＤデバイスを示している。図３を参照すると、基板１１上には、バッファ層１２を介して、ｎ型コンタクト層１３、クラック防止層３０、第３のｎ側窒化物半導体層２０３、第２のｎ側窒化物半導体層２０２、第１のｎ側窒化物半導体層２０１、活性層１６、第１のｐ側窒化物半導体層１０１、第２のｐ側窒化物半導体層１０２、第３のｐ側窒化物半導体層１０３およびｐ型コンタクト層１７を含む窒化物半導体積層構造が設けられている。ｐ型コンタクト層１７上にはコンタクトホール１８ａを設けた電流狭窄層１８が設けられている。ｎ型コンタクト層１３の露出表面上には負電極１９が設けられ、電流狭窄層２０上には正電極２０が設けられている。正電極２０は、電流狭窄層１８のコンタクトホール１８ａを通してｐ型コンタクト層１７と接している。図３に示すデバイスを構成する要素は、図１および図２に関して説明した通りのものである。
【００５０】
なお、本発明の窒化物半導体デバイスを構成する窒化物半導体層は、有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ）により好ましく成長させることができる。しかしながら、窒化物半導体層は、例えば、ハイドライド気相成長法（ＨＤＶＰＥ）、分子線気相成長法（ＭＢＥ）等窒化物半導体を成長させるために従来使用されている他の方法によっても成長させることができる。
【００５１】
図４は、図３に示す構造の、多重量子井戸構造の活性層を有するＬＤデバイスのエネルギーバンドを概略的に示す。図４に示すように、本発明のダブルへテロ構造のＬＤデバイスでは、インジウム含有窒化物半導体を包含する活性層１６に接して、第１のｐ側窒化物半導体層１０１および第１のｎ側窒化物半導体層２０１が設けられている。すなわち、活性層１６（より厳密には、その井戸層）のバンドギャップエネルギーよりも大きく、さらに第２のｐ側窒化物半導体層１０２および第２のｐ側窒化物半導体層２０２のバンドギャップエネルギーよりも大きなバンドギャップエネルギーを有する２つの第１の窒化物半導体層１０１、２０１が、活性層１６に接して設けられている。しかも、これら２つの第１の窒化物半導体層の膜厚を薄く設定してあるため、これら半導体層１０１、２０１は、キャリアに対してバリアとして作用することはなく、第３のｎ側窒化物半導体層２０３側から第２のｎ側窒化物半導体層２０２に注入された電子キャリアと、第３のｐ側窒化物半導体層１０３側から第２のｐ側窒化物半導体層１０２に注入された正孔キャリアは、トンネル効果によりそれぞれ第１のｎ側窒化物半導体層２０１および第１のｐ側窒化物半導体層１０１を突き抜けることができ、活性層１６において効率よく再結合し、光（ｈν）を発する。
【００５２】
そして注入されたキャリアは、第１の窒化物半導体層１０１、２０１のハンドギャップエネルギーが大きいため、デバイスの温度が上昇しても、または注入電流密度が増えても、キャリアは活性層１６をオーバーフローせず、第１の窒化物半導体層１０１、２０１で阻止されるため、キャリアが活性層１６に有効に蓄積され、効率よく発光することが可能となる。従って、本発明の窒化物半導体デバイスは、デバイス温度が上昇しても発光効率が低下することが少なく、閾値電流の低いＬＤデバイスとなる。
【００５３】
ところで、本発明者らは、本発明のデバイスにおける活性層、特にインジウムとガリウムを含有する窒化物半導体からなる井戸層を有する活性層について詳細に研究した。その結果、例えばＩｎＧａＮを成長させると、条件によっては、成長したＩｎＧａＮ層が、インジウム含有率において全体的に不均一となり、かくしてインジウムリッチ領域とインジウムプア領域を形成することがわかった。このように形成されたインジウムリッチ領域に電子キャリアと正孔キャリアが局在し、エキシトンに基づく発光またはバイエキシトンに基づく発光をする。すなわち、インジウムリッチ領域は、量子ドットまたは量子ボックスを構成する。ＩｎＧａＮ井戸層が、このような量子ドットまたは量子ボックスを形成するためには、ｎ型半導体層上に当該井戸層が、図１〜図３に関して説明したデバイスにおけるように、ｎ型半導体層（アルミニウム含有窒化物半導体１５、２０１）上に当該ｎ型半導体層に対して格子不整合の状態で形成され、その厚さが７０オングストローム以下であることが必要であることがわかった。この井戸層構造は、これを形成した後短時間好ましくは２ないし２０秒間おいてからその上に半導体層を形成するようにすると都合よく形成される。なお、この井戸層を有する活性層上に形成されるさらなる層は、アクセプター不純物を含有していればよい。このような構成のＬＤデバイスは、通常の量子井戸レーザーよりも閾値電流が低く、より高い特性温度を有し得る。
【００５４】
かくして、本発明は、ｎ型窒化物半導体からなる第１のクラッド層；該第１のクラッド層上に設けられ、インジウムおよびガリウムを含む窒化物半導体からなり７０オングストローム以下の厚さを有し、下地層上に該下地層に対して格子不整合の状態で設けられた少なくとも１層の井戸層を包含する量子井戸構造の活性層であって、該井戸層は複数のインジウムリッチ領域とインジウムプア領域を包含する活性層；および該活性層上に設けられ、アクセプター不純物をドープした窒化物半導体からなる第２のクラッド層を備えたことを特徴とする窒化物半導体デバイスをも提供する。ここで、下地層というとき、図１〜図３に関して説明したデバイスにおけるようになｎ型半導体層（アルミニウム含有窒化物半導体１５、２０１）等の該第１のクラッド層自体または当該第１のクラッド層上に設けられた障壁層あるいは障壁層自体を指すものとする。図５は、このデバイスを概念的に示す断面図である。図５では、活性層は、簡便のため単一量子井戸構造を有するものとして示されている。図５に示すように、ｎ型窒化物半導体からなる第１のクラッド層５２上に格子不整合状態で７０オングストローム以下の厚さに形成された量子井戸層（活性層）５４は、例えば全体的にはＩｎＧａＮで形成されるが、相分離を生じさせることによってインジウムリッチ領域５４ａとインジウムプア領域５４ｂを構成する。より詳しくは、インジウムリッチ領域５４ａとインジウムプア領域５４ｂとがドットまたはボックスとして存在し、これらは大きさが２０〜５０オングストロームであり得、各インジウムリッチ領域５４ａと各インジウムプア領域５４ｂとは井戸層の面方向において交互にほぼ規則的に配列されている。この活性層５４の上には、アクセプター不純物をドープした窒化物半導体からなる第２のクラッド層５６が設けられている。
【００５５】
もちろん、量子ドットまたは量子ボックスを構成する井戸層を有する活性層は、図１〜図３に関して説明したデバイスにおける活性層１６を構成することが好ましい。なお、相分離した井戸層のバンドギャップエネルギーは、当該井戸層の平均組成によって決まる。
【００５６】
このような量子ドットまたは量子ボックスを構成する井戸層を有する活性層において、アクセプター不純物および／またはドナー不純物をドープすると、閾値電流がより一層低下し得る。
【００５７】
すなわち、１つの井戸層の面内においてインジウムの含有率が不均一であることは、単一の井戸層の面方向においてバンドギャップの異なるＩｎＧａＮ領域（インジウムリッチ領域およびインジウムプア領域）が存在することを意味する。従って、伝導帯に存在する電子は一旦インジウムリッチ領域に落ち、そこから価電子帯に存在する正孔と再結合することによりｈνのエネルギーを放出する。言い換えると、電子キャリアと正孔キャリアとが井戸層のインジウムリッチ領域（相）に局在化し、局在エキシトンを形成し、レーザの閾値電流を低下させる助けとなるとともに、レーザの発光出力を向上させる。
【００５８】
このような井戸層に、シリコン等のドナー不純物および／またはアクセプター不純物をドープすると、伝導帯と価電子帯との間に、さらに不純物レベルのエネルギー準位が形成される。そのため、電子キャリアは、より深い不純物レベルのエネルギー準位に落ち、正孔キャリアは、ｐ型不純物のレベルに移動して、そこで電子キャリアと正孔キャリアとが再結合してより小さなエネルギーｈνを放出する。このことは、電子キャリアと正孔キャリアとがより一層局在化し、この一層局在化して形成されたエキシトンの効果によりレーザデバイスの閾値電流が低下するものと信じられる。井戸層にドープする不純物としては、シリコンおよびゲルマニウムが好ましく、特にシリコンが好ましい。特にシリコンをドープすることによりデバイスの閾値電流がさらに低下する傾向にある。なお、シリコン、マグネシウム等の不純物は、井戸層だけでなく、障壁層にもドープしてもよく、また多重量子井戸構造の活性層の場合には、井戸層１層のみ、または障壁層１層のみにドープしてもよい。
【００５９】
【実施例】
以下、本発明を実施例により説明する。
実施例１
本実施例では、図３に示す構造の窒化物半導体ＬＤデバイスを作製した。
【００６０】
まず、よく洗浄したスピネル基板１１（ＭｇＡｌ2 Ｏ4 ）を反応容器内にセットし、反応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った。
【００６１】
ついで、温度を５１０℃まで下げ、キャリアガスとして水素を用い、原料ガスとしてアンモニアとトリメチルガリウム（ＴＭＧ）とを用い、基板１１上にＧａＮバッファ層１２を約２００オングストロームの厚さに成長させた。
【００６２】
バッファ層成長後、ＴＭＧ流のみ止めてアンモニアガスを流しながら、温度を１０３０℃まで上昇させた。１０３０℃で、ＴＭＧガスを追加し、ドーパントガスとしてシランガス（ＳｉＨ4 ）を用いて、ｎ型コンタクト層１３としてＳｉドープｎ型ＧａＮ層を４μｍの厚さに成長させた。
【００６３】
次に、温度を８００℃に下げ、原料ガスとしてＴＭＧ、ＴＭＩ（トリメチルインジウム）およびアンモニアを用い、不純物ガスとしてシランガスを用いて、ＳｉドープＩｎ0.1 Ｇａ0.9 Ｎよりなるクラック防止層３０を５００オングストロームの厚さに成長させた。
【００６４】
ついで、温度を１０３０℃に上げ、原料ガスとしてトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）、ＴＭＧおよびアンモニアを用い、ドーパントとしてシランを用い、Ｓｉドープｎ型Ａｌ0.2 Ｇａ0.8 Ｎよりなる第３のｎ型窒化物半導体層２０３を０．５μｍの厚さに成長させた。
【００６５】
次に、温度を８００℃に下げ、ＴＭＡ流のみ止めて、Ｓｉドープｎ型ＧａＮよりなる第２のｎ型窒化物半導体層２０２を０．２μｍの厚さに成長させた。
ついで、温度を１０５０℃に上げ、原料ガスにＴＭＡ、ＴＭＧおよびアンモニアを用い、ドーパントとしてシランを用いて、Ｓｉドープｎ型Ａｌ0.1 Ｇａ0.9 Ｎよりなる第１のｎ型窒化物半導体層２０１を３００オングストロームの厚さに成長させた。
【００６６】
次に原料ガスとしてＴＭＧ、ＴＭＩおよびアンモニアを用いて活性層１６を以下の通りに成長させた。まず、温度を８００℃に保持して、ノンドープＩｎ0.2 Ｇａ0.8 Ｎ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た。次にＴＭＩのモル比を変化させて、同一温度で、ノンドープＩｎ0.01Ｇａ0.99Ｎ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、全部で７層の多重量子井戸構造の活性層を成長させた。
【００６７】
次に、温度を１０５０℃に上げ、ＴＭＧ、ＴＭＡ、アンモニア、シクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ2 Ｍｇ）を用い、Ｍｇドープｐ型Ａｌ0.1 Ｇａ0.9 Ｎよりなる第１のｐ型窒化物半導体層１０１を３００オングストロームの厚さに成長させた。
【００６８】
続いて、１０５０℃で、ＴＭＧ、アンモニア、およびＣｐ2 Ｍｇを用いて、Ｍｇドープｐ型ＧａＮよりなる第２のｐ型窒化物半導体層１０２を０．２μｍの厚さに成長させた。
【００６９】
ついで、１０５０℃で、ＴＭＧ、ＴＭＡ、アンモニア、シクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ2 Ｍｇ）を用い、、Ｍｇドープｐ型Ａｌ0.2 Ｇａ0.8 Ｎよりなる第３のｐ型窒化物半導体層１０３を０．５μｍの厚さに成長させる。
【００７０】
最後に、１０５０℃でＭｇドープｐ型ＧａＮよりなるｐ型コンタクト層１７を０．５μｍの厚さに成長させた。
全ての反応終了後、温度を室温まで下げてウェーハを反応容器から取り出し、７００℃でウェーハのアニーリングを行い、ｐ型層をさらに低抵抗化した。次に、最上層のｐ型コンタクト層１７からｎ型コンタクト層１３の表面が露出するまでストライプ状にエッチングした。エッチング後、ｐ型コンタクト層１７の表面に二酸化シリコンよりなる電流狭窄層１８を形成し、これにコンタクトホールを形成した後、電流狭窄層３０を介して、ｐ型コンタクト層１７と接するようにＮｉとＡｕよりなる正電極２０をストライプ状に形成した。一方ＴｉとＡｌよりなる負電極１９をストライプ状に形成した。
【００７１】
次に、ウェーハをストライプ状の電極に垂直な方向でバー状に切断し、切断面を研磨して平行鏡を作成した後、平行鏡にＳｉＯ2 とＴｉＯ2 とを交互に積層した誘電体多層膜を形成した。最後に電極に平行な方向で、バーを切断してストライプサイズ４μｍ×６００μｍのレーザチップとした後、チップをヒートシンクに設置し、常温でレーザ発振を試みたところ、パルス電流下（パルス幅１０マイクロ秒、デューティ比１０％）で、発振波長４００ｎｍのレーザ発振が確認され、閾値パルス電流密度＝２ｋＡ／ｃｍ2 、Ｔ0 （特性温度）＝２００Ｋであった。
【００７２】
次に、デバイスの閾値電流密度の温度依存性により本発明のＬＤデバイスを評価した。ＬＤの閾値電流密度Ｊthは、
ｅｘｐ（Ｔ／Ｔ0 ）
（但し、Ｔ：動作温度（Ｋ）、Ｔ0 ：特性温度（Ｋ））に比例する。すなわち、Ｔ0 が大きいほどＬＤデバイスは、高温でも閾値電流密度が低く安定に動作する。
【００７３】
実施例１のデバイスにおいて、第１の窒化物半導体層１０１、２０１をいずれも形成しなかった場合は、レーザ発振しなかった。また、実施例１において、第１の窒化物半導体層１０１、２０１のいずれか一方のみを形成しなかった場合の本発明のＬＤデバイスは、Ｊth＝３ｋＡ／ｃｍ2 、Ｔ0 は１００Ｋであった。実施例１のＬＤデバイスは、第１の窒化物半導体層１０１、２０１双方のＡｌj Ｇａ1-j Ｎのｊ値が０．１の場合（実施例１）、前に述べたように、Ｊth＝２ｋＡ／ｃｍ2 、Ｔ0 ＝２００Ｋであったが、ｊ値が０．２の場合は、Ｊth＝１．５ｋＡ／ｃｍ2 、Ｔ0 ＝３００Ｋ、ｊ値が０．３の場合はＪth＝１．４ｋＡ／ｃｍ2 、Ｔ0 ＝４００Ｋであり、本発明のＬＤデバイスの温度特性が非常に優れていることを示している。
【００７４】
実施例２
第１のｎ側窒化物半導体層２０１を成長させなかった以外は、実施例１と同様にして本発明のＬＤデバイスを得た。このＬＤは図１に示すＬＤデバイスと同一の構造を有しており、図１のｎ型キャリア閉じ込め層（光閉じ込め層）１４が、第３のｎ側窒化物半導体層２０３に相当し、ｎ型光ガイド層１５が、第２のｎ側窒化物半導体層２０２に相当するものである。このＬＤデバイスはＪth＝３ｋＡ／ｃｍ2 で発振波長４００ｎｍのレーザ発振が確認され、Ｔ0 ＝１００Ｋであった。
【００７５】
実施例３
第１のｐ側窒化物半導体層１０１を成長させなかった以外は、実施例１と同様にして本発明のＬＤデバイスを得た。このＬＤは図２に示すＬＤデバイスと同一の構造を有しており、図２のｐ型キャリア閉じ込め層（光閉じ込め層）３２が、第３のｐ側窒化物半導体層１０３に相当し、ｐ型光ガイド層３１が、第２のｐ側窒化物半導体層１０２に相当するものである。このＬＤデバイスは、実施例２のＬＤと同じく、Ｊth＝３ｋＡ／ｃｍ2 で発振波長４００ｎｍのレーザ発振が確認され、Ｔ0 ＝１００Ｋであった。
【００７６】
実施例４
活性層１６を、５０オングストロームの膜厚のノンドープＩｎ0.2 Ｇａ0.8 Ｎの井戸層よりなる単一量子井戸構造とし、第１のｐ型窒化物半導体層１０１をＡｌ0.3 Ｇａ0.7 Ｎで形成した以外は、実施例２と同様にして本発明のＬＤデバイスを得た。このＬＤもＪth＝５ｋＡ／ｃｍ2 で発振波長４１０ｎｍのレーザ発振が確認され、Ｔ0 ＝５０Ｋであった。
【００７７】
実施例５
第２のｎ型窒化物半導体層２０２をＳｉドープｎ型Ｉｎ0.01Ｇａ0.99Ｎで形成し、第２のｐ型窒化物半導体１０２をＭｇドープｐ型Ｉｎ0.01Ｇａ0.99Ｎで形成した以外は実施例１と、同様にしてＬＤデバイスを作製した。このＬＤデバイスは、実施例１のＬＤデバイスと全く同一の特性を示した。
【００７８】
実施例６
活性層の井戸層および障壁層に、それぞれ、ドナー不純物としてシリコンを１×１０19／ｃｍ3 の濃度でドープした以外は、実施例１と同様にして本発明のＬＤデバイスを作製した。このＬＤデバイスは、実施例１のＬＤデバイスに比べて、閾値電流がおよそ５％低下し、Ｔ0 はおよそ１０％向上した。
【００７９】
実施例７
活性層の井戸層および障壁層に、それぞれ、アクセプター不純物としてマグネシウムを１×１０18／ｃｍ3 の濃度でドープした以外は、実施例１と同様にして本発明のＬＤデバイスを作製した。このＬＤデバイスは、実施例１のＬＤデバイスとほぼ同等の特性を示した。
【００８０】
実施例８
活性層の井戸層および障壁層に、それぞれ、ドナー不純物としてシリコンを１×１０19／ｃｍ3 の濃度でおよびアクセプター不純物としてマグネシウムを１×１０18／ｃｍ3 の濃度でドープした以外は、実施例１と同様にして本発明のＬＤデバイスを作製した。このＬＤデバイスは、実施例６のＬＤデバイスとほぼ同等の特性を示した。
【００８１】
実施例９
各ノンドープＩｎ0.2 Ｇａ0.8 Ｎ（平均組成）井戸層形成後、５秒間そのまま保持してから各障壁層を形成した以外は、実施例１と同様にしてＬＤデバイスを作製した。このＬＤデバイスにおいて、井戸層は、インジウムリッチ領域とインジウムプア領域とに相分離しており、インジウムリッチ領域は組成がほぼＩｎ0.4 Ｇａ0.6 Ｎに相当し、インジウムプア領域は組成がほぼＩｎ0.02Ｇａ0.98Ｎに相当するものであった。また、井戸層の断面ＴＥＭ写真により、それぞれ平均で３０オングストロームの大きさのインジウムリッチ領域とインジウムプア領域とが面方向に互いに交互に規則的に並んでいることが確認された（図５参照）。こうして作製したＬＤデバイスは、実施例１のＬＤデバイスに対して閾値電流密度においておよそ３０％低下し、Ｔ0 において２０％向上していた。
【００８２】
実施例１０
各井戸層にシリコンをドープした以外は実施例９と同様にしてＬＤデバイスを作製した。このＬＤデバイスは、実施例１のＬＤデバイスに対して閾値電流密度においておよそ４０％低下し、Ｔ0 において３０％向上していた。
なお、上記各実施例において、濃度を特に指摘しなかった不純物も、いずれも先に述べた好ましい範囲内でドープしたものであった。
【００８３】
以上説明した実施例では、最も好ましい例として、活性層と、第１の窒化物半導体層と、第２の窒化物半導体層と、第３の窒化物半導体層とが接して形成されている例について説明したが、本発明では活性層に接して形成されているのは、第１の窒化物半導体層のみでよく、第１の窒化物半導体層と第２の窒化物半導体層との間、第２の窒化物半導体層と第３の窒化物半導体層との間に、他の窒化物半導体層を挿入することもできる。ドープした不純物の濃度は、
【００８４】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、インジウムを含む窒化物半導体を包含する活性層を有する窒化物半導体素子であって、発光効率が高い窒化物半導体デバイスが提供され、またデバイス温度が上昇しても発光効率の低下が少ない窒化物半導体デバイスが提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の態様に係るＬＤデバイスを概略的に示す断面図。
【図２】本発明の第２の態様に係るＬＤデバイスを概略的に示す断面図。
【図３】本発明の第３の態様に係るＬＤデバイスを概略的に示す断面図。
【図４】図３に示すデバイス構造に対応するエネルギーバンドを示す図。
【図５】本発明の第４の態様に係るＬＤデバイスを概略的に示す断面図。
【図６】従来のＬＤデバイスの層構造に対応するエネルギーバンドを示す図。
【符号の説明】
１１…基板
１３…ｎ型コンタクト層
１４…ｎ型キャリア閉じ込め層
１５…ｎ型光ガイド層
１６，５４…活性層
１７…ｐ型コンタクト層
１９…負電極
２０…正電極
３０…クラック防止層
５２…第１のクラッド層
５４ａ…インジウムリッチ領域
５４ｂ…インジウムプア領域
５６…第２のクラッド層
１０１…第１のｐ側窒化物半導体層
１０２…第２のｐ側窒化物半導体層
１０３…第３のｐ側窒化物半導体層
２０１…第１のｎ側窒化物半導体層
２０２…第２のｎ側窒化物半導体層
２０３…第３のｎ側窒化物半導体層。
Claims (7)
- 活性層とクラッド層の間に光ガイド層を形成した分離閉じ込め型の窒化物半導体レーザダイオードにおいて、
前記活性層が、Ｉｎを含有する窒化物半導体より成る井戸層を有する量子井戸構造を有し、
前記活性層のｐ側に、Ａｌを含む窒化物半導体から成り、膜厚が５００オングストローム以下であり、前記活性層に接する第１の窒化物半導体層と、ＩｎｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）から成り、光ガイド層として作用する第２の窒化物半導体層と、Ａｌを含む窒化物半導体から成り、クラッド層として作用し、前記第２の窒化物半導体層に接する第３の窒化物半導体層とを、順次積層したことを特徴とする窒化物半導体レーザダイオード。 - 前記井戸層が、ＩｎＧａＮより成ることを特徴とする請求項１に記載の窒化物半導体レーザダイオード。
- 前記活性層が、Ｉｎ組成が互いに異なる窒化物半導体を積層した多重量子井戸構造であることを特徴とする請求項１又は２に記載の窒化物半導体レーザダイオード。
- 前記第２の窒化物半導体層が、ＩｎＧａＮから成ることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の窒化物半導体レーザダイオード。
- 前記第１の窒化物半導体層が、ｙ値が０．２以上のＡｌｙＧａ１−ｙＮから成ることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の窒化物半導体レーザダイオード。
- 前記第２の窒化物半導体層が、前記第１の窒化物半導体層に接して設けられていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の窒化物半導体レーザダイオード。
- 前記第３の窒化物半導体層が、前記第１の窒化物半導体層よりも厚く形成されていることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の窒化物半導体レーザダイオード。
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