JP3711020B2 - 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、圧電効果を有する材料により形成される発光素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＧａＮ、ＧａＩｎＮ、ＡｌＧａＮ、ＡｌＧａＩｎＮ等のIII 族窒化物半導体（以下、窒化物系半導体と呼ぶ。）を用いた半導体レーザ素子、発光ダイオード等の半導体発光素子は、可視から紫外にわたる領域の光を発生する発光素子として応用が期待されている。
【０００３】
これらの応用の中で、ＧａＩｎＮ量子井戸層を発光層とする半導体発光素子の実用化に向けて開発が盛んに行われている。このような半導体発光素子は、サファイア、炭化ケイ素（ＳｉＣ）等の基板の（０００１）面上に、ＭＯＶＰＥ法（有機金属気相成長法）やＭＢＥ法（分子線エピタキシャル成長法）により作製されている。
【０００４】
図４２は従来のＧａＮ系半導体発光素子の構成を示す模式的断面図である。図４２の半導体発光素子は、特開平６−２６８２５７号公報に開示されている。
【０００５】
図４２において、サファイア基板６１上に、ＧａＮからなるバッファ層６２、ｎ−ＧａＮからなるｎ−コンタクト層６３、多重量子井戸（ＭＱＷ）構造を有する発光層６４、およびｐ−ＧａＮからなるｐ−キャップ層６５が順に形成されている。発光層６４は、組成の異なるＧａＩｎＮからなる複数の障壁層６４ａおよび量子井戸層６４ｂが交互に積層されてなる。
【０００６】
このような従来の半導体発光素子の製造方法では、通常、ほぼ（０００１）面を主面とするサファイア基板６１を用い、例えばＭＯＶＰＥ法により、サファイア基板上にバッファ層６２からｐ−キャップ層６５までの各層を順次形成する。この際、ｎ−コンタクト層６３からｐ−キャップ層６５までの各層は、窒化物系半導体の［０００１］方向に結晶成長する。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、一般的に閃亜鉛鉱構造、ウルツ鉱構造等の対称中心を持たない結晶では、歪により圧電効果が発生することがある。例えば、閃亜鉛鉱構造では、［１１１］軸に関して圧縮または伸張する歪において圧電効果が最も大きくなる。また、ウルツ鉱構造では、［０００１］軸に関して圧縮または伸張する歪において圧電効果が最も大きくなる。
【０００８】
上記の従来の半導体発光素子において、ＧａＩｎＮからなる発光層６４は、（０００１）面を主面とする量子井戸構造を有する。ＧａＩｎＮからなる量子井戸層６４ｂの格子定数は、ｎ−ＧａＮからなるｎ−コンタクト層６３の格子定数よりも大きいので、量子井戸層６４ｂには量子井戸の面内方向（界面に平行な方向）に圧縮歪が加わり、量子井戸の閉じ込め方向（界面に垂直な方向）には引張り歪が加わる。その結果、圧電効果に伴う電位勾配が量子井戸層６４ｂ中に発生し、［０００１］方向側の電位が低く、［０００-1］方向側の電位が高くなる。この場合の量子井戸構造の発光層６４のエネルギーバンドを図４３に示す。なお、図４３には、５層の障壁層６４ａおよび４層の量子井戸層６４ｂが示される。
【０００９】
図４３に示すように、発光層６４内の量子井戸層６４ｂに電位勾配が発生するため、図４４に示すように、注入された電流による電子と正孔とが空間的に分離する。その結果、半導体発光素子において、発光効率が低下する。特に、半導体レーザ素子においては、しきい値電流が高くなる。
【００１０】
発光層６４の量子井戸層６４ｂに不純物を添加すると、キャリアの移動により電位勾配が減少する効果が現れる。しかし、量子井戸層６４ｂにｐ型不純物およびｎ型不純物の両方が添加されると、キャリアが補償され、キャリア濃度が低下する。それにより、キャリアの移動により電位勾配が減少する効果が小さくなる。特に、量子井戸層６４ｂに添加されたｐ型不純物の濃度とｎ型不純物の濃度とがほぼ等しい場合には、キャリアの移動により電位勾配が減少する効果がさらに小さくなる。
【００１１】
このような現象は、閃亜鉛鉱構造やウルツ鉱構造等の他のIII −Ｖ族化合物半導体（例えばＧａＩｎＰ系半導体、ＧａＡｓ系半導体またはＩｎＰ系半導体）、II−VI族半導体、Ｉ−VII 族半導体においても発生する。特に、窒化物系半導体では圧電効果が大きいため、圧電効果により発生する電位勾配が大きくなり、発光効率の低下やしきい値電流および動作電流の上昇が顕著に現れる。
【００１２】
本発明の目的は、発光効率が高く動作電流またはしきい値電流が低い発光素子を提供することである。
【００１３】
【課題を解決するための手段および発明の効果】
本発明に係る発光素子は、圧電効果の発生を伴う歪を有する発光層が第１のｎ型層と第１のｐ型層とに挟まれるように配置された発光素子であって、発光層は、圧電効果の発生を伴う歪を有する１つ以上の井戸層と、井戸層を挟むように配置された２つ以上の障壁層とから構成される量子井戸構造を有し、圧電効果の結果として発生する電位勾配のため発光層の電位は第１のｎ型層側が第１のｐ型層側に比べて高く、少なくとも発光層と第１のｐ型層との間に発光層よりも大きい禁制帯幅を有する第２のｎ型層を有し、第２のｎ型層が光ガイド層であることを特徴とするものである。
【００１４】
本発明に係る発光素子においては、第２のｎ型層が発光層と第１のｐ型層との間に形成されたことにより、発光層の界面に垂直な方向に電子の移動が生じ、電子とイオン化したドナー準位とが空間的に分離され、界面に垂直な方向に圧電効果のために発生する電位勾配が低減される。それにより、電流として注入される電子と正孔との分離が抑制されるので、利得が得られやすくなり、発光効率の低下および動作電流またはしきい値電流の上昇が抑制される。
【００１５】
また、第１のｐ型層は第１のクラッド層を含み、第２のｎ型層の禁制帯幅が第１のクラッド層よりも小さくてもよい。この場合、第２のｎ型層の屈折率が第１のクラッド層よりも大きくなるため、第２のｎ型層が光ガイド層としての機能を有する。
【００１６】
本発明に係る発光素子は、圧電効果の発生を伴う歪を有する発光層が第１のｎ型層と第１のｐ型層とに挟まれるように配置された発光素子であって、発光層は、圧電効果の発生を伴う歪を有する１つ以上の井戸層と、前記井戸層を挟むように配置された２つ以上の障壁層とから構成される量子井戸構造を有し、圧電効果の結果として発生する電位勾配のため発光層の電位は第１のｎ型層側が第１のｐ型層側に比べて高く、少なくとも発光層と第１のｎ型層との間に発光層よりも大きい禁制帯幅を有する第２のｐ型層を有し、第２のｐ型層が光ガイド層であることを特徴とするものである。
【００１７】
本発明に係る発光素子においては、第２のｐ型層が発光層と第１のｎ型層との間に形成されることにより、発光層の界面に垂直な方向に正孔の移動が生じ、正孔とイオン化したアクセプタ準位とが空間的に分離され、界面に垂直な方向に圧電効果のために発生する電位勾配が低減される。それにより、電流として注入される電子と正孔との分離が抑制されるので、利得が得られやすくなり、発光効率の低下および動作電流またはしきい値電流の上昇が抑制される。
【００１８】
また、第１のｎ型層が第２のクラッド層を含み、第２のｐ型層の禁制帯幅が第２のクラッド層よりも小さくてもよい。この場合、第２のｐ型層の屈折率が第２のクラッド層よりも大きくなるため、第２のｐ型層が光ガイド層としての機能を有する。
【００１９】
発光層を構成する材料の構造はウルツ鉱構造であってもよい。ウルツ鉱構造の結晶においては、歪により圧電効果が発生する。したがって、発光層と第１のｐ型層との間に第２のｎ型層を設けるか、あるいは発光層と第１のｎ型層との間に第２のｐ型層を設けることにより、圧電効果のために発生した発光層の電位勾配が減少する。
【００２０】
発光層の主面はほぼ＜０００１＞方向であってもよい。ウルツ鉱構造の結晶では＜０００１＞軸に関して圧縮または伸張する歪による圧電効果が最も大きくなるので、第２のｎ型層または第２のｐ型層を形成することによる電位勾配の減少の効果が顕著に現れる。
【００２１】
発光層を構成する材料の構造は閃亜鉛鉱構造であってもよい。閃亜鉛鉱構造の結晶においては、歪により圧電効果が発生する。したがって、発光層と第１のｐ型層との間に第２のｎ型層を設けるかまたは発光層と第１のｎ型層との間に第２のｐ型層を設けることにより、圧電効果のために発生した発光層の電位勾配が減少する。
【００２２】
また、発光層の主面はほぼ＜１１１＞方向であってもよい。閃亜鉛鉱構造の結晶では、＜１１１＞軸方向に関して圧縮または伸張する歪による圧電効果が最も大きくなるので、第２のｎ型層または第２のｐ型層を形成することによる電位勾配の減少の効果が顕著に現れる。
【００２３】
圧電効果の発生を伴う歪は、発光層の面内方向に発光層を圧縮する歪を含んでもよい。この場合には、発光層の面内方向に発光を圧縮する歪により圧電効果が発生する。したがって、発光層と第１のｐ型層との間に第２のｎ型層を形成するかあるいは発光層と第１のｎ型層との間に第２のｐ型層を形成することにより、圧電効果のために発生する電位勾配が低減される。
【００２４】
圧電効果の発生を伴う歪は、発光層の面内方向に発光層を伸張する歪を含んでもよい。この場合には、発光層の面内方向に発光層を伸張する歪により圧電効果が発生する。したがって、発光層と第１のｐ型層との間に第２のｎ型層を形成するかあるいは発光層と第１のｎ型層との間に第２のｐ型層を形成することにより、圧電効果のために発生する電位勾配が低減される。
【００２５】
発光層を構成する材料はIII −Ｖ族化合物半導体であってもよい。また、III −Ｖ族化合物半導体は、ホウ素、ガリウム、アルミニウムおよびインジウムの少なくとも１つを含む窒化物系半導体であってもよい。特に、窒化物系半導体では圧電効果が大きいため、圧電効果により発生する電位勾配が大きくなる。したがって、発光層と第１のｐ型層との間に第２のｎ型層を形成するかあるいは発光層と第１のｎ型層との間に第２のｐ型層を形成することによる電位勾配の減少の効果が顕著に現れる。
【００２６】
発光層を構成する材料はＩＩ−ＶＩ族化合物半導体であってもよい。この場合にも、発光層と第１のｐ型層との間に第２のｎ型層を形成するかあるいは発光層と第１のｎ型層との間に第２のｐ型層を形成することにより、圧電効果のために発生する電位勾配を低減することができる。
【００２８】
また、量子井戸構造の発光層中にアクセプタ準位およびドナー準位のうち少なくとも一方の準位が量子井戸構造の閉じ込め方向に圧電効果の結果として発生する電位勾配を低減するように不均一に形成されてもよい。
【００２９】
この場合、量子井戸構造の発光層中にアクセプタ準位およびドナー準位のうち少なくとも一方の準位が不均一に形成されることにより、量子井戸構造の閉じ込め方向に圧電効果のために発生する電位勾配がさらに低減される。それにより、電流として注入される電子と正孔との分離がさらに抑制されるので、利得が得られやすくなり、発光効率の低下および動作電流またはしきい値電流の上昇がさらに抑制される。
【００３０】
発光層は、２つ以上の井戸層と、井戸層を挟む３つ以上の障壁層とにより構成される多重量子井戸構造を有してもよい。また、発光層は、１つの井戸層と、井戸層を挟む２つの障壁層とにより構成される単一量子井戸構造を有してもよい。
【００３１】
井戸層内において、圧電効果の結果として発生する電位の高い側に電位の低い側に比べてアクセプタ準位が多く形成されてもよい。
【００３２】
この場合、量子井戸構造の閉じ込め方向に正孔の移動が生じ、正孔とイオン化したアクセプタ準位とが空間的に分離する。それにより、圧電効果のために発生した井戸層の電位勾配が減少する。
【００３３】
井戸層内において、圧電効果の結果として発生する電位の低い側に電位の高い側に比べてドナー準位が多く形成されてもよい。
【００３４】
この場合、量子井戸構造の閉じ込め方向に電子の移動が生じ、電子とイオン化したドナー準位とが空間的に分離する。それにより、圧電効果のために発生した井戸層の電位勾配がさらに減少する。
【００３５】
障壁層内において、圧電効果の結果として発生する電位の高い側の井戸層の界面と接する部分に電位の低い側の井戸層の界面と接する部分に比べてアクセプタ準位が多く形成されてもよい。
【００３６】
この場合、量子井戸構造の閉じ込め方向に正孔の移動が生じ、正孔とイオン化したアクセプタ準位とが空間的に分離する。それにより、圧電効果のために発生した井戸層の電位勾配がさらに減少する。
【００３７】
障壁層内において、圧電効果の結果として発生する電位の低い側の井戸層の界面と接する部分に電位の高い側の井戸層の界面と接する部分に比べてドナー準位が多く形成されてもよい。
【００３８】
この場合、量子井戸構造の閉じ込め方向に電子の移動が生じ、電子とイオン化したドナー準位とが空間的に分離する。それにより、圧電効果のために発生した井戸層の電位勾配がさらに減少する。
【００３９】
量子井戸層構造の発光層中にアクセプタ準位およびドナー準位の両方が形成されてもよい。この場合、電子と正孔とが補償され、アクセプタ準位およびドナー準位の形成によるキャリアはほとんど発生しないが、イオン化したアクセプタ準位とイオン化したドナー準位とにより圧電効果のために発生した電位勾配が減少する。
【００４０】
アクセプタ準位の濃度とドナー準位の濃度とがほぼ等しくてもよい。この場合には、キャリアが補償されやすいが、電位勾配が減少する効果は大きい。
【００４１】
【発明の実施の形態】
（Ａ）第１の実施の形態
第１の実施の形態の発光素子は、（０００１）面を主面とするウルツ鉱構造の発光層を有する。この発光層は、発光層の面に垂直な方向（界面に垂直な方向）に歪を有する。このような発光層中には、圧電効果により電位勾配が形成される。
【００４２】
ここで、歪みを有する発光層は、１つの量子井戸層が２つの障壁層の間に挟まれた単一量子井戸構造（ＳＱＷ構造）であってもよく。また２つ以上の井戸層と３つ以上の障壁層とが交互に積層されてなる多重量子井戸構造（ＭＱＷ構造）であってもよい。ＳＱＷ構造およびＭＱＷ構造のような量子井戸構造を有する発光層においては、井戸層が歪みを有しており、井戸層内に圧電効果により電位勾配が形成される。
【００４３】
発光層はｐ型層とｎ型層とに挟まれるように配置される。ｐ型層にはｐ電極が形成されており、ｐ電極からｐ型層に正孔が注入される。ｎ型層にはｎ電極が形成されており、ｎ電極からｎ型層に電子が注入される。
【００４４】
III −Ｖ族化合物半導体において、発光層が面内方向（界面に平行な方向）に圧縮歪を有し、発光層の界面に垂直な方向に伸張する歪を有する場合、圧電効果により発生した発光層中の電位勾配において、［０００-1］方向側の電位が高く、［０００１］方向側の電位が低い。このような歪を発光層に有し、［０００１］方向側にｐ型層を有し、［０００-1］方向側にｎ型層を有している発光素子において、発光層における電位は、ｎ型層側の方がｐ型層側に比べて高い。なお、発光層が量子井戸構造を有する場合において、量子井戸層内における電位は、ｎ型層側の方がｐ型層側に比べて高い。圧電効果のために発生した電位勾配を減少させるためには、ｐ型層と発光層との間に、発光層に比べて大きな禁制帯幅を有するｎ型の逆導電型層を形成する。あるいは、ｎ型層と発光層との間に、発光層に比べて大きな禁制帯幅を有するｐ型の逆導電型層を形成する。このような方法により、発光層が単層構造を有する場合、および量子井戸構造を有する場合のいずれにおいても、同様の効果が得られる。
【００４５】
さらに、発光層が量子井戸構造を有する場合においては、量子井戸層にアクセプタ準位またはドナー準位を不均一に形成することで、圧電効果のために発生した発光層の電位勾配をさらに低減することができる。この場合、アクセプタ準位を量子井戸層中の［０００-1］方向側の部分に多く形成し、または障壁層中で量子井戸層の［０００-1］方向側の界面と接する部分に多く形成する。あるいは、ドナー準位を量子井戸層中の［０００１］方向側の部分に多く形成し、または障壁層中で量子井戸層の［０００１］方向側の界面と接する部分に多く形成する。
【００４６】
一方、III −Ｖ族化合物半導体において、発光層が面内方向（界面に平行な方向）に伸張する歪を有し、発光層の界面に垂直な方向に圧縮歪を有する場合、圧電効果により発生した発光層中の電位勾配において、［０００１］方向側の電位が高く、［０００-1］方向側の電位が低い。このような歪を発光層に有し、［０００１］方向側にｎ型層を有し、［０００-1］方向側にｐ型層を有している発光素子において、発光層における電位は、ｎ型層側の方がｐ型層側に比べて高い。なお、発光層が量子井戸構造を有する場合において、量子井戸層内における電位は、ｎ型層側の方がｐ型層側に比べて高い。圧電効果のために発生した電位勾配を減少させるためには、ｐ型層と発光層との間に、発光層に比べて大きな禁制帯幅を有するｎ型の逆導電型層を形成する。あるいは、ｎ型層と発光層との間に、発光層に比べて大きな禁制帯幅を有するｐ型の逆導電型層を形成する。このような方法により、発光層が単層構造を有する場合、および量子井戸構造を有する場合のいずれにおいても、同様の効果が得られる。
【００４７】
さらに、発光層が量子井戸構造を有する場合においては、量子井戸層にアクセプタ準位またはドナー準位を不均一に形成することで、圧電効果のために発生した発光層の電位勾配をさらに低減することができる。この場合、アクセプタ準位を量子井戸層中の［０００１］方向側の部分に多く形成し、または障壁層中で量子井戸層の［０００１］方向側の界面と接する部分に多く形成する。あるいは、ドナー準位を量子井戸層中の［０００-1］方向側の部分に多く形成し、または障壁層中で量子井戸層の［０００-1］方向側の界面と接する部分に多く形成する。
【００４８】
図１は本発明の第１〜第８の実施例における半導体レーザ素子の構成を示す模式的斜視図である。
【００４９】
図１において、サファイア基板１の（０００１）面上に厚さ１５ｎｍ程度のＡｌＧａＮからなるバッファ層２が形成されている。このバッファ層２上に、厚さ０．５μｍ程度のアンドープＧａＮ層３、厚さ４μｍ程度のｎ−ＧａＮからなるｎ−コンタクト層４、厚さ０．１μｍ程度のｎ−ＧａＩｎＮからなるｎ−クラック防止層５、厚さ０．４５μｍ程度のｎ−ＡｌＧａＮからなるｎ−クラッド層６、厚さ５０ｎｍ程度のｎ−ＧａＮからなるｎ−クラッド層７、および厚さ５０ｎｍ程度のＧａＩｎＮからなる発光層８が順に形成されている。この場合においては、ｎ−クラッド層７が光ガイド層としての機能も兼ね備えている。
【００５０】
なお、後述するように、第１の実施例の半導体レーザ素子の発光層８は、単層構造を有する。また、第２〜第８の実施例の半導体レーザ素子の発光層８は、多重量子井戸構造を有する。
【００５１】
発光層８上に、厚さ４０ｎｍ程度のｎ−ＧａＮからなるｎ−逆導電型層９、厚さ０．４５μｍ程度のｐ−ＡｌＧａＮからなるｐ−クラッド層１０および厚さ５０ｎｍ程度のｐ−ＧａＮからなるｐ−キャップ層１１が順に形成されている。
【００５２】
ｐ−キャップ層１１上には、厚さ０．２μｍ程度のシリコン窒化物からなる電流狭窄層（電流ブロック層）１４が形成されている。電流狭窄層１４は、幅２μｍ程度のストライプ状開口部を有し、このストライプ状開口部が電流通路１３となる。
【００５３】
電流狭窄層１４のストライプ状開口部内およびｐ−キャップ層１１上および電流狭窄層１４上には、厚さ３〜５μｍのｐ−ＧａＮからなるｐ−コンタクト層１２が形成されている。アンドープＧａＮ層３からｐ−コンタクト層１２までの各層はウルツ鉱構造を有し、これらの窒化物系半導体の［０００１］方向に成長している。
【００５４】
ｐ−コンタクト層１２からｎ−コンタクト層４までの一部領域が除去され、ｎ−コンタクト層４の表面が露出している。それにより、幅約１０μｍのメサ形状が形成されている。ｐ−コンタクト層１２上にｐ電極１５が形成され、ｎ−コンタクト層４の露出した表面上にｎ電極１６が形成されている。
【００５５】
上記の半導体レーザ素子は、ＩｎＧａＮからなり（０００１）面を主面とする発光層８を有するとともに、発光層８の［０００１］方向にｐ−クラッド層１０を有し、発光層８の［０００-1］方向側にｎ−クラッド層７を有する。この場合、発光層８の面内方向（界面に平行な方向）に圧縮歪が発生し、発光層８の界面に垂直な方向に伸張する歪が発生する。その結果、発光層８内に圧電効果に伴う電位勾配が形成される。この電位勾配において、ｎ−クラッド層７が形成された［０００-1］方向側の電位が高く、ｐ−クラッド層１０が形成された［０００１］側の電位が低い。
【００５６】
以下の第１〜第８の実施例では、発光層８に形成される電位勾配を低減するために、ｐ−クラッド層１０と発光層８との間に、発光層８に比べて大きな禁制帯幅を有するｎ−ＧａＮからなるｎ−逆導電型層９が形成されている。なお、ｎ−逆導電型層９の厚さは１〜１００ｎｍ程度であることが好ましく、例えばこの場合においては４０ｎｍ程度である。また、ｎ−逆導電型層９のドナー準位の濃度は１×１０17〜３×１０18ｃｍ-3程度であることが好ましい。さらに、後述のように、ｎ−逆導電型層９は、ｐ−クラッド層１０に比べて屈折率が高いため、光ガイド層としての機能も兼ね備えている。
【００５７】
（１）第１の実施例
図２および図３は第１の実施例の半導体レーザ素子におけるｎ−クラッド層７、発光層８、ｎ−逆導電型層９およびｐ−クラッド層１０のエネルギーバンド図である。なお、実施例１の半導体レーザ素子において、発光層８は単層構造を有する。
【００５８】
ここで、厚さ０．５μｍ程度のアンドープＧａＮ層３および厚さ４μｍ程度のｎ−ＧａＮからなるｎ−コンタクト層４の格子定数に比べて、ＩｎＧａＮからなる発光層８の格子定数が大きいので、発光層８の面内方向（界面に平行な方向）に圧縮歪が発生し、発光層８の界面に垂直な方向に伸張する歪が発生する。
【００５９】
図２に示すように、発光層８には圧電効果に伴う電位勾配が形成されているため、発光層８の禁制帯（エネルギーバンド）は勾配を有する。発光層８のエネルギーバンドにおいて、［０００１］方向側つまりｐ−クラッド層１０側が、［０００-1］方向側つまりｎ−クラッド層７側に比べて高い。
【００６０】
発光層８の［０００１］方向側つまりエネルギーバンドのエネルギーの高い側に、ドナー準位が形成されるとともに発光層８に比べて大きな禁制帯幅（エネルギーバンドギャップ）を有するｎ−ＧａＮからなるｎ−逆導電型層９が形成されている。このｎ−逆導電型層９の禁制帯幅は、ｐ−ＡｌＧａＮからなるｐ−クラッド層１０に比べて小さいので、ｎ−逆導電型層９の屈折率はｐ−クラッド層１０に比べ大きい。したがって、ｎ−逆導電型層９は光ガイド層としての機能も有している。
【００６１】
本実施例では、図２に示すように発光層８の［０００１］方向側、すなわちエネルギーバンドのエネルギーの高い側に発光層８に比べて大きな禁制帯幅を有するｎ−逆導電型層９が形成されているので、図３に示すように［０００-1］方向に電子の移動が生じ、電子とイオン化したドナー準位とが空間的に分離する。それにより、圧電効果のために発生した発光層８の電位勾配が減少し、エネルギーバンドの勾配も減少する。その結果、電流として注入された電子と正孔との分離が抑制されるので、発光効率の低下およびしきい値電流の上昇が抑制される。
【００６２】
上記の実施例１においては、発光層８が単層構造を有する場合について説明したが、以下の実施例２〜８においては、発光層８が多重量子井戸構造（ＭＱＷ構造）を有する場合について説明する。
【００６３】
図４はＭＱＷ構造を有する発光層８（以下、ＭＱＷ発光層８と呼ぶ）のエネルギーバンド図である。
【００６４】
図４に示すようにＭＱＷ発光層８は、厚さ４ｎｍ程度のＧａＮからなる障壁層８ａと厚さ４ｎｍ程度のＧａＩｎＮからなる量子井戸層８ｂとが交互に積層されてなる多重量子井戸構造を有する。例えば、ＧａＮからなる障壁層８ａの数は５であり、ＧａＩｎＮからなる量子井戸層８ｂの数は４である。
【００６５】
ここで、厚さ０．５μｍ程度のアンドープＧａＮ層３および厚さ４μｍ程度のｎ−ＧａＮからなるｎ−コンタクト層４の格子定数に比べて、ＧａＩｎＮからなる量子井戸層８ｂの格子定数が大きいので、量子井戸の面内方向（界面に平行な方向）に圧縮歪が発生し、量子井戸の閉じ込め方向（界面に垂直な方向）に伸張する歪が発生する。その結果、ＭＱＷ発光層８内の量子井戸層８ｂに圧電効果に伴う電位勾配が形成され、ＭＱＷ発光層８内のエネルギーバンドは図４に示す構造となる。
【００６６】
図４に示すように、ＭＱＷ発光層８のエネルギーバンドにおいては、［０００１］方向側つまりｐ−クラッド層１０側が、［０００-1］方向側つまりｎ−クラッド層７側に比べて高い。
【００６７】
以下の第２〜第８の実施例では、量子井戸層８ｂに形成される電位勾配を低減するために、ＭＱＷ発光層８とｐ−クラッド層１０との間にｎ−ＧａＮからなるｎ−逆導電型層９が形成されるとともに、ＭＱＷ発光層８中にｐ型不純物およびｎ型不純物の少なくとも一方が不均一に添加される。
【００６８】
（２）第２の実施例
図５および図６は第２の実施例の半導体レーザ素子におけるＭＱＷ発光層８のエネルギーバンド図である。
【００６９】
図５に示すように、ＭＱＷ発光層８の［０００１］方向側つまりエネルギーバンドの高い側に、ＭＱＷ発光層８に比べて大きな禁制帯幅を有し、ドナー準位が形成されたＧａＮからなるｎ−逆導電型層９が形成されている。このｎ−逆導電型層９の禁制帯幅は、ｐ−ＡｌＧａＮからなるｐ−クラッド層１０の禁制帯幅に比べて小さいので、ｎ−逆導電型層９の屈折率はｐ−クラッド層１０の屈折率に比べて大きくなる。したがって、ｎ−逆導電型層９は光ガイド層としての機能も有している。
【００７０】
なお、ＭＱＷ発光層に比べて大きな禁制帯幅を有する逆導電型層は、ＭＱＷの電子に対する基底状態のエネルギーより逆導電型層の伝導帯のバンド下端のエネルギーが高く、かつＭＱＷの正孔に対する基底状態のエネルギーより、逆導電型層の価電子帯のバンド上端のエネルギーが低い半導体から構成される。
【００７１】
さらに、ｐ型不純物として例えばＭｇが量子井戸層８ｂ中の［０００-1］方向側つまりｎ−クラッド層７側に多くドープされている。具体的には、量子井戸層８ｂ中のｎ−クラッド層７側の厚さ約２ｎｍの部分にのみＭｇがドープされ、量子井戸層８ｂ中のｐ−クラッド層９側の厚さ約２ｎｍの部分にＭｇはドープされていない。
【００７２】
Ｍｇのドープ量としては、１×１０17〜１×１０21ｃｍ-3が好ましい。ｐ型不純物の不均一なドーピングの方法としては、これ以外の方法を用いてもよい。例えば、量子井戸層８ｂ中のｎ−クラッド層７側の界面から深さ約１ｎｍの部分に２×１０10〜２×１０14ｃｍ-2程度の濃度にｐ型不純物をデルタドーピングしてもよい。ｐ型不純物として、Ｍｇ以外にＢｅ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｚｎ、Ｃｄ、Ｈｇ等を用いてもよい。
【００７３】
本実施例では、図５に示すように、量子井戸層８ｂの［０００１］方向側つまりエネルギーバンドの高い側にＭＱＷ発光層８に比べて大きな禁制帯幅を有するｎ−逆導電型層９が形成されているので、図６に示すように、［０００-1］方向に電子の移動が生じ、電子とイオン化したドナー準位とが空間的に分離する。それにより、圧電効果のために発生した量子井戸層８ｂの電位勾配が減少し、エネルギーバンドの勾配も減少する。
【００７４】
さらに、本実施例では、図５に示すようにｐ型不純物として例えばＭｇが量子井戸層８ｂ中の［０００-1］方向側つまりｎ−クラッド層７側に多くドープされているので、図６に示すように［０００１］方向に正孔の移動が生じ、正孔とイオン化したｐ型不純物とが空間的に分離する。それにより、圧電効果のために発生した量子井戸層８ｂの電位勾配がさらに減少し、エネルギーバンドの勾配もさらに減少する。その結果、電流として注入された電子と正孔との分離がさらに抑制されるので、発光効率の低下およびしきい値電流の上昇がさらに抑制される。
【００７５】
（３）第３の実施例
図７および図８は第３の実施例の半導体レーザ素子におけるＭＱＷ発光層８のエネルギーバンド図である。
【００７６】
図７に示すように、ＭＱＷ発光層８の［０００１］方向側つまりエネルギーバンドの高い側に、ＭＱＷ発光層８に比べて大きな禁制帯幅を有し、ドナー準位が形成されたＧａＮからなるｎ−逆導電型層９が形成されている。このｎ−逆導電型層９の禁制帯幅は、ｐ−ＡｌＧａＮからなるｐ−クラッド層１０の禁制帯幅に比べて小さいので、ｎ−逆導電型層９の屈折率はｐ−クラッド層１０の屈折率に比べて大きくなる。したがって、ｎ−逆導電型層９は光ガイド層としての機能も有している。
【００７７】
なお、ＭＱＷ発光層に比べて大きな禁制帯幅を有する逆導電型層は、ＭＱＷの電子に対する基底状態のエネルギーより逆導電型層の伝導帯のバンド下端のエネルギーが高く、かつＭＱＷの正孔に対する基底状態のエネルギーより、逆導電型層の価電子帯のバンド上端のエネルギーが低い半導体から構成される。
【００７８】
さらに、ｎ型不純物として例えばＳｉが量子井戸層８ｂ中の［０００１］方向側つまりｐ−クラッド層１０側に多くドープされている。具体的には、量子井戸層８ｂ中のｐ−クラッド層１０側の厚さ約２ｎｍの部分にのみＳｉがドープされ、量子井戸層８ｂ中のｎ−クラッド層７側の厚さ約２ｎｍの部分にＳｉはドープされていない。
【００７９】
Ｓｉのドープ量としては、１×１０17〜１×１０21ｃｍ-3が好ましい。ｎ型不純物の不均一なドーピングの方法としては、これ以外の方法を用いてもよい。例えば、量子井戸層８ｂ中のｐ−クラッド層１０側の界面から深さ約１ｎｍの部分に２×１０10〜２×１０14ｃｍ-2程度の濃度にｎ型不純物をデルタドーピングしてもよい。ｎ型不純物として、Ｓｉ以外にＧｅ、Ｐｂ、Ｓ、Ｓｅ、Ｔｅ等を用いてもよい。
【００８０】
本実施例では、図７に示すように、量子井戸層８ｂの［０００１］方向側つまりエネルギーバンドの高い側にＭＱＷ発光層８に比べて大きな禁制帯幅を有するｎ−逆導電型層９が形成されているので、図８に示すように、［０００-1］方向に電子の移動が生じ、電子とイオン化したドナー準位とが空間的に分離する。それにより、圧電効果のために発生した量子井戸層８ｂの電位勾配が減少し、エネルギーバンドの勾配も減少する。
【００８１】
さらに、本実施例では、図７に示すようにｎ型不純物として例えばＳｉが量子井戸層８ｂ中の［０００１］方向側つまりｐ−クラッド層１０側に多くドープされているので、図８に示すように［０００-1］方向に電子の移動が生じ、電子とイオン化したｎ型不純物とが空間的に分離する。それにより、圧電効果のために発生した量子井戸層８ｂの電位勾配がさらに減少する。その結果、電流として注入された電子と正孔との分離がさらに抑制されるので、発光効率の低下およびしきい値電流のさらに上昇が抑制される。
【００８２】
（４）第４の実施例
図９および図１０は第４の実施例の半導体レーザ素子におけるＭＱＷ発光層８のエネルギーバンド図である。
【００８３】
図９に示すように、ＭＱＷ発光層８の［０００１］方向側つまりエネルギーバンドの高い側に、ＭＱＷ発光層８に比べて大きな禁制帯幅を有し、ドナー準位が形成されたＧａＮからなるｎ−逆導電型層９が形成されている。このｎ−逆導電型層９の禁制帯幅は、ｐ−ＡｌＧａＮからなるｐ−クラッド層１０の禁制帯幅に比べて小さいので、ｎ−逆導電型層９の屈折率はｐ−クラッド層１０の屈折率に比べて大きくなる。したがって、ｎ−逆導電型層９は光ガイド層としての機能も有している。
【００８４】
なお、ＭＱＷ発光層に比べて大きな禁制帯幅を有する逆導電型層は、ＭＱＷの電子に対する基底状態のエネルギーより逆導電型層の伝導帯のバンド下端のエネルギーが高く、かつＭＱＷの正孔に対する基底状態のエネルギーより、逆導電型層の価電子帯のバンド上端のエネルギーが低い半導体から構成される。
【００８５】
さらに、ｐ型不純物として例えばＭｇが障壁層８ａ中で量子井戸層８ｂの［０００-1］方向側つまりｎ−クラッド層７側の界面と接する部分に多くドープされている。具体的には、障壁層８ａ中で量子井戸層８ｂのｎ−クラッド層７側の界面と接する厚さ約２ｎｍの部分にのみＭｇがドープされ、障壁層８ａ中で量子井戸層８ｂのｐ−クラッド層１０側の界面と接する厚さ約２ｎｍの部分にＭｇはドープされていない。
【００８６】
Ｍｇのドープ量としては、１×１０17〜１×１０21ｃｍ-3が好ましい。ｐ型不純物の不均一なドーピングの方法としては、これ以外の方法を用いてもよい。例えば、障壁層８ａ中で量子井戸層８ｂのｎ−クラッド層７側の界面から深さ約１ｎｍの部分に２×１０10〜２×１０14ｃｍ-2程度の濃度にｐ型不純物をデルタドーピングしてもよい。ｐ型不純物として、Ｍｇ以外にＢｅ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｚｎ、Ｃｄ、Ｈｇ等を用いてもよい。
【００８７】
本実施例では、図９に示すように、量子井戸層８ｂの［０００１］方向側つまりエネルギーバンドの高い側にＭＱＷ発光層８に比べて大きな禁制帯幅を有するｎ−逆導電型層９が形成されているので、図１０に示すように、［０００-1］方向に電子の移動が生じ、電子とイオン化したドナー準位とが空間的に分離する。それにより、圧電効果のために発生した量子井戸層８ｂの電位勾配が減少し、エネルギーバンドの勾配も減少する。
【００８８】
さらに、本実施例では、図９に示すようにｐ型不純物として例えばＭｇが障壁層８ａ中で量子井戸層８ｂの［０００-1］方向側つまりｎ−クラッド層７側の界面と接する部分に多くドープされているので、図１０に示すように［０００１］方向に正孔の移動が生じ、正孔とイオン化したｐ型不純物とが空間的に分離する。それにより、圧電効果のために発生した量子井戸層８ｂの電位勾配がさらに減少する。その結果、電流として注入された電子と正孔との分離がさらに抑制されるので、発光効率の低下およびしきい値電流の上昇がさらに抑制される。
【００８９】
（５）第５の実施例
図１１および図１２は第５の実施例の半導体レーザ素子におけるＭＱＷ発光層８のエネルギーバンド図である。
【００９０】
図１１に示すように、ＭＱＷ発光層８の［０００１］方向側つまりエネルギーバンドの高い側に、ＭＱＷ発光層８に比べて大きな禁制帯幅を有し、ドナー準位が形成されたＧａＮからなるｎ−逆導電型層９が形成されている。このｎ−逆導電型層９の禁制帯幅は、ｐ−ＡｌＧａＮからなるｐ−クラッド層１０の禁制帯幅に比べて小さいので、ｎ−逆導電型層９の屈折率はｐ−クラッド層１０の屈折率に比べて大きくなる。したがって、ｎ−逆導電型層９は光ガイド層としての機能も有している。
【００９１】
なお、ＭＱＷ発光層に比べて大きな禁制帯幅を有する逆導電型層は、ＭＱＷの電子に対する基底状態のエネルギーより逆導電型層の伝導帯のバンド下端のエネルギーが高く、かつＭＱＷの正孔に対する基底状態のエネルギーより、逆導電型層の価電子帯のバンド上端のエネルギーが低い半導体から構成される。
【００９２】
さらに、ｎ型不純物として例えばＳｉが障壁層８ａ中で量子井戸層８ｂの［０００１］方向側つまりｐ−クラッド層１０側の界面と接する部分に多くドープされている。具体的には、障壁層８ａ中で量子井戸層８ｂのｐ−クラッド層１０側の界面と接する厚さ約２ｎｍの部分にのみＳｉがドープされ、障壁層８ａ中で量子井戸層８ｂのｎ−クラッド層７側の界面と接する厚さ約２ｎｍの部分にＳｉはドープされていない。
【００９３】
Ｓｉのドープ量としては、１×１０17〜１×１０21ｃｍ-3が好ましい。ｎ型不純物の不均一なドーピングの方法としては、これ以外の方法を用いてもよい。例えば、障壁層８ａ中で量子井戸層８ｂのｐ−クラッド層１０側の界面から深さ約１ｎｍの部分に２×１０10〜２×１０14ｃｍ-2程度の濃度にｎ型不純物をデルタドーピングしてもよい。ｎ型不純物として、Ｓｉ以外にＧｅ、Ｐｂ、Ｓ、Ｓｅ、Ｔｅ等を用いてもよい。
【００９４】
本実施例では、図１１に示すように、量子井戸層８ｂの［０００１］方向側つまりエネルギーバンドの高い側にＭＱＷ発光層８に比べて大きな禁制帯幅を有するｎ−逆導電型層９が形成されているので、図１２に示すように、［０００-1］方向に電子の移動が生じ、電子とイオン化したドナー準位とが空間的に分離する。それにより、圧電効果のために発生した量子井戸層８ｂの電位勾配が減少し、エネルギーバンドの勾配も減少する。
【００９５】
さらに、本実施例では、図１１に示すようにｎ型不純物として例えばＳｉが障壁層８ａ中で量子井戸層８ｂの［０００１］方向側つまりｐ−クラッド層１０側の界面と接する部分に多くドープされているので、図１２に示すように［０００-1］方向に電子の移動が生じ、電子とイオン化したｎ型不純物とが空間的に分離する。それにより、圧電効果のために発生した量子井戸層８ｂの電位勾配がさらに減少する。その結果、電流として注入された電子と正孔との分離がさらに抑制されるので、発光効率の低下およびしきい値電流の上昇がさらに抑制される。
【００９６】
上記第２〜第５の実施例におけるドーピング方法は、それぞれ単独で用いても効果が得られるが、２つ以上の実施例のドーピング方法を組み合わせてもよい。例えば、第２および第３の実施例を組み合わせてもよく、第２、第３および第４の実施例を組み合わせてもよく、第２、第３、第４および第５の実施例を組み合わせてもよい。これらの場合について以下に説明する。
【００９７】
（６）第６の実施例
図１３および図１４は第６の実施例の半導体レーザ素子におけるＭＱＷ発光層８のエネルギーバンド図である。
【００９８】
第６の実施例は、図１３に示すように、第２の実施例と第３の実施例とを組み合わせたものである。本実施例では、ＭＱＷ発光層８の［０００１］方向側つまりエネルギーバンドの高い側に、ＭＱＷ発光層８に比べて大きな禁制帯幅を有し、ドナー準位が形成されたＧａＮからなるｎ−逆導電型層９が形成されている。
【００９９】
さらに、本実施例では、ｐ型不純物であるＭｇが量子井戸層８ｂ中の［０００-1］方向側つまりｎ−クラッド層７側に多くドープされるとともに、ｎ型不純物であるＳｉが量子井戸層８ｂ中の［０００１］方向側つまりｐ−クラッド層１０側に多くドープされている。なお、本実施例では、ｐ型不純物であるＭｇおよびｎ型不純物であるＳｉのドーピング濃度がほぼ等しい場合について示している。
【０１００】
本実施例では、図１３に示すように、量子井戸層８ｂの［０００１］方向側つまりエネルギーバンドのエネルギーの高い側にＭＱＷ発光層８に比べて大きな禁制帯幅を有するｎ−逆導電型層９が形成されているので、図１４に示すように、［０００-1］方向に電子の移動が生じ、電子とイオン化したドナー準位とが空間的に分離する。それにより、圧電効果のために発生した量子井戸層８ｂの電位勾配が減少し、エネルギーバンドの勾配も減少する。
【０１０１】
さらに、本実施例では、量子井戸層８ｂにおけるｐ型不純物およびｎ型不純物のドーピングにより、図１４に示すように、電子と正孔とが補償され、ドーピングによるキャリアはほとんど発生しないが、イオン化したｐ型不純物とイオン化したｎ型不純物とにより、圧電効果のために発生した電位勾配がさらに減少する。その結果、電流として注入された電子と正孔との分離がさらに抑制されるので、発光効率の低下およびしきい値電流の上昇がさらに抑制される。
【０１０２】
したがって、特に、ＭＱＷ発光層８中にｐ型不純物およびｎ型不純物の両方を添加する場合に、それらのｐ型不純物およびｎ型不純物を不均一に添加することにより、キャリアが補償されても、電位勾配が減少する効果は大きい。また、ＭＱＷ発光層８中に添加されたｐ型不純物の濃度とｎ型不純物の濃度とがほぼ等しい場合には、さらにキャリアが補償されやすいが、電位勾配が減少する効果は大きい。
【０１０３】
なお、例えば第２および第５の実施例を組み合わせた場合、第３および第４の実施例を組み合わせた場合においても、第６の実施例と同等の効果が生じる。
【０１０４】
（７）第７の実施例
図１５および図１６は第７の実施例の半導体レーザ素子におけるＭＱＷ発光層８のエネルギーバンド図である。
【０１０５】
第７の実施例は、図１５に示すように、第４の実施例と第５の実施例とを組み合わせたものである。本実施例では、ＭＱＷ発光層８の［０００１］方向側つまりエネルギーバンドのエネルギーの高い側に、ＭＱＷ発光層８に比べて大きな禁制帯幅を有し、ドナー準位が形成されたＧａＮからなるｎ−逆導電型層９が形成されている。
【０１０６】
さらに、本実施例では、ｐ型不純物であるＭｇが障壁層８ａ中で量子井戸層８ｂの［０００-1］方向側つまりｎ−クラッド層７側の界面と接する部分に多くドープされるとともに、ｎ型不純物であるＳｉが障壁層８ａ中で量子井戸層８ｂの［０００１］方向側つまりｐ−クラッド層１０側の界面と接する側に多くドープされている。なお、本実施例では、ｐ型不純物であるＭｇおよびｎ型不純物であるＳｉのドーピング濃度がほぼ等しい場合について示している。
【０１０７】
本実施例では、図１５に示すように、量子井戸層８ｂの［０００１］方向側つまりエネルギーバンドのエネルギーの高い側にＭＱＷ発光層８に比べて大きな禁制帯幅を有するｎ−逆導電型層９が形成されているので、図１６に示すように、［０００-1］方向に電子の移動が生じ、電子とイオン化したドナー準位とが空間的に分離する。それにより、圧電効果のために発生した量子井戸層８ｂの電位勾配が減少し、エネルギーバンドの勾配も減少する。
【０１０８】
さらに、本実施例では、障壁層中におけるｐ型不純物およびｎ型不純物のドーピングにより、図１６に示すように、電子と正孔とが補償され、ドーピングによるキャリアはほとんど発生しないが、イオン化したｐ型不純物とイオン化したｎ型不純物とにより、圧電効果のために発生した電位勾配がさらに減少する。その結果、電流として注入された電子と正孔との分離がさらに抑制されるので、発光効率の低下およびしきい値電流の上昇がさらに抑制される。
【０１０９】
第４の実施例、第５の実施例および第７の実施例では、量子井戸層８ｂ中にｐ型不純物およびｎ型不純物がドープされていない。したがって、量子井戸層８ｂ中にアクセプタ準位、ドナー準位が存在しないので、アクセプタ準位、ドナー準位または発光センターによる発光を低減できるという効果も得られる。それにより、本実施例のＭＱＷ発光層８を発光ダイオードに適用した場合には、発光スペクトル幅を狭くすることができる。その結果、色純度を向上させることが可能となる。
【０１１０】
（８）第８の実施例
図１７および図１８は第８の実施例の半導体レーザ素子におけるＭＱＷ発光層８のエネルギーバンド図である。
【０１１１】
第８の実施例では、図１７に示すように、第２の実施例と同様、ＭＱＷ発光層８の［０００１］方向側つまりエネルギーバンドのエネルギーの高い側に、ＭＱＷ発光層８に比べて大きな禁制帯幅を有し、ドナー準位が形成されたＧａＮからなるｎ−逆導電型層９が形成されている。
【０１１２】
さらに、ｐ型不純物として例えばＭｇが不均一にドープされた第２の実施例の量子井戸層８ｂ中に、ｎ型不純物として例えばＳｉが均一にドープされている。Ｓｉのドーピング濃度は、５×１０16〜５×１０20ｃｍ-3が好ましい。
【０１１３】
本実施例では、図１７に示すように、量子井戸層８ｂの［０００１］方向側つまりエネルギーバンドのエネルギーの高い側にＭＱＷ発光層８に比べて大きな禁制帯幅を有するｎ−逆導電型層９が形成されているので、図１８に示すように、［０００-1］方向に電子の移動が生じ、電子とイオン化したドナー準位とが空間的に分離する。それにより、圧電効果のために発生した量子井戸層８ｂの電位勾配が減少し、エネルギーバンドの勾配も減少する。
【０１１４】
さらに、本実施例では、図１７に示すようにｐ型不純物として例えばＭｇが量子井戸層８ｂ中の［０００-1］方向側つまりｎ−クラッド層７側に多くドープされ、ｎ型不純物として例えばＳｉが量子井戸層８ｂ中に均一にドープされているので、図１８に示すように電子および正孔は補償され、ドーピングによるキャリアはほとんど発生しないが、イオン化したｐ型不純物およびｎ型不純物により圧電効果のために発生した電位勾配がさらに減少する。その結果、電流として注入された電子と正孔との分離がさらに抑制されるので、発光効率の低下およびしきい値電流の上昇がさらに抑制される。
【０１１５】
なお、例えば第４の実施例の量子井戸層８ｂ中にｎ型不純物を均一にドープした場合、第３または第５の実施例の量子井戸層８ｂ中にｐ型不純物を均一にドープした場合においても、第８の実施例と同等の効果が生じる。
【０１１６】
○図１の半導体レーザ素子の製造方法
図１９〜図２３は図１の半導体レーザ素子の製造方法を示す模式的工程断面図である。
【０１１７】
図１の半導体レーザ素子の各窒化物系半導体層は、ＭＯＶＰＥ法によりサファイア基板１上に形成される。原料ガスとしては、例えばトリメチルアルミニウム（ＴＭＡｌ）、トリメチルガリウム（ＴＭＧａ）、トリメチルインジウム（ＴＭＩｎ）、ＮＨ3 、ＳｉＨ4 、シクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ2 Ｍｇ）を用いる。
【０１１８】
まず、図１９に示すように、基板温度を６００℃に保ち、サファイア基板１上に厚さ１５ｎｍ程度のバッファ層２を形成する。次に、基板温度を１１５０℃に保ち、厚さ０．５μｍ程度のアンドープＧａＮ層３、厚さ４μｍ程度のＳｉドープＧａＮからなるｎ−コンタクト層４を形成する。さらに、基板温度を８８０℃に保ち、厚さ０．１μｍ程度のＳｉドープＧａ0.95Ｉｎ0.05Ｎからなるｎ−クラック防止層５を形成する。次に、基板温度を１１５０℃に保ち、厚さ０．４５μｍ程度のＳｉドープＡｌ0.15Ｇａ0.85Ｎからなるｎ−クラッド層６、および厚さ５０ｎｍ程度のＳｉドープＧａＮからなるｎ−クラッド層７を形成する。
【０１１９】
ここで、第１の実施例においては、基板温度を８８０℃に保ち、厚さ５０ｎｍのＩｎＧａＮからなる単層構造を有する発光層８をｎ−クラッド層７上に形成する。
【０１２０】
一方、第２〜第８の実施例においては、基板温度を８８０℃に保ち、厚さ４ｎｍ程度のアンドープＧａＮからなる５層の障壁層８ａと厚さ４ｎｍ程度のアンドープのＧａ0.85Ｉｎ0.15ｎＮからなる４層の量子井戸層８ｂを交互に積層し、ＧａＩｎＮからなり、多重量子井戸構造（ＭＱＷ構造）を有する発光層８を形成する。この際、第２〜第８の実施例に従って、ＭＱＷ構造を有する発光層８中にｐ型不純物またはｎ型不純物をドープする。
【０１２１】
上記のようにして単層構造を有する発光層８またはＭＱＷ構造を有する発光層８を形成した後、基板温度を８８０℃に保ち、厚さ４０ｎｍ程度のｎ−ＧａＮからなるｎ−逆導電型層９を形成し、その後基板温度を１１５０℃に保ち、厚さ０．４５μｍ程度のＭｇドープＡｌＧａＮからなるｐ−クラッド層１０、厚さ５０ｎｍ程度のＭｇドープＧａＮからなるｐ−キャップ層１１を形成する。上記のバッファ層２からｐ−キャップ層１１までの各層は、大気圧のＭＯＶＰＥ法により形成する。なお、ｎ−逆導電型層９として基板温度を１１５０℃で例えばＳｉがドープされたＧａＮを形成しもてもよい。
【０１２２】
その後、図２０に示すように、ｐ−キャップ層１１上の全面に、例えばＥＣＲ（電子サイクロトロン共鳴）プラズマＣＶＤ法（化学気相蒸着法）により、厚さ０．２μｍ程度のＳｉ3 Ｎ4 等のシリコン窒化物からなる電流狭窄層１４を形成する。次に、フォトリソグラフィおよびＢＨＦ（緩衝フッ酸）によるウェットエッチングで、幅２μｍ程度のストライプ状の領域のシリコン窒化物を除去し、ｐ−キャップ層１１を露出させる。それにより、ストライプ状の電流通路１３が形成される。
【０１２３】
次に、図２１に示すように、例えば７６Ｔｏｒｒの減圧ＭＯＶＰＥ法により、ｎ−電流狭窄層１４上およびストライプ状開口部内のｐ−キャップ層１１上に厚さ３〜５μｍのＭｇドープＧａＮからなるｐ−コンタクト層１２を形成する。この際、ｐ−キャップ層１１の露出した部分に選択的にｐ−ＧａＮが成長するように、成長条件を適切に調整する。例えば、基板温度を約１００℃上昇させ、ＮＨ3 の流量を約３倍に増加させる。
【０１２４】
このような条件下で成長を行うと、まずｐ−キャップ層１１の露出した部分にｐ−ＧａＮが成長し、電流通路１３にあたる部分が形成される。一方、電流狭窄層１４上にはｐ−ＧａＮは結晶成長しない。引き続き結晶成長を継続すると、ｐ−ＧａＮが電流通路１３上に成長するとともに、電流通路１３上に成長したｐ−ＧａＮの側面から横方向に結晶成長が開始し、電流狭窄層１４上にｐ−ＧａＮからなるｐ−コンタクト層１２が形成される。例えば、電流通路１３にあたる部分を中心として幅約８μｍでｐ−コンタクト層１２が形成される。
【０１２５】
この結果、ｐ−キャップ層１１とｐ−コンタクト層１２とは幅２μｍ程度のストライプ状の電流通路１３で接続され、ｐ−キャップ層１１とｐ−コンタクト層１２との間には、電流通路１３の部分を除いて、厚さ０．２μｍ程度のＳｉ3 Ｎ4 からなる電流狭窄層１４が形成される。
【０１２６】
次に、図２２に示すように、メタルマスクおよびＥＢ（電子ビーム）蒸着法を用いて、ｐ−コンタクト層１２を含む領域に、例えば幅１０μｍ程度のストライプ形状で厚さ３〜５μｍＮｉ膜を蒸着する。このＮｉ膜をマスクとして用い、例えばＣＦ4 をエッチングガスとして用い、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）法により、ｎ−コンタクト層４が露出するまで、ｐ−コンタクト層１２からｎ−クラック防止層５までをメサ状にエッチングする。その後、マスクとして用いたＮｉ膜を塩酸等を用いて除去する。
【０１２７】
さらに、図２３に示すように、Ｓｉ3 Ｎ4 等の絶縁膜１７をＥＣＲプラズマＣＶＤ法、フォトリソグラフィおよびエッチングによりｐ−コンタクト層１２からｎ−クラック防止層５までの側面および電極形成領域を除いたｎ−コンタクト層４の上面に形成する。そして、ｎ−コンタクト層４の露出した表面上に、例えばＡｕ／Ｔｉからなるｎ電極１６を形成し、ｐ−コンタクト層１２上に、Ａｕ／Ｐｄからなるｐ電極１５を形成する。
【０１２８】
最後に、例えばへき開により、ストライプ状の電流通路１３に沿った方向に共振器長３００μｍの共振器構造を形成する。それにより、図１の構造を有する半導体レーザ素子が作製される。
【０１２９】
なお、半導体レーザ素子の共振器面にＳｉ3 Ｎ4 、ＳｉＯ2 、Ａｌ2 Ｏ3 、ＴｉＯ2 等を積層した誘電体多層膜等の端面高反射膜や低反射膜を形成してもよい。
【０１３０】
（９）第９の実施例
第９の実施例の半導体レーザ素子は、図１の半導体レーザ素子と同じ構造を有し、以下に示すように窒化物系半導体層の結晶成長方法が異なる。
【０１３１】
図１の半導体レーザ素子の構造において、サファイア基板１の（０００１）面上に、ＭＯＶＰＥ法により、少なくともバッファ層２を低温でかつアンドープＧａＮ層３を高温で結晶成長させた後、他の層４〜１２，１４を例えばＭＢＥ法やＨＶＰＥ法（ハライド気相成長法）等のＭＯＶＰＥ法以外の結晶成長方法で結晶成長させる。なお、本実施例における発光層８は、上記の第１〜第８の実施例と同様、単層構造またはＭＷＱ構造を有する。
【０１３２】
本実施例において、アンドープＧａＮ層３〜ｐ−コンタクト層１２までの各層はウルツ鉱構造であり、窒化物系半導体の［０００１］方向に成長している。したがって、第１〜第８の実施例と同じ効果が得られる。
【０１３３】
このように、サファイア基板１の（０００１）面上に、ＭＯＶＰＥ法により低温でバッファ層２を成長させた後に、引き続いて高温で窒化物系半導体層を結晶成長させると、窒化物系半導体層は［０００１］方向に成長し、その後、結晶成長方法を変えても結晶成長の方位は変化せず、［０００１］方向に成長し続ける。
【０１３４】
上記の第１〜第９の実施例のように、ｎ−逆導電型層９が光ガイド層としての機能も有する場合においては、発光層８とｎ−逆導電型層９との間に、ｎ−逆導電型層９に比べて大きな禁制帯幅を有する層を形成してもよい。この場合について以下で説明する。
【０１３５】
（１０）第１０の実施例
図２４は本発明の第１０の実施例における半導体レーザ素子の構成を示す模式的斜視図である。
【０１３６】
第１０の実施例の半導体レーザ素子は、発光層８とｎ−逆導電型層９との間に、ｎ−逆導電型層９に比べて大きなバンドギャップを有するＡｌＧａＮからなるクラッド層１８が形成された点を除いて、図１の半導体レーザ素子と同じ構造を有する。なお、本実施例の半導体レーザ素子は、第１の実施例の半導体レーザ素子と同様、厚さ５０ｎｍのＩｎＧａＮからなる単層構造を有する発光層８を有する。
【０１３７】
例えば、クラッド層１８としては、厚さ１〜１００ｎｍのＡｌx Ｇａ1-x Ｎを用いる。この場合、０≦Ｘ≦０．１であることが好ましい。なお、クラッド層１８の導電型は、絶縁性であってもよく、ｎ型またはｐ型であってもよい。なお、ｐ型のクラッド層１８を形成する場合は、クラッド層１８に形成さたアクセプタ準位の濃度を、ｎ−逆導電型層９に形成されたドナー準位の濃度より低くする必要がある。
【０１３８】
図２５および図２６は、図２４の半導体レーザ素子におけるｎ−クラッド層７、発光層８、クラッド層１８、ｎ−逆導電型層９およびｐ−クラッド層１０のエネルギーバンド図である。
【０１３９】
図２５に示すように、実施例１と同様、発光層８の［０００１］方向側つまりエネルギーバンドのエネルギーの高い側に、発光層８に比べて大きな禁制帯幅を有し、ドナー準位が形成されたＧａＮからなるｎ−逆導電型層９が形成されている。このｎ−逆導電型層９の禁制帯幅は、ｐ−ＡｌＧａＮからなるｐ−クラッド層１０の禁制帯幅に比べて小さいので、ｎ−逆導電型層９の屈折率はｐ−クラッド層１０の屈折率に比べて大きくなる。したがって、ｎ−逆導電型層９は光ガイド層としての機能も有している。
【０１４０】
さらに、本実施例においては、上記のｎ−逆導電型層９と発光層との間に、ＡｌＧａＮからなるクラッド層１８が形成されている。このクラッド層１８は、ｎ−逆導電型層９に比べて大きな禁制帯幅を有する。したがって、このクラッド層１８により、発光層８から光ガイド層（ｎ−逆導電型層９）を分離した構造が可能となる。
【０１４１】
本実施例では、第１の実施例と同様、図２５に示すように発光層８の［０００１］方向側すなわちエネルギーバンドのエネルギーの高い側に発光層８に比べて大きな禁制帯幅を有するｎ−逆導電型層９が形成されているので、図２６に示すように［０００-1］方向に電子の移動が生じ、電子とイオン化したドナー準位とが空間的に分離する。それにより、圧電効果のために発生した発光層８の電位勾配が減少し、エネルギーバンドの勾配も減少する。その結果、電流として注入された電子と正孔との分離が抑制されるので、発光効率の低下およびしきい値電流の上昇が抑制される。
【０１４２】
なお、本実施例においては、発光層８が単層構造を有する場合について説明したが、第２〜第８の実施例のように発光層８がＭＱＷ構造を有する場合においても、発光層８とｎ−逆導電型層９との間にｎ−逆導電型層９に比べて大きな禁制帯幅を有するクラッド層を形成することができる。この場合においても、第２〜第９の実施例と同じ効果が得られる。
【０１４３】
上記の第１〜第１０の実施例においては、ｎ−逆導電型層９がｐ−クラッド層１０に比べて小さな禁制帯幅を有する場合について説明したが、ｎ−逆導電型層９の禁制帯幅はｐ−クラッド層１０の禁制帯幅と同じであってもよい。また、ｎ−逆導電型層９の禁制帯幅はｐ−クラッド層１０の禁制帯幅に比べて大きくてもよい。なお、これらの場合においては、ｎ−逆導電型層９は光ガイド層としての機能を有さない。
【０１４４】
上記の第１〜第１０の実施例においては、発光層８に形成される電位勾配を低減するために、発光層８とｐ型の半導体層との間にｎ型の逆導電型層を形成する場合について説明したが、発光層８とｎ型の半導体層との間に発光層８に比べて大きな禁制帯幅を有するｐ型の逆導電型層を形成してもよい。この場合においても発光層８に形成される電位勾配を低減することが可能となる。この場合について以下に説明する。
【０１４５】
（１１）第１１の実施例
図２７は本発明の第１１の実施例における半導体レーザ素子の構成を示す模式的斜視図である。
【０１４６】
第１１の実施例の半導体レーザ素子は、以下の点を除いて、第１〜第８の実施例における図１の半導体レーザ素子と同様の構造を有する。なお、本実施例の半導体レーザ素子は、第１の実施例の半導体レーザ素子と同様、厚さ５０ｎｍのＩｎＧａＮからなる単層構造を有する発光層８を備える。
【０１４７】
図２７に示すように、第１１の実施例における半導体レーザ素子においては、ｎ−ＡｌＧａＮからなるｎ−クラッド層６上に、アクセプタ準位が形成されたＧａＮからなるｐ−逆導電型層１９が形成されている。ｐ−逆導電型層１９の厚さは１〜１００ｎｍ程度であることが好ましく、本実施例においては４０ｎｍ程度である。また、ｐ−逆導電型層１９に形成されたアクセプタ準位の濃度は１×１０17〜３×１０18ｃｍ-3程度が好ましく、例えばＭｇを３×１０18ｃｍ-3程度ドープする。このｐ−逆導電型層１９上に発光層８が形成され、さらに厚さ４０ｎｍ程度のｐ−ＧａＮからなるｐ−クラッド層１０ｂが形成されている。このｐ−クラッド層１０ｂ上にｐ−ＡｌＧａＮからなるｐ−クラッド層１０が形成されている。
【０１４８】
図２８および図２９は第１１の実施例の半導体レーザ素子におけるｎ−クラッド層６、ｐ−逆導電型層１９、発光層８およびｐ−クラッド層１０ｂのエネルギーバンド図である。
【０１４９】
図２８に示すように、発光層８の［０００-1］方向側、すなわちエネルギーバンドのエネルギーの低い側に、発光層８に比べて大きな禁制帯幅を有するｐ−逆導電型層１９が形成されている。このｐ−逆導電型層１９は、ｎ−クラッド層６に比べて禁制帯幅が小さい。このため、ｐ−逆導電型層１９はｎ−クラッド層６に比べて屈折率が大きくなる。したがって、ｐ−逆導電型層１９は光ガイド層の機能も合わせて有する。
【０１５０】
本実施例では、図２８に示すように発光層８の［０００-1］方向側つまりエネルギーバンドのエネルギーの低い側に発光層８に比べて大きな禁制帯幅を有するｐ−逆導電型層１９が形成されているので、図２９に示すように、［０００１］方向に正孔の移動が生じ、正孔とイオン化したアクセプタ準位とが空間的に分離する。それにより、圧電効果のために発生した発光層８の電位勾配が減少し、エネルギーバンドの勾配も減少する。その結果、電流として注入された電子と正孔との分離が抑制されるので、発光効率の低下およびしきい値電流の上昇が抑制される。
【０１５１】
本実施例においては、発光層８が単層構造を有する場合について説明したが、発光層８が多重量子井戸構造（ＭＱＷ構造）を有してもよい。さらに、ＭＱＷ構造を有する発光層８中にｐ型不純物およびｎ型不純物の少なくとも一方が不均一にドーピングされてもよい。この場合においては、発光層８の電位勾配をさらに低減することができる。
【０１５２】
また、本実施例において、ｎ−クラッド層６とｐ−逆導電型層１９との間に、ＡｌＧａＮからなりｐ−逆導電型層１９に比べて大きな禁制帯幅を有するクラッド層を形成してもよい。このクラッド層により、光ガイド層としての機能を有するｐ−逆導電型層１９を発光層８から分離した構造が可能となる。このようなｐ−逆導電型層１９に比べて大きな禁制帯幅を有するクラッド層としては、例えば厚さ１〜１００ｎｍのＡｌX Ｇａ1-x Ｎを用いる。この場合、０≦Ｘ≦０．１であることが好ましい。なお、このようなクラッド層の導電型は、絶縁性であってもよく、ｎ型またはｐ型であってもよい。なお、ｎ型のクラッド層を形成する場合には、このクラッド層に形成されたドナー準位の濃度を、ｐ−逆導電型層１９に形成されたアクセプタ準位の濃度より低くする必要がある。
【０１５３】
さらに、本実施例においては、ｐ−逆導電型層１９がｎ−クラッド層６に比べて小さな禁制帯幅を有する場合について説明したが、ｐ−逆導電型層１９の禁制帯幅はｎ−クラッド層６の禁制帯幅と同じであってもよい。また、ｐ−逆導電型層１９の幅はｎ−クラッド層６の禁制帯幅に比べて大きくてもよい。なお、これらの場合においては、ｐ−逆導電型層１９が光ガイド層としての機能を有さない。
【０１５４】
上記の第１〜第１１の実施例においては半導体レーザ素子がｎ型の逆導電型層またはｐ型の逆導電型層を有する場合について説明したが、ｎ型の逆導電型層とｐ型の逆導電型層とを同時に形成してもよい。例えば、第１の実施例と第１１の実施例とを組み合わせてもよい。この場合においては、発光効率の低下を抑制する効果がより大きくなる。
【０１５５】
上記の第１〜第１１の実施例においては、ｎ−逆導電型層９およびｐ−逆導電型層１９がＧａＮから構成される場合について説明したが、ｎ型の逆導電型層およびｐ型の逆導電型層の構成はこれに限定されるものではない。ｎ型の逆導電型層およびｐ型の逆導電型層は、発光層８に比べて大きな禁制帯幅を有するＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＩｎＮ、ＡｌＧａＮ等から構成されてもよい。このような構成を有するｎ型の逆導電型層およびｐ型の逆導電型層を形成する場合においても、ｎ型の逆導電型層およびｐ型の逆導電型層の厚さは１〜１００ｎｍ程度であり、アクセプタ準位あるいはドナー準位の濃度は１×１０17〜３×１０18ｃｍ-3程度であることが好ましい。
【０１５６】
例えば、第１〜第１０の実施例において、ｎ型の逆導電型層として、発光層８より禁制帯幅が大きくかつｐ−ＡｌＧａＮからなるｐ−クラッド層１０と禁制帯幅が同じかまたはｐ−クラッド層１０に比べて禁制帯幅が大きなｎ−ＩｎＧａＮ層、ｎ−ＡｌＧａＩｎＮ層またはｎ−ＡｌＧａＮ層を形成してもよい。
【０１５７】
あるいは、ｎ型の逆導電型層として、発光層８より禁制帯幅が大きくかつｐ−ＡｌＧａＮからなるｐ−クラッド層１０に比べて禁制帯幅が小さなｎ−ＩｎＧａＮ層、ｎ−ＡｌＧａＩｎＮ層またはｎ−ＡｌＧａＮ層を形成してもよい。この場合、ｎ型の逆導電型層の屈折率がｐ−クラッド層１０の屈折率に比べて大きくなるので、ｎ型の逆導電型層は光ガイド層としての機能も備える。
【０１５８】
一方、第１１の実施例において、ｐ型の逆導電型層として、発光層８より禁制帯幅が大きくかつｎ−ＡｌＧａＮからなるｎ−クラッド層６と禁制帯幅が同じかまたはｎ−クラッド層６に比べて禁制帯幅が大きなｐ−ＩｎＧａＮ層、ｐ−ＡｌＧａＩｎＮ層またはｐ−ＡｌＧａＮ層を形成してもよい。
【０１５９】
あるいは、ｐ型の逆導電型層として、発光層８より禁制帯幅が大きくかつｎ−ＡｌＧａＮからなるｎ−クラッド層６に比べて禁制帯幅が小さなｐ−ＩｎＧａＮ層、ｐ−ＡｌＧａＩｎＮ層またはｐ−ＡｌＧａＮ層を形成してもよい。この場合、ｐ型の逆導電型層の屈折率がｎ−クラッド層６の屈折率に比べて大きくなるので、ｐ型の逆導電型層は光ガイド層としての機能を備える。
【０１６０】
上記第１〜第１１の実施例では、基板としてサファイア基板１を用いているが、窒化物系半導体層がウルツ鉱構造であれば、スピネル、ＳｉＣ、Ｓｉ、ＧａＡｓ、ＧａＰ、ＩｎＰ、ＧａＮ等の基板を用いてもよい。
【０１６１】
また、上記第１〜第１１の実施例では、面内方向に圧縮歪を有するとともに界面に垂直な方向に伸張する歪を有するウルツ鉱構造の発光層８について説明したが、面内方向に伸張する歪を有するとともに界面に垂直な方向に圧縮歪を有するウルツ鉱構造の発光層８を有し、［０００１］方向側にｎ型層を有し、［０００-1］方向側にｐ型層を有している発光素子の場合、ｎ型の逆導電型層またはｐ型の逆導電型層を形成する位置を発光層の中心における（０００１）面に関して第１〜第１１の実施例と反対にすればよい。さらに、ＭＱＷ構造を有する発光層にｎ型不純物およびｐ型不純物の少なくとも一方を不均一に添加する場合においては、ｐ型不純物またはｎ型不純物のドーピングの分布位置を量子井戸層の中心における（０００１）面に関して第２〜第８の実施例と反対にすればよい。
【０１６２】
さらに、ウルツ鉱型のＺｎＳｅを代表とするII−VI族化合物半導体を始めとするウルツ鉱構造または六方晶構造を有する半導体であれば同じ効果が得られる。ただし、II−VI族化合物半導体およびＣｕＣｌを代表とするＩ−VII 族化合物半導体の場合には、電位勾配が逆になる。
【０１６３】
加えて、発光層における界面に垂直な方向としては、歪により電位勾配の発生する方向であれば、発光層の面方位は（０００１）面に限られるものではない。ｗｕｒｔｚｉｔｅ構造の結晶の対称性から、歪発光層の面方位が［０００１］軸を面内に含む面方位以外であれば、いかなる面方位でも、歪により電位勾配が発光層に垂直な方向に発生することが示される。すなわち、歪発光層の面方位が一般式（ＨＫＬ０）面で表される面方位以外であれば、いかなる面方位でも、圧電効果が発生する。ここで、Ｈ、ＫおよびＬは、Ｈ＋Ｋ＋Ｌ＝０を満足し、かつＨ＝Ｋ＝Ｌ＝０を除く任意の数である。上記の（ＨＫＬ０）面は、例えば（１-1００）面および（１１-2０）面である。特に、（０００１）面を主面とする歪発光層において、界面に垂直な方向に電位勾配を発生させる圧電効果が最も大きい。ただし、材料によっては圧電係数の値により、偶然圧電効果が発生しない特定の面方位がある。なお、歪により電位勾配の発生する発光層の面方位については後述する。
【０１６４】
（Ｂ）第２の実施の形態
第２の実施の形態の発光素子は、（１１１）面を主面とする閃亜鉛鉱構造の発光層を有する。この発光層は、発光層の面に垂直な方向（界面に垂直な方向）に歪を有する。このような発光層中には、圧電効果により電位勾配が形成される。
【０１６５】
ここで、歪を有する発光層は、単層構造であってもよい。あるいは、１つの量子井戸層が２つの障壁層の間に挟まれた単一量子井戸構造（ＳＱＷ構造）であってもよく、また２つ以上の井戸層と３つ以上の障壁層とが交互に積層されてなる多重量子井戸構造（ＭＱＷ構造）であってもよい。ＳＱＷ構造およびＭＱＷ構造のような量子井戸構造を有する発光層においては、井戸層が歪を有しており、井戸層内に圧電効果により電位勾配が形成される。
【０１６６】
発光層はｐ型層とｎ型層とに挟まれるように配置される。ｐ型層にはｐ電極が形成されており、ｐ電極からｐ型層に正孔が注入される。ｎ型層にはｎ電極が形成されており、ｎ電極からｎ型層に電子が注入される。
【０１６７】
III −Ｖ族化合物半導体において、発光層の面内方向（界面に平行な方向）に伸張する歪を有し、発光層の界面に垂直な方向に圧縮歪を有する場合、圧電効果により発生した発光層中の電位勾配において、［１１１］方向側の電位が高く、［-1-1-1］側の電位が低い。このような歪を発光層に有し、［-1-1-1］方向側にｐ型層を有し、［１１１］方向側にｎ型層を有している発光素子において、発光層における電位はｎ型層側の方がｐ型層側に比べて低い。なお、発光層は量子井戸構造を有する場合においては、量子井戸層内における電位がｎ型層側の方がｐ型層側に比べて低い。圧電効果のために発生した電位勾配を減少させるためには、ｐ型層と発光層との間に、発光層に比べて大きな禁制帯幅を有するｎ型の逆導電型層を形成する。あるいは、ｎ型層と発光層との間に、発光層に比べて禁制帯幅を有するｐ型の逆導電型層を形成する。このような方法により、発光層が単層構造を有する場合および量子井戸構造を有する場合のいずれにおいても同様の効果が得られる。
【０１６８】
さらに、発光層が量子井戸構造を有する場合においては、量子井戸層にアクセプタ準位あるいはドナー準位を不均一に形成することで、圧電効果のために発生した発光層の電位勾配をさらに低減することができる。この場合、アクセプタ準位を量子井戸層中の［１１１］方向側の部分に多く形成し、または障壁層中で量子井戸層の［１１１］方向側の界面と接する部分に多く形成する。あるいは、ドナー準位を量子井戸層中の［-1-1-1］方向側の部分に多く形成し、または障壁層中で量子井戸層の［-1-1-1］方向側の界面と接する部分に多く形成する。
【０１６９】
逆に、III −Ｖ族化合物半導体において、発光層の面内方向（界面に平行な方向）に圧縮歪を有し、発光層の界面に垂直な方向に伸張する歪を有する場合、圧電効果により発生した発光層中の電位勾配において、［-1-1-1］方向側の電位が高く、［１１１］側の電位が低い。このような歪を発光層に有し、［１１１］方向側にｐ型層を有し、［-1-1-1］方向側にｎ型層を有している発光素子においては、発光層における電位はｎ型層側の方がｐ型層側に比べて低い。なお、発光層は量子井戸構造を有する場合においては、量子井戸層内における電位がｎ型層側の方がｐ型層側に比べて低い。圧電効果のために発生した電位勾配を減少させるためには、ｐ型層と発光層との間に、発光層に比べて大きな禁制帯幅を有するｎ型の逆導電型層を形成する。あるいは、ｎ型層と発光層との間に、発光層に比べて大きな禁制帯幅を有するｐ型の逆導電型層を形成する。このような方法により、発光層が単層構造を有する場合および量子井戸構造を有する場合のいずれにおいても同様の効果が得られる。
【０１７０】
さらに、発光層が量子井戸構造を有する場合においては、量子井戸層にアクセプタ準位あるいはドナー準位を不均一に形成することで、圧電効果のために発生した発光層の電位勾配をさらに低減することができる。この場合、アクセプタ準位を量子井戸層中の［-1-1-1］方向側の部分に多く形成し、または障壁層中で量子井戸層の［-1-1-1］方向側の界面と接する部分に多く形成する。あるいは、ドナー準位を量子井戸層中の［１１１］方向側の部分に多く形成し、または障壁層中で量子井戸層の［１１１］方向側の界面と接する部分に多く形成する。
【０１７１】
一方、II−VI族化合物半導体およびI-VII 族化合物半導体において、発光層の面内方向（界面に平行な方向）に伸張する歪を有し、発光層の界面に垂直な方向に圧縮歪を有する場合、圧電効果により発光層中に発生した電位勾配において、［-1-1-1］方向側の電位が高く、［１１１］側の電位が低い。このような歪を発光素子に有し、［１１１］方向側にｐ型層を有し、［-1-1-1］方向側にｎ型層を有している発光素子において、圧電効果のために発生した電位勾配を減少させるためには、ｐ型層と発光層との間に、発光層より大きな禁制帯幅を有するｎ型の逆導電型層を形成する。あるいは、ｎ型層と発光層との間に、発光層に比べて大きな禁制帯幅を有するｐ型の逆導電型層を形成する。このような方法により、発光層が単層構造を有する場合および量子井戸構造を有する場合のいずれにおいても同様の効果が得られる。
【０１７２】
さらに、発光層が量子井戸構造を有する場合においては、量子井戸層にアクセプタ準位あるいはドナー準位を不均一に形成することで、圧電効果のために発生した発光層の電位勾配をさらに低減することができる。この場合、アクセプタ準位を量子井戸層中の［-1-1-1］方向側の部分に多く形成し、または障壁層中で量子井戸層の［-1-1-1］方向側の界面と接する部分に多く形成する。あるいは、ドナー準位を量子井戸層中の［１１１］方向側の部分に多く形成し、または障壁層中で量子井戸層の［１１１］方向側の界面と接する部分に多く形成する。
【０１７３】
逆に、II−VI族化合物半導体およびI-VII 族化合物半導体において、発光層の面内方向（界面に平行な方向）に圧縮歪を有し、発光層の界面に垂直な方向に伸張する歪を有する場合、圧電効果により発光層中に発生した電位勾配において、［１１１］方向側の電位が高く、［-1-1-1］側の電位が低い。このような歪を発光層に有し、［-1-1-1］方向側にｐ型層を有し、［１１１］方向側にｎ型層を有している発光素子においては、発光層における電位はｎ型層側の方がｐ型層側に比べて低い。なお、発光層は量子井戸構造を有する場合においては、量子井戸層内における電位がｎ型層側の方がｐ型層側に比べて低い。圧電効果のために発生した電位勾配を減少させるためには、ｐ型層と発光層との間に、発光層より禁制帯幅の広いｎ型の逆導電型層を形成する。あるいは、ｎ型層と発光層との間に、発光層より禁制帯幅の広いｐ型の逆導電型層を形成する。このような方法により、発光層が単層構造を有する場合および量子井戸構造を有する場合のいずれにおいても同様の効果が得られる。
【０１７４】
さらに、発光層が量子井戸構造を有する場合においては、量子井戸層にアクセプタ準位またはドナー準位を不均一に形成することで、圧電効果のために発生した発光層の電位勾配をさらに低減することができる。この場合、アクセプタ準位を量子井戸層中の［１１１］方向側の部分に多く形成し、または障壁層中で量子井戸層の［１１１］方向側の界面と接する部分に多く形成する。あるいは、ドナー準位を量子井戸層中の［-1-1-1］方向側の部分に多く形成し、または障壁層中で量子井戸層の［-1-1-1］方向側の界面と接する部分に多く形成する。
【０１７５】
発光層における界面に垂直な方向としては、歪により電位勾配の発生する方向であれば、発光層の面方位は（１１１）面と等価な面方位に限られるものではない。歪発光層の面方位が［１００］軸を面内に含む面方位およびこれと等価な面方位以外であれば、いかなる面方位でも、歪により電位勾配が発光層の界面に垂直な方向に発生する。すなわち、歪発光層の面方位が一般式（０ＭＮ）面で表される面方位およびこれと等価な面方位以外であれば、いかなる面方位でも、圧電効果が発生する。ここで、ＭおよびＮは、Ｍ＝Ｎ＝０を除く任意の数である。上記の（０ＭＮ）面は、例えば（００１）面および（０１１）面である。特に、（１１１）面を主面とする歪発光層において、発光層の界面に垂直な方向に電位勾配を発生させる圧電効果が最も大きい。なお、歪により電位勾配の発生する発光層の面方位については後述する。
【０１７６】
（１２）第１２の実施例
図３０は本発明の第１２の実施例における埋め込みリッジ構造のＡｌＧａＩｎＰ系半導体レーザ素子の構造を示す断面図である。第１２の実施例の半導体レーザ素子は、多重量子井戸構造（ＭＱＷ構造）を有するＭＱＷ発光層を有する。図３１および図３２は第１２の実施例の半導体レーザ素子におけるＭＱＷ発光層のエネルギーバンド図である。
【０１７７】
図３０において、ｎ−ＧａＡｓ基板２１は、面方位が（１１１）Ｂの結晶成長面を有する。ｎ−ＧａＡｓ基板２１上にｎ−Ｇａ0.51Ｉｎ0.49Ｐからなるｎ−バッファ層２２、ｎ−（Ａｌ0.7 Ｇａ0.3 ）0.51Ｉｎ0.49Ｐからなるｎ−クラッド層２３、およびＭＱＷ発光層２４が順に形成されている。
【０１７８】
ＭＱＷ発光層２４は、図３１に示すように、ｐ−（Ａｌ0.5 Ｇａ0.5 ）0.51Ｉｎ0.49Ｐからなる光ガイド層２４ｃ上に（Ａｌ0.5 Ｇａ0.5 ）0.45Ｉｎ0.55Ｐからなる５層の圧縮歪障壁層２４ａおよびＧａ0.6 Ｉｎ0.4 Ｐからなる４層の引張り歪井戸層２４ｂが交互に積層されてなる。本実施例においては、この光ガイド層２４ｃがｐ型の逆導電型層に相当する。
【０１７９】
ＭＱＷ発光層２４上には、ｎ−（Ａｌ0.57Ｇａ0.43）0.51Ｉｎ0.49Ｐからなる光ガイド層２５が形成されている。本実施例においては、この光ガイド層２５がｎ型の逆導電型層に相当する。光ガイド層２５上には多重量子障壁層２６が形成されている。多重量子障壁層２６は、Ｇａ0.51Ｉｎ0.49Ｐからなる１０層の井戸層および（Ａｌ0.7 Ｇａ0.3 ）0.51Ｉｎ0.49Ｐからなる１０層の障壁層が交互に積層されてなる。この多重量子障壁層２６は、温度特性の改善のために設けられている。
【０１８０】
多重量子障壁層２６上には、ｐ−（Ａｌ0.7 Ｇａ0.3 ）0.51Ｉｎ0.49Ｐからなるｐ−クラッド層２７が形成されている。ｐ−クラッド層２７の上部領域はメサエッチング等によりストライプ状のリッジ部に形成されている。リッジ部の幅は５μｍである。ｐ−クラッド層２７のリッジ部上にはｐ−Ｇａ0.51Ｉｎ0.49Ｐからなるｐ−コンタクト層２８が形成されている。
【０１８１】
ｐ−クラッド層２７の両側には、ｎ−ＧａＡｓからなるｎ−電流ブロック層２９が形成され、ｐ−コンタクト層２８上およびｎ−電流ブロック層２９上にはｐ−ＧａＡｓからなるｐ−キャップ層３０が形成されている。ｎ−ＧａＡｓ基板２１の下面にｎ電極３２が形成され、ｐ−キャップ層３０の上面にｐ電極３１が形成されている。
【０１８２】
表１に図３０の半導体レーザ素子における各層の材料および膜厚を示す。
【０１８３】
【表１】
【０１８４】
この半導体レーザ素子において、ｎ−ＧａＡｓ基板２１上の各層２２〜３０はＭＯＶＰＥ法等により形成される。
【０１８５】
圧縮歪障壁層２４ａの格子定数はｎ−ＧａＡｓ基板２１の格子定数よりも大きく設定されている。それにより、圧縮歪障壁層２４ａはｎ−ＧａＡｓ基板２１に対して圧縮歪を有する。引張り歪井戸層２４ｂの格子定数はｎ−ＧａＡｓ基板２１の格子定数よりも小さく設定されている。それにより、引張り歪井戸層２４ｂはｎ−ＧａＡｓ基板２１に対して引張り歪を有する。
【０１８６】
図３１に示すように、本実施例においては、ｐ型の逆導電型層として、ｎ−クラッド層２３に比べて禁制帯幅が小さくかつ圧縮歪障壁層２４ａおよび引張り歪井戸層２４ｂに比べて禁制帯幅の大きいｐ−光ガイド層２４ｃが形成されている。また、ｎ型の逆導電型層として、圧縮歪障壁層２４ａおよび引張り歪井戸層２４ｂに比べて禁制帯幅が大きく多重量子障壁層２６に比べて禁制帯幅が小さなｎ−光ガイド層２５が形成されている。
【０１８７】
さらに、ｎ型不純物として例えばＳｅが圧縮歪障壁層２４ａ中で引張り歪井戸層２４ｂの［-1-1-1］方向側つまり光ガイド層２５側の界面と接する部分に多くドープされ、ｐ型不純物として例えばＺｎが圧縮歪障壁層２４ａ中で引張り歪井戸層２４ｂの［１１１］方向側つまり光ガイド層２４ｃ側の界面と接する部分に多くドープされ、変調ドーピング構造となっている。本実施例では、ｎ型不純物およびｐ型不純物のドーピング濃度がほぼ等しい場合について示している。
【０１８８】
なお、本実施例では、ＭＱＷ発光層２４中の量子井戸面内に関して井戸層２４ｂが引張り歪を有し、障壁層２４ａが圧縮歪を有するため、障壁層２４ａには井戸層２４ｂとは反対の電位勾配が発生する。それにより、ＭＱＷ発光層２４のエネルギーバンドにおいて、障壁層２４ａのエネルギーバンドが［１１１］方向側が［-1-1-1］方向側に比べて高くなり、井戸層２４ｂのエネルギーバンド勾配は、［-1-1-1］方向側が［１１１］方向側に比べて高くなる。
【０１８９】
本実施例では、図３２に示すように、電子および正孔が補償され、ドーピングによるキャリアはほとんど発生しないが、イオン化したｐ型不純物とイオン化したｎ型不純物とにより引張り歪井戸層２４ｂの電位勾配が減少する。その結果、電流として注入された電子と正孔との分離が抑制されるので、発光効率の低下およびしきい値電流の上昇が抑制される。
【０１９０】
（１３）第１３の実施例
図３３は本発明の第１３の実施例におけるＺｎＳｅ系半導体レーザ素子の構造を示す断面図である。第１３の実施例の半導体レーザ素子は、多重量子井戸構造（ＭＱＷ構造）を有するＭＱＷ発光層を有する。図３４および図３５は第１３の実施例の半導体レーザ素子におけるＭＱＷ発光層のエネルギーバンド図である。
【０１９１】
図３３において、ｎ−ＧａＡｓ基板４１の（１１１）Ｂ面上に、ｎ−ＧａＡｓからなるｎ−第１バッッファ層４２、ｎ−ＺｎＳｅからなるｎ−第２バッファ層４３、ｎ−Ｚｎ0.9 Ｍｇ0.1 Ｓ0.15Ｓｅ0.85からなるｎ−クラッド層４４、ｐ−ＺｎＳ0.15Ｓｅ0.85からなるｐ−逆導電型層４５およびＭＱＷ発光層４６が順に形成されている。
【０１９２】
ＭＱＷ発光層４６は、図３４に示すように、ＺｎＳ0.1 Ｓｅ0.9 からなる５層の引張り歪障壁層４６ａおよびＺｎ0.7 Ｃｄ0.3 Ｓｅからなる４層の圧縮歪井戸層４６ｂが交互に積層されてなる。
【０１９３】
ＭＱＷ発光層４６上には、ｎ−ＺｎＳ0.15Ｓｅ0.85からなるｎ−逆導電型層４７およびｐ−Ｚｎ0.9 Ｍｇ0.1 Ｓ0.15Ｓｅ0.85からなるｐ−クラッド層４８が形成されている。ｐ−クラッド層４８の上部領域はストライプ状のリッジ部となっている。
【０１９４】
ｐ−クラッド層４８のリッジ部上には、ｐ−ＺｎＳｅからなるｐ−コンタクト層４９が形成され、ｐ−クラッド層４８のリッジ部およびｐ−コンタクト層４９の両側にはＳｉＯ2 膜５０が形成されている。ｎ−ＧａＡｓ基板４１の下面にｎ電極５１が形成され、ｐ−コンタクト層４９上およびＳｉＯ2 層５０上にｐ電極５２が形成されている。
【０１９５】
表２に図３３の半導体レーザ素子における各層の材料および膜厚を示す。
【０１９６】
【表２】
【０１９７】
図３４に示すように、本実施例においては、ｎ−クラッド層４４に比べて禁制帯幅が小さくかつ引張り歪障壁層４６ａおよび圧縮歪井戸層４６ｂに比べて禁制帯幅の大きなｐ−逆導電型層４５が形成されるとともに、ｐ−クラッド層４８に比べて禁制帯幅が小さくかつ引張り歪障壁層４６ａおよび圧縮歪井戸層４６ｂに比べて禁制帯幅の大きなｎ−逆導電型層４７が形成されている。また、ｎ型不純物として例えばＣｌが引張り歪障壁層４６ａ中で圧縮歪井戸層４６ｂの［-1-1-1］方向側つまりｐ−クラッド層４８側の界面と接する部分に多くドープされ、ｐ型不純物として例えば窒素が引張り歪障壁層４６ａ中で圧縮歪井戸層４６ｂの［１１１］方向側つまりｎ−クラッド層４４側の界面と接する部分に多くドープされ、変調ドーピング構造となっている。本実施例では、ｎ型不純物およびｐ型不純物のドーピング濃度がほぼ等しい場合について示している。
【０１９８】
なお、本実施例では、ＭＱＷ発光層４６中の量子井戸面内に関して井戸層４６ｂが圧縮歪を有し、障壁層４６ａが引張り歪を有するため、障壁層４６ａには井戸層４６ｂとは反対の電位勾配が発生する。それにより、ＭＱＷ発光層４６のエネルギーバンドにおいて、障壁層４６ａのエネルギーバンドは、［１１１］方向側が［-1-1-1］方向側に比べて高くなり、井戸層４６ｂのエネルギーバンドの勾配は［-1-1-1］方向側が［１１１］方向側に比べて高くなる。
【０１９９】
本実施例では、図３５に示すように、電子および正孔が補償され、ドーピングによるキャリアがほとんど発生しないが、イオン化したｐ型不純物とイオン化したｎ型不純物とにより圧縮歪井戸層４６ｂの電位勾配が減少する。その結果、電流として注入された電子と正孔との分離が抑制されるので、発光効率の低下およびしきい値電流の上昇が抑制される。
【０２００】
（Ｃ）第３の実施の形態
第３の実施の形態の発光素子は、量子細線構造のＭＱＷ発光層を有する。
【０２０１】
（１４）第１４の実施例
図３６〜図４０は第１４の実施例における半導体レーザ素子の製造方法を示し、図３６は模式的工程断面図、図３７はＭＱＷ発光層の拡大断面図、図３８（ａ），（ｂ）は量子細線が形成されたＭＱＷ発光層のそれぞれ拡大断面図および模式的平面図、図３９は量子細線構造のＭＱＷ発光層の拡大断面図、図４０の模式的工程断面図である。
【０２０２】
まず、図３６に示すように、図１９の工程と同様にして、サファイア基板１の（０００１）面上に、ＭＯＶＰＥ法により、バッファ層２、アンドープＧａＮ層３、ｎ−コンタクト層４、ｎ−クラック防止層５、ｎ−クラッド層６、ｎ−クラッド層７およびＭＱＷ発光層８を成長させる。
【０２０３】
図３７に示すように、ＭＱＷ発光層８は、複数の障壁層８ａと複数の量子井戸層８ｂとが交互に積層されてなる。ＭＱＷ発光層８への不純物のドーピング方法は、第２〜第８の実施例と同様である。
【０２０４】
次に、図３８に示すように、集束イオンビーム（ＦＩＢ）等により、ＭＱＷ発光層８の一部をｎ−クラッド層７に達するまで線状に削り、ＭＱＷ発光層８を線状に加工する。ＭＱＷ発光層８の残存する部分の幅は例えば５ｎｍ程度であり、ＦＩＢにより削った部分の幅は例えば２０ｎｍ程度とする。
【０２０５】
その後、図３９に示すように、ＭＱＷ発光層８をアンドープＧａＮ層８ｃで埋め込む。それにより、量子細線構造を有するＭＱＷ発光層８０が形成される。
【０２０６】
さらに、図４０に示すように、ＭＱＷ発光層８０上に、図１９の工程と同様にして、ＭＯＶＰＥ法により、ｎ−逆導電型層９、ｐ−クラッド層１０およびｐ−キャップ層１１を順に成長させる。以後の工程は、図２０〜図２３に示した工程と同様である。
【０２０７】
本実施例の半導体レーザ素子では、量子細線構造を有するＭＱＷ発光層８０において、基板上の結晶成長方向に電位勾配が発生する。そこで、第２〜第８の実施例と同様に、ＭＱＷ発光層８０とｐ−クラッド層１０との間にｎ−逆導電型層９を形成するとともに、基板上の結晶成長方向に関して不純物を不均一にドープする。それにより、量子細線構造のＭＱＷ発光層８０において発生した電位勾配が減少する。その結果、電流として注入された電子と正孔との分離が抑制されるので、発光効率の低下およびしきい値電流の上昇が抑制される。
【０２０８】
なお、量子細線構造の発光層８０において、電位勾配の発生する方向は、基板上の結晶成長方向に限らない。基板の面方位、量子細線の方位、量子細線の形状等により、基板の面内方向に電位勾配が発生する場合がある。このような場合には、イオン注入等の方法で、基板の面内方向に関してドーピングを不均一にすればよい。
【０２０９】
なお、上記第１〜第１４の実施例では、本発明を半導体レーザ素子に適用した場合について説明したが、本発明は、発光ダイオード等の他の発光素子にも適用することができる。
【０２１０】
第１〜第３の実施の形態において、アクセプタ準位あるいはドナー準位を形成する方法として不純物をドープする方法の他に、空格子等の格子欠陥によりアクセプタ準位あるいはドナー準位を形成する方法でも、同様の効果を有する。
【０２１１】
○歪により電位勾配の発生する発光層の面方位
発光層の界面に垂直な方向の分極は、PIEZOELECTRICITY Vol. 1(New Revised Edition) by W.G.CADY Dover Publications, Inc. New York 1964 等の文献にしたがって、計算することができる。
【０２１２】
図４１において、ｚ軸を界面に垂直な方向とする。ＸＹＺ座標系をＺ軸を回転軸として角度α回転させる。回転後の座標軸は、Ｘ軸がξ軸に移り、Ｙ軸がｙ軸に移る。
【０２１３】
ξｙＺ座標系をｙ軸を回転軸として角度β回転させる。回転後の座標軸は、ξ軸がｘ軸に移り、Ｚ軸がｚ軸に移る。
【０２１４】
ウルツ鉱型結晶では、Ｘ軸を結晶の［２-1-1０］軸とし、Ｙ軸を［０１-1０］軸とし、Ｚ軸を［０００１］軸とする。また、閃亜鉛鉱型結晶では、Ｘ軸を結晶の［１００］軸とし、Ｙ軸を［０１０］軸とし、Ｚ軸を［００１］軸とする。
【０２１５】
ここで、ｚ軸方向の分極をＰz とし、歪テンソルをεxx、εyy、εyz、εxz、εxyとし、圧電係数（piezoelectric stress coefficients ）をｅ31、ｅ33、ｅ15、ｅ14とする。
【０２１６】
第１〜第１３の実施例のような通常の単層構造および量子井戸構造では電位勾配はｚ軸方向の分極Ｐz に比例し、εxx＝εyy、εyz＝εxz＝εxy＝０であり、εxxとεzzの符号が異なる。
【０２１７】
ウルツ鉱型結晶では、ｚ軸方向の分極Ｐz は次式で表される。
Ｐz ＝εxxｃｏｓβ（ｅ31ｃｏｓ2 β＋ｅ33ｓｉｎ2 β−ｅ15ｓｉｎ2 β）＋εyyｅ31ｃｏｓβ＋εzzｃｏｓβ（ｅ31ｓｉｎ2 β＋ｅ33ｃｏｓ2 β＋ｅ15ｓｉｎ2 β）＋εxzｓｉｎβ（２ｅ31ｃｏｓ2 β−２ｅ33ｃｏｓ2 β＋ｅ15ｓｉｎ2 β）・・・（１）
ｚ軸方向の分極Ｐz はαに無関係である。上式（１）から、ウルツ鉱型結晶では、例えば角度βが９０°となる場合に、ｚ軸方向の分極Ｐz が０となる。すなわち、図３６のｚ軸がＸＹ平面上にある場合に界面に垂直な方向に歪による電位勾配が発生しない。したがって、前述したように、一般式（ＨＫＬ０）面（Ｈ、ＫおよびＬは、Ｈ＋Ｋ＋Ｌ＝０を満足し、かつＨ＝Ｋ＝Ｌ＝０を除く任意の数）で表される面方位では、界面に垂直な方向に電位勾配が発生せず、それ以外の面方位では界面に垂直な方向に電位勾配が発生する。
【０２１８】
ただし、材料によっては圧電係数の値により、偶然圧電効果が発生しない特定の面方位がある。例えば、ｗｕｒｔｚｉｔｅ構造のＣｄＳではｅ31＝−０．２６２Ｃ／ｍ2 、ｅ33＝０．３８５Ｃ／ｍ2 、ｅ15＝−０．１８３Ｃ／ｍ2 、ｗｕｒｔｚｉｔｅ構造のＣｄＳｅではｅ31＝−０．１６０Ｃ／ｍ2 、ｅ33＝０．３４７Ｃ／ｍ2 、ｅ15＝−０．１３８Ｃ／ｍ2 という値が報告されている。したがって、β＝５０°付近で、分極Ｐz が０となり、圧電効果の発生しない面方位がある。
【０２１９】
また、閃亜鉛鉱型結晶では、ｚ軸方向の分極Ｐz は次式で表される。
Ｐz ＝εxxｅ14ｓｉｎαｃｏｓαｃｏｓβ（ｃｏｓ2 β−ｓｉｎ2 β）−εyyｅ14ｓｉｎαｃｏｓαｃｏｓβ＋３εzzｅ14ｓｉｎαｃｏｓαｓｉｎ2 βｃｏｓβ＋２εyzｅ14（ｃｏｓ2 α−ｓｉｎ2 α）ｓｉｎβｃｏｓβ＋２εxzｅ14ｓｉｎαｃｏｓαｓｉｎβ（２ｃｏｓ2 β−ｓｉｎ2 β）＋２εxyｅ14（ｃｏｓ2 α−ｓｉｎ2 α）（ｃｏｓ2 β−ｓｉｎ2 β）・・・（２）
上式（２）から、閃亜鉛鉱型結晶では、例えば角度αが０°または９０°となる場合または角度βが０°または９０°となる場合に、ｚ方向の分極Ｐz が０となる。したがって、前述したように、一般式（０ＭＮ）面（ＭおよびＮは、Ｍ＝Ｎ＝０を除く任意の数）で表される面方位およびこれと等価な面方位では、界面に垂直な方向に電位勾配が発生せず、それ以外の面方位では、界面に垂直な方向に電位勾配が発生する。
【０２２０】
圧電係数の値は、LANDOLT-BORNSTEIN Numerical Data and Functional Relationships in Science and Technology New Series Group III; Crystal and Solid State Physics Vol. 17, Edited by O. Madelung, springer-Verlag Berlin-Heidelberg 1982 等に記載されている。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１〜第８の実施例における半導体レーザ素子の構成を示す模式的斜視図である。
【図２】第１の実施例の半導体レーザ素子における発光層のエネルギーバンド図である。
【図３】第１の実施例の半導体レーザ素子における発光層のエネルギーバンド図である。
【図４】第２〜８の実施例の半導体レーザ素子におけるＭＱＷ発光層のエネルギーバンド図である。
【図５】第２の実施例の半導体レーザ素子におけるＭＱＷ発光層のエネルギーバンド図である。
【図６】第２の実施例の半導体レーザ素子におけるＭＱＷ発光層のエネルギーバンド図である。
【図７】第３の実施例の半導体レーザ素子におけるＭＱＷ発光層のエネルギーバンド図である。
【図８】第３の実施例の半導体レーザ素子におけるＭＱＷ発光層のエネルギーバンド図である。
【図９】第４の実施例の半導体レーザ素子におけるＭＱＷ発光層のエネルギーバンド図である。
【図１０】第４の実施例の半導体レーザ素子におけるＭＱＷ発光層のエネルギーバンド図である。
【図１１】第５の実施例の半導体レーザ素子におけるＭＱＷ発光層のエネルギーバンド図である。
【図１２】第５の実施例の半導体レーザ素子におけるＭＱＷ発光層のエネルギーバンド図である。
【図１３】第６の実施例の半導体レーザ素子におけるＭＱＷ発光層のエネルギーバンド図である。
【図１４】第６の実施例の半導体レーザ素子におけるＭＱＷ発光層のエネルギーバンド図である。
【図１５】第７の実施例の半導体レーザ素子におけるＭＱＷ発光層のエネルギーバンド図である。
【図１６】第７の実施例の半導体レーザ素子におけるＭＱＷ発光層のエネルギーバンド図である。
【図１７】第８の実施例の半導体レーザ素子におけるＭＱＷ発光層のエネルギーバンド図である。
【図１８】第８の実施例の半導体レーザ素子におけるＭＱＷ発光層のエネルギーバンド図である。
【図１９】図１の半導体レーザ素子の製造方法を示す模式的工程断面図である。
【図２０】図１の半導体レーザ素子の製造方法を示す模式的工程断面図である。
【図２１】図１の半導体レーザ素子の製造方法を示す模式的工程断面図である。
【図２２】図１の半導体レーザ素子の製造方法を示す模式的工程断面図である。
【図２３】図１の半導体レーザ素子の製造方法を示す模式的工程断面図である。
【図２４】第１０の実施例における半導体レーザ素子の構成を示す模式的斜視図である。
【図２５】第１０の実施例の半導体レーザ素子における発光層のエネルギーバンド図である。
【図２６】第１０の実施例の半導体レーザ素子における発光層のエネルギーバンド図である。
【図２７】第１１の実施例における半導体レーザ素子の構成を示す模式的斜視図である。
【図２８】第１１の実施例の半導体レーザ素子における発光層のエネルギーバンド図である。
【図２９】第１１の実施例の半導体レーザ素子における発光層のエネルギーバンド図である。
【図３０】本発明の第１２の実施例における埋め込みリッジ構造のＡｌＧａＩｎＰ系半導体レーザ素子の構造を示す模式的断面図である。
【図３１】第１２の実施例の半導体レーザ素子におけるＭＱＷ発光層のエネルギーバンド図である。
【図３２】第１２の実施例の半導体レーザ素子におけるＭＱＷ発光層のエネルギーバンド図である。
【図３３】本発明の第１３の実施例におけるＺｎＳｅ系半導体レーザ素子の構造を示す模式的断面図である。
【図３４】第１３の実施例の半導体レーザ素子におけるＭＱＷ発光層のエネルギーバンド図である。
【図３５】第１３の実施例の半導体レーザ素子におけるＭＱＷ発光層のエネルギーバンド図である。
【図３６】第１４の実施例における半導体レーザ素子の製造方法を示す模式的工程断面図である。
【図３７】第１４の実施例における半導体レーザ素子のＭＱＷ発光層の拡大断面図である。
【図３８】第１４の実施例における半導体レーザ素子の量子細線構造が形成されたＭＱＷ発光層の拡大断面図および模式的平面図である。
【図３９】第１４の実施例における半導体レーザ素子の量子細線構造のＭＱＷ発光層の拡大断面図である。
【図４０】第１４の実施例における半導体レーザ素子の製造方法を示す模式的工程断面図である。
【図４１】歪により電位勾配が発生する量子井戸層の面方位を説明するための図である。
【図４２】従来のＧａＮ系半導体発光素子の構成を示す模式的断面図である。
【図４３】従来の半導体発光素子におけるＭＱＷ発光層のエネルギーバンド図である。
【図４４】従来の半導体発光素子におけるＭＱＷ発光層のエネルギーバンド図である。
【符号の説明】
１ サファイア基板
６，７ ｎ−クラッド層
８，２４，４６，８０ 発光層
８ａ，２４ａ，４６ａ 障壁層
８ｂ 量子井戸層
９，４７ ｎ−逆導電型層
１０ ｐ−クラッド層
１９，４５ ｐ−逆導電型層
２３，４４ ｎ−クラッド層
２４ｂ，４６ｂ 井戸層
２７，４８ ｐ−クラッド層
【発明の属する技術分野】
本発明は、圧電効果を有する材料により形成される発光素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＧａＮ、ＧａＩｎＮ、ＡｌＧａＮ、ＡｌＧａＩｎＮ等のIII 族窒化物半導体（以下、窒化物系半導体と呼ぶ。）を用いた半導体レーザ素子、発光ダイオード等の半導体発光素子は、可視から紫外にわたる領域の光を発生する発光素子として応用が期待されている。
【０００３】
これらの応用の中で、ＧａＩｎＮ量子井戸層を発光層とする半導体発光素子の実用化に向けて開発が盛んに行われている。このような半導体発光素子は、サファイア、炭化ケイ素（ＳｉＣ）等の基板の（０００１）面上に、ＭＯＶＰＥ法（有機金属気相成長法）やＭＢＥ法（分子線エピタキシャル成長法）により作製されている。
【０００４】
図４２は従来のＧａＮ系半導体発光素子の構成を示す模式的断面図である。図４２の半導体発光素子は、特開平６−２６８２５７号公報に開示されている。
【０００５】
図４２において、サファイア基板６１上に、ＧａＮからなるバッファ層６２、ｎ−ＧａＮからなるｎ−コンタクト層６３、多重量子井戸（ＭＱＷ）構造を有する発光層６４、およびｐ−ＧａＮからなるｐ−キャップ層６５が順に形成されている。発光層６４は、組成の異なるＧａＩｎＮからなる複数の障壁層６４ａおよび量子井戸層６４ｂが交互に積層されてなる。
【０００６】
このような従来の半導体発光素子の製造方法では、通常、ほぼ（０００１）面を主面とするサファイア基板６１を用い、例えばＭＯＶＰＥ法により、サファイア基板上にバッファ層６２からｐ−キャップ層６５までの各層を順次形成する。この際、ｎ−コンタクト層６３からｐ−キャップ層６５までの各層は、窒化物系半導体の［０００１］方向に結晶成長する。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、一般的に閃亜鉛鉱構造、ウルツ鉱構造等の対称中心を持たない結晶では、歪により圧電効果が発生することがある。例えば、閃亜鉛鉱構造では、［１１１］軸に関して圧縮または伸張する歪において圧電効果が最も大きくなる。また、ウルツ鉱構造では、［０００１］軸に関して圧縮または伸張する歪において圧電効果が最も大きくなる。
【０００８】
上記の従来の半導体発光素子において、ＧａＩｎＮからなる発光層６４は、（０００１）面を主面とする量子井戸構造を有する。ＧａＩｎＮからなる量子井戸層６４ｂの格子定数は、ｎ−ＧａＮからなるｎ−コンタクト層６３の格子定数よりも大きいので、量子井戸層６４ｂには量子井戸の面内方向（界面に平行な方向）に圧縮歪が加わり、量子井戸の閉じ込め方向（界面に垂直な方向）には引張り歪が加わる。その結果、圧電効果に伴う電位勾配が量子井戸層６４ｂ中に発生し、［０００１］方向側の電位が低く、［０００-1］方向側の電位が高くなる。この場合の量子井戸構造の発光層６４のエネルギーバンドを図４３に示す。なお、図４３には、５層の障壁層６４ａおよび４層の量子井戸層６４ｂが示される。
【０００９】
図４３に示すように、発光層６４内の量子井戸層６４ｂに電位勾配が発生するため、図４４に示すように、注入された電流による電子と正孔とが空間的に分離する。その結果、半導体発光素子において、発光効率が低下する。特に、半導体レーザ素子においては、しきい値電流が高くなる。
【００１０】
発光層６４の量子井戸層６４ｂに不純物を添加すると、キャリアの移動により電位勾配が減少する効果が現れる。しかし、量子井戸層６４ｂにｐ型不純物およびｎ型不純物の両方が添加されると、キャリアが補償され、キャリア濃度が低下する。それにより、キャリアの移動により電位勾配が減少する効果が小さくなる。特に、量子井戸層６４ｂに添加されたｐ型不純物の濃度とｎ型不純物の濃度とがほぼ等しい場合には、キャリアの移動により電位勾配が減少する効果がさらに小さくなる。
【００１１】
このような現象は、閃亜鉛鉱構造やウルツ鉱構造等の他のIII −Ｖ族化合物半導体（例えばＧａＩｎＰ系半導体、ＧａＡｓ系半導体またはＩｎＰ系半導体）、II−VI族半導体、Ｉ−VII 族半導体においても発生する。特に、窒化物系半導体では圧電効果が大きいため、圧電効果により発生する電位勾配が大きくなり、発光効率の低下やしきい値電流および動作電流の上昇が顕著に現れる。
【００１２】
本発明の目的は、発光効率が高く動作電流またはしきい値電流が低い発光素子を提供することである。
【００１３】
【課題を解決するための手段および発明の効果】
本発明に係る発光素子は、圧電効果の発生を伴う歪を有する発光層が第１のｎ型層と第１のｐ型層とに挟まれるように配置された発光素子であって、発光層は、圧電効果の発生を伴う歪を有する１つ以上の井戸層と、井戸層を挟むように配置された２つ以上の障壁層とから構成される量子井戸構造を有し、圧電効果の結果として発生する電位勾配のため発光層の電位は第１のｎ型層側が第１のｐ型層側に比べて高く、少なくとも発光層と第１のｐ型層との間に発光層よりも大きい禁制帯幅を有する第２のｎ型層を有し、第２のｎ型層が光ガイド層であることを特徴とするものである。
【００１４】
本発明に係る発光素子においては、第２のｎ型層が発光層と第１のｐ型層との間に形成されたことにより、発光層の界面に垂直な方向に電子の移動が生じ、電子とイオン化したドナー準位とが空間的に分離され、界面に垂直な方向に圧電効果のために発生する電位勾配が低減される。それにより、電流として注入される電子と正孔との分離が抑制されるので、利得が得られやすくなり、発光効率の低下および動作電流またはしきい値電流の上昇が抑制される。
【００１５】
また、第１のｐ型層は第１のクラッド層を含み、第２のｎ型層の禁制帯幅が第１のクラッド層よりも小さくてもよい。この場合、第２のｎ型層の屈折率が第１のクラッド層よりも大きくなるため、第２のｎ型層が光ガイド層としての機能を有する。
【００１６】
本発明に係る発光素子は、圧電効果の発生を伴う歪を有する発光層が第１のｎ型層と第１のｐ型層とに挟まれるように配置された発光素子であって、発光層は、圧電効果の発生を伴う歪を有する１つ以上の井戸層と、前記井戸層を挟むように配置された２つ以上の障壁層とから構成される量子井戸構造を有し、圧電効果の結果として発生する電位勾配のため発光層の電位は第１のｎ型層側が第１のｐ型層側に比べて高く、少なくとも発光層と第１のｎ型層との間に発光層よりも大きい禁制帯幅を有する第２のｐ型層を有し、第２のｐ型層が光ガイド層であることを特徴とするものである。
【００１７】
本発明に係る発光素子においては、第２のｐ型層が発光層と第１のｎ型層との間に形成されることにより、発光層の界面に垂直な方向に正孔の移動が生じ、正孔とイオン化したアクセプタ準位とが空間的に分離され、界面に垂直な方向に圧電効果のために発生する電位勾配が低減される。それにより、電流として注入される電子と正孔との分離が抑制されるので、利得が得られやすくなり、発光効率の低下および動作電流またはしきい値電流の上昇が抑制される。
【００１８】
また、第１のｎ型層が第２のクラッド層を含み、第２のｐ型層の禁制帯幅が第２のクラッド層よりも小さくてもよい。この場合、第２のｐ型層の屈折率が第２のクラッド層よりも大きくなるため、第２のｐ型層が光ガイド層としての機能を有する。
【００１９】
発光層を構成する材料の構造はウルツ鉱構造であってもよい。ウルツ鉱構造の結晶においては、歪により圧電効果が発生する。したがって、発光層と第１のｐ型層との間に第２のｎ型層を設けるか、あるいは発光層と第１のｎ型層との間に第２のｐ型層を設けることにより、圧電効果のために発生した発光層の電位勾配が減少する。
【００２０】
発光層の主面はほぼ＜０００１＞方向であってもよい。ウルツ鉱構造の結晶では＜０００１＞軸に関して圧縮または伸張する歪による圧電効果が最も大きくなるので、第２のｎ型層または第２のｐ型層を形成することによる電位勾配の減少の効果が顕著に現れる。
【００２１】
発光層を構成する材料の構造は閃亜鉛鉱構造であってもよい。閃亜鉛鉱構造の結晶においては、歪により圧電効果が発生する。したがって、発光層と第１のｐ型層との間に第２のｎ型層を設けるかまたは発光層と第１のｎ型層との間に第２のｐ型層を設けることにより、圧電効果のために発生した発光層の電位勾配が減少する。
【００２２】
また、発光層の主面はほぼ＜１１１＞方向であってもよい。閃亜鉛鉱構造の結晶では、＜１１１＞軸方向に関して圧縮または伸張する歪による圧電効果が最も大きくなるので、第２のｎ型層または第２のｐ型層を形成することによる電位勾配の減少の効果が顕著に現れる。
【００２３】
圧電効果の発生を伴う歪は、発光層の面内方向に発光層を圧縮する歪を含んでもよい。この場合には、発光層の面内方向に発光を圧縮する歪により圧電効果が発生する。したがって、発光層と第１のｐ型層との間に第２のｎ型層を形成するかあるいは発光層と第１のｎ型層との間に第２のｐ型層を形成することにより、圧電効果のために発生する電位勾配が低減される。
【００２４】
圧電効果の発生を伴う歪は、発光層の面内方向に発光層を伸張する歪を含んでもよい。この場合には、発光層の面内方向に発光層を伸張する歪により圧電効果が発生する。したがって、発光層と第１のｐ型層との間に第２のｎ型層を形成するかあるいは発光層と第１のｎ型層との間に第２のｐ型層を形成することにより、圧電効果のために発生する電位勾配が低減される。
【００２５】
発光層を構成する材料はIII −Ｖ族化合物半導体であってもよい。また、III −Ｖ族化合物半導体は、ホウ素、ガリウム、アルミニウムおよびインジウムの少なくとも１つを含む窒化物系半導体であってもよい。特に、窒化物系半導体では圧電効果が大きいため、圧電効果により発生する電位勾配が大きくなる。したがって、発光層と第１のｐ型層との間に第２のｎ型層を形成するかあるいは発光層と第１のｎ型層との間に第２のｐ型層を形成することによる電位勾配の減少の効果が顕著に現れる。
【００２６】
発光層を構成する材料はＩＩ−ＶＩ族化合物半導体であってもよい。この場合にも、発光層と第１のｐ型層との間に第２のｎ型層を形成するかあるいは発光層と第１のｎ型層との間に第２のｐ型層を形成することにより、圧電効果のために発生する電位勾配を低減することができる。
【００２８】
また、量子井戸構造の発光層中にアクセプタ準位およびドナー準位のうち少なくとも一方の準位が量子井戸構造の閉じ込め方向に圧電効果の結果として発生する電位勾配を低減するように不均一に形成されてもよい。
【００２９】
この場合、量子井戸構造の発光層中にアクセプタ準位およびドナー準位のうち少なくとも一方の準位が不均一に形成されることにより、量子井戸構造の閉じ込め方向に圧電効果のために発生する電位勾配がさらに低減される。それにより、電流として注入される電子と正孔との分離がさらに抑制されるので、利得が得られやすくなり、発光効率の低下および動作電流またはしきい値電流の上昇がさらに抑制される。
【００３０】
発光層は、２つ以上の井戸層と、井戸層を挟む３つ以上の障壁層とにより構成される多重量子井戸構造を有してもよい。また、発光層は、１つの井戸層と、井戸層を挟む２つの障壁層とにより構成される単一量子井戸構造を有してもよい。
【００３１】
井戸層内において、圧電効果の結果として発生する電位の高い側に電位の低い側に比べてアクセプタ準位が多く形成されてもよい。
【００３２】
この場合、量子井戸構造の閉じ込め方向に正孔の移動が生じ、正孔とイオン化したアクセプタ準位とが空間的に分離する。それにより、圧電効果のために発生した井戸層の電位勾配が減少する。
【００３３】
井戸層内において、圧電効果の結果として発生する電位の低い側に電位の高い側に比べてドナー準位が多く形成されてもよい。
【００３４】
この場合、量子井戸構造の閉じ込め方向に電子の移動が生じ、電子とイオン化したドナー準位とが空間的に分離する。それにより、圧電効果のために発生した井戸層の電位勾配がさらに減少する。
【００３５】
障壁層内において、圧電効果の結果として発生する電位の高い側の井戸層の界面と接する部分に電位の低い側の井戸層の界面と接する部分に比べてアクセプタ準位が多く形成されてもよい。
【００３６】
この場合、量子井戸構造の閉じ込め方向に正孔の移動が生じ、正孔とイオン化したアクセプタ準位とが空間的に分離する。それにより、圧電効果のために発生した井戸層の電位勾配がさらに減少する。
【００３７】
障壁層内において、圧電効果の結果として発生する電位の低い側の井戸層の界面と接する部分に電位の高い側の井戸層の界面と接する部分に比べてドナー準位が多く形成されてもよい。
【００３８】
この場合、量子井戸構造の閉じ込め方向に電子の移動が生じ、電子とイオン化したドナー準位とが空間的に分離する。それにより、圧電効果のために発生した井戸層の電位勾配がさらに減少する。
【００３９】
量子井戸層構造の発光層中にアクセプタ準位およびドナー準位の両方が形成されてもよい。この場合、電子と正孔とが補償され、アクセプタ準位およびドナー準位の形成によるキャリアはほとんど発生しないが、イオン化したアクセプタ準位とイオン化したドナー準位とにより圧電効果のために発生した電位勾配が減少する。
【００４０】
アクセプタ準位の濃度とドナー準位の濃度とがほぼ等しくてもよい。この場合には、キャリアが補償されやすいが、電位勾配が減少する効果は大きい。
【００４１】
【発明の実施の形態】
（Ａ）第１の実施の形態
第１の実施の形態の発光素子は、（０００１）面を主面とするウルツ鉱構造の発光層を有する。この発光層は、発光層の面に垂直な方向（界面に垂直な方向）に歪を有する。このような発光層中には、圧電効果により電位勾配が形成される。
【００４２】
ここで、歪みを有する発光層は、１つの量子井戸層が２つの障壁層の間に挟まれた単一量子井戸構造（ＳＱＷ構造）であってもよく。また２つ以上の井戸層と３つ以上の障壁層とが交互に積層されてなる多重量子井戸構造（ＭＱＷ構造）であってもよい。ＳＱＷ構造およびＭＱＷ構造のような量子井戸構造を有する発光層においては、井戸層が歪みを有しており、井戸層内に圧電効果により電位勾配が形成される。
【００４３】
発光層はｐ型層とｎ型層とに挟まれるように配置される。ｐ型層にはｐ電極が形成されており、ｐ電極からｐ型層に正孔が注入される。ｎ型層にはｎ電極が形成されており、ｎ電極からｎ型層に電子が注入される。
【００４４】
III −Ｖ族化合物半導体において、発光層が面内方向（界面に平行な方向）に圧縮歪を有し、発光層の界面に垂直な方向に伸張する歪を有する場合、圧電効果により発生した発光層中の電位勾配において、［０００-1］方向側の電位が高く、［０００１］方向側の電位が低い。このような歪を発光層に有し、［０００１］方向側にｐ型層を有し、［０００-1］方向側にｎ型層を有している発光素子において、発光層における電位は、ｎ型層側の方がｐ型層側に比べて高い。なお、発光層が量子井戸構造を有する場合において、量子井戸層内における電位は、ｎ型層側の方がｐ型層側に比べて高い。圧電効果のために発生した電位勾配を減少させるためには、ｐ型層と発光層との間に、発光層に比べて大きな禁制帯幅を有するｎ型の逆導電型層を形成する。あるいは、ｎ型層と発光層との間に、発光層に比べて大きな禁制帯幅を有するｐ型の逆導電型層を形成する。このような方法により、発光層が単層構造を有する場合、および量子井戸構造を有する場合のいずれにおいても、同様の効果が得られる。
【００４５】
さらに、発光層が量子井戸構造を有する場合においては、量子井戸層にアクセプタ準位またはドナー準位を不均一に形成することで、圧電効果のために発生した発光層の電位勾配をさらに低減することができる。この場合、アクセプタ準位を量子井戸層中の［０００-1］方向側の部分に多く形成し、または障壁層中で量子井戸層の［０００-1］方向側の界面と接する部分に多く形成する。あるいは、ドナー準位を量子井戸層中の［０００１］方向側の部分に多く形成し、または障壁層中で量子井戸層の［０００１］方向側の界面と接する部分に多く形成する。
【００４６】
一方、III −Ｖ族化合物半導体において、発光層が面内方向（界面に平行な方向）に伸張する歪を有し、発光層の界面に垂直な方向に圧縮歪を有する場合、圧電効果により発生した発光層中の電位勾配において、［０００１］方向側の電位が高く、［０００-1］方向側の電位が低い。このような歪を発光層に有し、［０００１］方向側にｎ型層を有し、［０００-1］方向側にｐ型層を有している発光素子において、発光層における電位は、ｎ型層側の方がｐ型層側に比べて高い。なお、発光層が量子井戸構造を有する場合において、量子井戸層内における電位は、ｎ型層側の方がｐ型層側に比べて高い。圧電効果のために発生した電位勾配を減少させるためには、ｐ型層と発光層との間に、発光層に比べて大きな禁制帯幅を有するｎ型の逆導電型層を形成する。あるいは、ｎ型層と発光層との間に、発光層に比べて大きな禁制帯幅を有するｐ型の逆導電型層を形成する。このような方法により、発光層が単層構造を有する場合、および量子井戸構造を有する場合のいずれにおいても、同様の効果が得られる。
【００４７】
さらに、発光層が量子井戸構造を有する場合においては、量子井戸層にアクセプタ準位またはドナー準位を不均一に形成することで、圧電効果のために発生した発光層の電位勾配をさらに低減することができる。この場合、アクセプタ準位を量子井戸層中の［０００１］方向側の部分に多く形成し、または障壁層中で量子井戸層の［０００１］方向側の界面と接する部分に多く形成する。あるいは、ドナー準位を量子井戸層中の［０００-1］方向側の部分に多く形成し、または障壁層中で量子井戸層の［０００-1］方向側の界面と接する部分に多く形成する。
【００４８】
図１は本発明の第１〜第８の実施例における半導体レーザ素子の構成を示す模式的斜視図である。
【００４９】
図１において、サファイア基板１の（０００１）面上に厚さ１５ｎｍ程度のＡｌＧａＮからなるバッファ層２が形成されている。このバッファ層２上に、厚さ０．５μｍ程度のアンドープＧａＮ層３、厚さ４μｍ程度のｎ−ＧａＮからなるｎ−コンタクト層４、厚さ０．１μｍ程度のｎ−ＧａＩｎＮからなるｎ−クラック防止層５、厚さ０．４５μｍ程度のｎ−ＡｌＧａＮからなるｎ−クラッド層６、厚さ５０ｎｍ程度のｎ−ＧａＮからなるｎ−クラッド層７、および厚さ５０ｎｍ程度のＧａＩｎＮからなる発光層８が順に形成されている。この場合においては、ｎ−クラッド層７が光ガイド層としての機能も兼ね備えている。
【００５０】
なお、後述するように、第１の実施例の半導体レーザ素子の発光層８は、単層構造を有する。また、第２〜第８の実施例の半導体レーザ素子の発光層８は、多重量子井戸構造を有する。
【００５１】
発光層８上に、厚さ４０ｎｍ程度のｎ−ＧａＮからなるｎ−逆導電型層９、厚さ０．４５μｍ程度のｐ−ＡｌＧａＮからなるｐ−クラッド層１０および厚さ５０ｎｍ程度のｐ−ＧａＮからなるｐ−キャップ層１１が順に形成されている。
【００５２】
ｐ−キャップ層１１上には、厚さ０．２μｍ程度のシリコン窒化物からなる電流狭窄層（電流ブロック層）１４が形成されている。電流狭窄層１４は、幅２μｍ程度のストライプ状開口部を有し、このストライプ状開口部が電流通路１３となる。
【００５３】
電流狭窄層１４のストライプ状開口部内およびｐ−キャップ層１１上および電流狭窄層１４上には、厚さ３〜５μｍのｐ−ＧａＮからなるｐ−コンタクト層１２が形成されている。アンドープＧａＮ層３からｐ−コンタクト層１２までの各層はウルツ鉱構造を有し、これらの窒化物系半導体の［０００１］方向に成長している。
【００５４】
ｐ−コンタクト層１２からｎ−コンタクト層４までの一部領域が除去され、ｎ−コンタクト層４の表面が露出している。それにより、幅約１０μｍのメサ形状が形成されている。ｐ−コンタクト層１２上にｐ電極１５が形成され、ｎ−コンタクト層４の露出した表面上にｎ電極１６が形成されている。
【００５５】
上記の半導体レーザ素子は、ＩｎＧａＮからなり（０００１）面を主面とする発光層８を有するとともに、発光層８の［０００１］方向にｐ−クラッド層１０を有し、発光層８の［０００-1］方向側にｎ−クラッド層７を有する。この場合、発光層８の面内方向（界面に平行な方向）に圧縮歪が発生し、発光層８の界面に垂直な方向に伸張する歪が発生する。その結果、発光層８内に圧電効果に伴う電位勾配が形成される。この電位勾配において、ｎ−クラッド層７が形成された［０００-1］方向側の電位が高く、ｐ−クラッド層１０が形成された［０００１］側の電位が低い。
【００５６】
以下の第１〜第８の実施例では、発光層８に形成される電位勾配を低減するために、ｐ−クラッド層１０と発光層８との間に、発光層８に比べて大きな禁制帯幅を有するｎ−ＧａＮからなるｎ−逆導電型層９が形成されている。なお、ｎ−逆導電型層９の厚さは１〜１００ｎｍ程度であることが好ましく、例えばこの場合においては４０ｎｍ程度である。また、ｎ−逆導電型層９のドナー準位の濃度は１×１０17〜３×１０18ｃｍ-3程度であることが好ましい。さらに、後述のように、ｎ−逆導電型層９は、ｐ−クラッド層１０に比べて屈折率が高いため、光ガイド層としての機能も兼ね備えている。
【００５７】
（１）第１の実施例
図２および図３は第１の実施例の半導体レーザ素子におけるｎ−クラッド層７、発光層８、ｎ−逆導電型層９およびｐ−クラッド層１０のエネルギーバンド図である。なお、実施例１の半導体レーザ素子において、発光層８は単層構造を有する。
【００５８】
ここで、厚さ０．５μｍ程度のアンドープＧａＮ層３および厚さ４μｍ程度のｎ−ＧａＮからなるｎ−コンタクト層４の格子定数に比べて、ＩｎＧａＮからなる発光層８の格子定数が大きいので、発光層８の面内方向（界面に平行な方向）に圧縮歪が発生し、発光層８の界面に垂直な方向に伸張する歪が発生する。
【００５９】
図２に示すように、発光層８には圧電効果に伴う電位勾配が形成されているため、発光層８の禁制帯（エネルギーバンド）は勾配を有する。発光層８のエネルギーバンドにおいて、［０００１］方向側つまりｐ−クラッド層１０側が、［０００-1］方向側つまりｎ−クラッド層７側に比べて高い。
【００６０】
発光層８の［０００１］方向側つまりエネルギーバンドのエネルギーの高い側に、ドナー準位が形成されるとともに発光層８に比べて大きな禁制帯幅（エネルギーバンドギャップ）を有するｎ−ＧａＮからなるｎ−逆導電型層９が形成されている。このｎ−逆導電型層９の禁制帯幅は、ｐ−ＡｌＧａＮからなるｐ−クラッド層１０に比べて小さいので、ｎ−逆導電型層９の屈折率はｐ−クラッド層１０に比べ大きい。したがって、ｎ−逆導電型層９は光ガイド層としての機能も有している。
【００６１】
本実施例では、図２に示すように発光層８の［０００１］方向側、すなわちエネルギーバンドのエネルギーの高い側に発光層８に比べて大きな禁制帯幅を有するｎ−逆導電型層９が形成されているので、図３に示すように［０００-1］方向に電子の移動が生じ、電子とイオン化したドナー準位とが空間的に分離する。それにより、圧電効果のために発生した発光層８の電位勾配が減少し、エネルギーバンドの勾配も減少する。その結果、電流として注入された電子と正孔との分離が抑制されるので、発光効率の低下およびしきい値電流の上昇が抑制される。
【００６２】
上記の実施例１においては、発光層８が単層構造を有する場合について説明したが、以下の実施例２〜８においては、発光層８が多重量子井戸構造（ＭＱＷ構造）を有する場合について説明する。
【００６３】
図４はＭＱＷ構造を有する発光層８（以下、ＭＱＷ発光層８と呼ぶ）のエネルギーバンド図である。
【００６４】
図４に示すようにＭＱＷ発光層８は、厚さ４ｎｍ程度のＧａＮからなる障壁層８ａと厚さ４ｎｍ程度のＧａＩｎＮからなる量子井戸層８ｂとが交互に積層されてなる多重量子井戸構造を有する。例えば、ＧａＮからなる障壁層８ａの数は５であり、ＧａＩｎＮからなる量子井戸層８ｂの数は４である。
【００６５】
ここで、厚さ０．５μｍ程度のアンドープＧａＮ層３および厚さ４μｍ程度のｎ−ＧａＮからなるｎ−コンタクト層４の格子定数に比べて、ＧａＩｎＮからなる量子井戸層８ｂの格子定数が大きいので、量子井戸の面内方向（界面に平行な方向）に圧縮歪が発生し、量子井戸の閉じ込め方向（界面に垂直な方向）に伸張する歪が発生する。その結果、ＭＱＷ発光層８内の量子井戸層８ｂに圧電効果に伴う電位勾配が形成され、ＭＱＷ発光層８内のエネルギーバンドは図４に示す構造となる。
【００６６】
図４に示すように、ＭＱＷ発光層８のエネルギーバンドにおいては、［０００１］方向側つまりｐ−クラッド層１０側が、［０００-1］方向側つまりｎ−クラッド層７側に比べて高い。
【００６７】
以下の第２〜第８の実施例では、量子井戸層８ｂに形成される電位勾配を低減するために、ＭＱＷ発光層８とｐ−クラッド層１０との間にｎ−ＧａＮからなるｎ−逆導電型層９が形成されるとともに、ＭＱＷ発光層８中にｐ型不純物およびｎ型不純物の少なくとも一方が不均一に添加される。
【００６８】
（２）第２の実施例
図５および図６は第２の実施例の半導体レーザ素子におけるＭＱＷ発光層８のエネルギーバンド図である。
【００６９】
図５に示すように、ＭＱＷ発光層８の［０００１］方向側つまりエネルギーバンドの高い側に、ＭＱＷ発光層８に比べて大きな禁制帯幅を有し、ドナー準位が形成されたＧａＮからなるｎ−逆導電型層９が形成されている。このｎ−逆導電型層９の禁制帯幅は、ｐ−ＡｌＧａＮからなるｐ−クラッド層１０の禁制帯幅に比べて小さいので、ｎ−逆導電型層９の屈折率はｐ−クラッド層１０の屈折率に比べて大きくなる。したがって、ｎ−逆導電型層９は光ガイド層としての機能も有している。
【００７０】
なお、ＭＱＷ発光層に比べて大きな禁制帯幅を有する逆導電型層は、ＭＱＷの電子に対する基底状態のエネルギーより逆導電型層の伝導帯のバンド下端のエネルギーが高く、かつＭＱＷの正孔に対する基底状態のエネルギーより、逆導電型層の価電子帯のバンド上端のエネルギーが低い半導体から構成される。
【００７１】
さらに、ｐ型不純物として例えばＭｇが量子井戸層８ｂ中の［０００-1］方向側つまりｎ−クラッド層７側に多くドープされている。具体的には、量子井戸層８ｂ中のｎ−クラッド層７側の厚さ約２ｎｍの部分にのみＭｇがドープされ、量子井戸層８ｂ中のｐ−クラッド層９側の厚さ約２ｎｍの部分にＭｇはドープされていない。
【００７２】
Ｍｇのドープ量としては、１×１０17〜１×１０21ｃｍ-3が好ましい。ｐ型不純物の不均一なドーピングの方法としては、これ以外の方法を用いてもよい。例えば、量子井戸層８ｂ中のｎ−クラッド層７側の界面から深さ約１ｎｍの部分に２×１０10〜２×１０14ｃｍ-2程度の濃度にｐ型不純物をデルタドーピングしてもよい。ｐ型不純物として、Ｍｇ以外にＢｅ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｚｎ、Ｃｄ、Ｈｇ等を用いてもよい。
【００７３】
本実施例では、図５に示すように、量子井戸層８ｂの［０００１］方向側つまりエネルギーバンドの高い側にＭＱＷ発光層８に比べて大きな禁制帯幅を有するｎ−逆導電型層９が形成されているので、図６に示すように、［０００-1］方向に電子の移動が生じ、電子とイオン化したドナー準位とが空間的に分離する。それにより、圧電効果のために発生した量子井戸層８ｂの電位勾配が減少し、エネルギーバンドの勾配も減少する。
【００７４】
さらに、本実施例では、図５に示すようにｐ型不純物として例えばＭｇが量子井戸層８ｂ中の［０００-1］方向側つまりｎ−クラッド層７側に多くドープされているので、図６に示すように［０００１］方向に正孔の移動が生じ、正孔とイオン化したｐ型不純物とが空間的に分離する。それにより、圧電効果のために発生した量子井戸層８ｂの電位勾配がさらに減少し、エネルギーバンドの勾配もさらに減少する。その結果、電流として注入された電子と正孔との分離がさらに抑制されるので、発光効率の低下およびしきい値電流の上昇がさらに抑制される。
【００７５】
（３）第３の実施例
図７および図８は第３の実施例の半導体レーザ素子におけるＭＱＷ発光層８のエネルギーバンド図である。
【００７６】
図７に示すように、ＭＱＷ発光層８の［０００１］方向側つまりエネルギーバンドの高い側に、ＭＱＷ発光層８に比べて大きな禁制帯幅を有し、ドナー準位が形成されたＧａＮからなるｎ−逆導電型層９が形成されている。このｎ−逆導電型層９の禁制帯幅は、ｐ−ＡｌＧａＮからなるｐ−クラッド層１０の禁制帯幅に比べて小さいので、ｎ−逆導電型層９の屈折率はｐ−クラッド層１０の屈折率に比べて大きくなる。したがって、ｎ−逆導電型層９は光ガイド層としての機能も有している。
【００７７】
なお、ＭＱＷ発光層に比べて大きな禁制帯幅を有する逆導電型層は、ＭＱＷの電子に対する基底状態のエネルギーより逆導電型層の伝導帯のバンド下端のエネルギーが高く、かつＭＱＷの正孔に対する基底状態のエネルギーより、逆導電型層の価電子帯のバンド上端のエネルギーが低い半導体から構成される。
【００７８】
さらに、ｎ型不純物として例えばＳｉが量子井戸層８ｂ中の［０００１］方向側つまりｐ−クラッド層１０側に多くドープされている。具体的には、量子井戸層８ｂ中のｐ−クラッド層１０側の厚さ約２ｎｍの部分にのみＳｉがドープされ、量子井戸層８ｂ中のｎ−クラッド層７側の厚さ約２ｎｍの部分にＳｉはドープされていない。
【００７９】
Ｓｉのドープ量としては、１×１０17〜１×１０21ｃｍ-3が好ましい。ｎ型不純物の不均一なドーピングの方法としては、これ以外の方法を用いてもよい。例えば、量子井戸層８ｂ中のｐ−クラッド層１０側の界面から深さ約１ｎｍの部分に２×１０10〜２×１０14ｃｍ-2程度の濃度にｎ型不純物をデルタドーピングしてもよい。ｎ型不純物として、Ｓｉ以外にＧｅ、Ｐｂ、Ｓ、Ｓｅ、Ｔｅ等を用いてもよい。
【００８０】
本実施例では、図７に示すように、量子井戸層８ｂの［０００１］方向側つまりエネルギーバンドの高い側にＭＱＷ発光層８に比べて大きな禁制帯幅を有するｎ−逆導電型層９が形成されているので、図８に示すように、［０００-1］方向に電子の移動が生じ、電子とイオン化したドナー準位とが空間的に分離する。それにより、圧電効果のために発生した量子井戸層８ｂの電位勾配が減少し、エネルギーバンドの勾配も減少する。
【００８１】
さらに、本実施例では、図７に示すようにｎ型不純物として例えばＳｉが量子井戸層８ｂ中の［０００１］方向側つまりｐ−クラッド層１０側に多くドープされているので、図８に示すように［０００-1］方向に電子の移動が生じ、電子とイオン化したｎ型不純物とが空間的に分離する。それにより、圧電効果のために発生した量子井戸層８ｂの電位勾配がさらに減少する。その結果、電流として注入された電子と正孔との分離がさらに抑制されるので、発光効率の低下およびしきい値電流のさらに上昇が抑制される。
【００８２】
（４）第４の実施例
図９および図１０は第４の実施例の半導体レーザ素子におけるＭＱＷ発光層８のエネルギーバンド図である。
【００８３】
図９に示すように、ＭＱＷ発光層８の［０００１］方向側つまりエネルギーバンドの高い側に、ＭＱＷ発光層８に比べて大きな禁制帯幅を有し、ドナー準位が形成されたＧａＮからなるｎ−逆導電型層９が形成されている。このｎ−逆導電型層９の禁制帯幅は、ｐ−ＡｌＧａＮからなるｐ−クラッド層１０の禁制帯幅に比べて小さいので、ｎ−逆導電型層９の屈折率はｐ−クラッド層１０の屈折率に比べて大きくなる。したがって、ｎ−逆導電型層９は光ガイド層としての機能も有している。
【００８４】
なお、ＭＱＷ発光層に比べて大きな禁制帯幅を有する逆導電型層は、ＭＱＷの電子に対する基底状態のエネルギーより逆導電型層の伝導帯のバンド下端のエネルギーが高く、かつＭＱＷの正孔に対する基底状態のエネルギーより、逆導電型層の価電子帯のバンド上端のエネルギーが低い半導体から構成される。
【００８５】
さらに、ｐ型不純物として例えばＭｇが障壁層８ａ中で量子井戸層８ｂの［０００-1］方向側つまりｎ−クラッド層７側の界面と接する部分に多くドープされている。具体的には、障壁層８ａ中で量子井戸層８ｂのｎ−クラッド層７側の界面と接する厚さ約２ｎｍの部分にのみＭｇがドープされ、障壁層８ａ中で量子井戸層８ｂのｐ−クラッド層１０側の界面と接する厚さ約２ｎｍの部分にＭｇはドープされていない。
【００８６】
Ｍｇのドープ量としては、１×１０17〜１×１０21ｃｍ-3が好ましい。ｐ型不純物の不均一なドーピングの方法としては、これ以外の方法を用いてもよい。例えば、障壁層８ａ中で量子井戸層８ｂのｎ−クラッド層７側の界面から深さ約１ｎｍの部分に２×１０10〜２×１０14ｃｍ-2程度の濃度にｐ型不純物をデルタドーピングしてもよい。ｐ型不純物として、Ｍｇ以外にＢｅ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｚｎ、Ｃｄ、Ｈｇ等を用いてもよい。
【００８７】
本実施例では、図９に示すように、量子井戸層８ｂの［０００１］方向側つまりエネルギーバンドの高い側にＭＱＷ発光層８に比べて大きな禁制帯幅を有するｎ−逆導電型層９が形成されているので、図１０に示すように、［０００-1］方向に電子の移動が生じ、電子とイオン化したドナー準位とが空間的に分離する。それにより、圧電効果のために発生した量子井戸層８ｂの電位勾配が減少し、エネルギーバンドの勾配も減少する。
【００８８】
さらに、本実施例では、図９に示すようにｐ型不純物として例えばＭｇが障壁層８ａ中で量子井戸層８ｂの［０００-1］方向側つまりｎ−クラッド層７側の界面と接する部分に多くドープされているので、図１０に示すように［０００１］方向に正孔の移動が生じ、正孔とイオン化したｐ型不純物とが空間的に分離する。それにより、圧電効果のために発生した量子井戸層８ｂの電位勾配がさらに減少する。その結果、電流として注入された電子と正孔との分離がさらに抑制されるので、発光効率の低下およびしきい値電流の上昇がさらに抑制される。
【００８９】
（５）第５の実施例
図１１および図１２は第５の実施例の半導体レーザ素子におけるＭＱＷ発光層８のエネルギーバンド図である。
【００９０】
図１１に示すように、ＭＱＷ発光層８の［０００１］方向側つまりエネルギーバンドの高い側に、ＭＱＷ発光層８に比べて大きな禁制帯幅を有し、ドナー準位が形成されたＧａＮからなるｎ−逆導電型層９が形成されている。このｎ−逆導電型層９の禁制帯幅は、ｐ−ＡｌＧａＮからなるｐ−クラッド層１０の禁制帯幅に比べて小さいので、ｎ−逆導電型層９の屈折率はｐ−クラッド層１０の屈折率に比べて大きくなる。したがって、ｎ−逆導電型層９は光ガイド層としての機能も有している。
【００９１】
なお、ＭＱＷ発光層に比べて大きな禁制帯幅を有する逆導電型層は、ＭＱＷの電子に対する基底状態のエネルギーより逆導電型層の伝導帯のバンド下端のエネルギーが高く、かつＭＱＷの正孔に対する基底状態のエネルギーより、逆導電型層の価電子帯のバンド上端のエネルギーが低い半導体から構成される。
【００９２】
さらに、ｎ型不純物として例えばＳｉが障壁層８ａ中で量子井戸層８ｂの［０００１］方向側つまりｐ−クラッド層１０側の界面と接する部分に多くドープされている。具体的には、障壁層８ａ中で量子井戸層８ｂのｐ−クラッド層１０側の界面と接する厚さ約２ｎｍの部分にのみＳｉがドープされ、障壁層８ａ中で量子井戸層８ｂのｎ−クラッド層７側の界面と接する厚さ約２ｎｍの部分にＳｉはドープされていない。
【００９３】
Ｓｉのドープ量としては、１×１０17〜１×１０21ｃｍ-3が好ましい。ｎ型不純物の不均一なドーピングの方法としては、これ以外の方法を用いてもよい。例えば、障壁層８ａ中で量子井戸層８ｂのｐ−クラッド層１０側の界面から深さ約１ｎｍの部分に２×１０10〜２×１０14ｃｍ-2程度の濃度にｎ型不純物をデルタドーピングしてもよい。ｎ型不純物として、Ｓｉ以外にＧｅ、Ｐｂ、Ｓ、Ｓｅ、Ｔｅ等を用いてもよい。
【００９４】
本実施例では、図１１に示すように、量子井戸層８ｂの［０００１］方向側つまりエネルギーバンドの高い側にＭＱＷ発光層８に比べて大きな禁制帯幅を有するｎ−逆導電型層９が形成されているので、図１２に示すように、［０００-1］方向に電子の移動が生じ、電子とイオン化したドナー準位とが空間的に分離する。それにより、圧電効果のために発生した量子井戸層８ｂの電位勾配が減少し、エネルギーバンドの勾配も減少する。
【００９５】
さらに、本実施例では、図１１に示すようにｎ型不純物として例えばＳｉが障壁層８ａ中で量子井戸層８ｂの［０００１］方向側つまりｐ−クラッド層１０側の界面と接する部分に多くドープされているので、図１２に示すように［０００-1］方向に電子の移動が生じ、電子とイオン化したｎ型不純物とが空間的に分離する。それにより、圧電効果のために発生した量子井戸層８ｂの電位勾配がさらに減少する。その結果、電流として注入された電子と正孔との分離がさらに抑制されるので、発光効率の低下およびしきい値電流の上昇がさらに抑制される。
【００９６】
上記第２〜第５の実施例におけるドーピング方法は、それぞれ単独で用いても効果が得られるが、２つ以上の実施例のドーピング方法を組み合わせてもよい。例えば、第２および第３の実施例を組み合わせてもよく、第２、第３および第４の実施例を組み合わせてもよく、第２、第３、第４および第５の実施例を組み合わせてもよい。これらの場合について以下に説明する。
【００９７】
（６）第６の実施例
図１３および図１４は第６の実施例の半導体レーザ素子におけるＭＱＷ発光層８のエネルギーバンド図である。
【００９８】
第６の実施例は、図１３に示すように、第２の実施例と第３の実施例とを組み合わせたものである。本実施例では、ＭＱＷ発光層８の［０００１］方向側つまりエネルギーバンドの高い側に、ＭＱＷ発光層８に比べて大きな禁制帯幅を有し、ドナー準位が形成されたＧａＮからなるｎ−逆導電型層９が形成されている。
【００９９】
さらに、本実施例では、ｐ型不純物であるＭｇが量子井戸層８ｂ中の［０００-1］方向側つまりｎ−クラッド層７側に多くドープされるとともに、ｎ型不純物であるＳｉが量子井戸層８ｂ中の［０００１］方向側つまりｐ−クラッド層１０側に多くドープされている。なお、本実施例では、ｐ型不純物であるＭｇおよびｎ型不純物であるＳｉのドーピング濃度がほぼ等しい場合について示している。
【０１００】
本実施例では、図１３に示すように、量子井戸層８ｂの［０００１］方向側つまりエネルギーバンドのエネルギーの高い側にＭＱＷ発光層８に比べて大きな禁制帯幅を有するｎ−逆導電型層９が形成されているので、図１４に示すように、［０００-1］方向に電子の移動が生じ、電子とイオン化したドナー準位とが空間的に分離する。それにより、圧電効果のために発生した量子井戸層８ｂの電位勾配が減少し、エネルギーバンドの勾配も減少する。
【０１０１】
さらに、本実施例では、量子井戸層８ｂにおけるｐ型不純物およびｎ型不純物のドーピングにより、図１４に示すように、電子と正孔とが補償され、ドーピングによるキャリアはほとんど発生しないが、イオン化したｐ型不純物とイオン化したｎ型不純物とにより、圧電効果のために発生した電位勾配がさらに減少する。その結果、電流として注入された電子と正孔との分離がさらに抑制されるので、発光効率の低下およびしきい値電流の上昇がさらに抑制される。
【０１０２】
したがって、特に、ＭＱＷ発光層８中にｐ型不純物およびｎ型不純物の両方を添加する場合に、それらのｐ型不純物およびｎ型不純物を不均一に添加することにより、キャリアが補償されても、電位勾配が減少する効果は大きい。また、ＭＱＷ発光層８中に添加されたｐ型不純物の濃度とｎ型不純物の濃度とがほぼ等しい場合には、さらにキャリアが補償されやすいが、電位勾配が減少する効果は大きい。
【０１０３】
なお、例えば第２および第５の実施例を組み合わせた場合、第３および第４の実施例を組み合わせた場合においても、第６の実施例と同等の効果が生じる。
【０１０４】
（７）第７の実施例
図１５および図１６は第７の実施例の半導体レーザ素子におけるＭＱＷ発光層８のエネルギーバンド図である。
【０１０５】
第７の実施例は、図１５に示すように、第４の実施例と第５の実施例とを組み合わせたものである。本実施例では、ＭＱＷ発光層８の［０００１］方向側つまりエネルギーバンドのエネルギーの高い側に、ＭＱＷ発光層８に比べて大きな禁制帯幅を有し、ドナー準位が形成されたＧａＮからなるｎ−逆導電型層９が形成されている。
【０１０６】
さらに、本実施例では、ｐ型不純物であるＭｇが障壁層８ａ中で量子井戸層８ｂの［０００-1］方向側つまりｎ−クラッド層７側の界面と接する部分に多くドープされるとともに、ｎ型不純物であるＳｉが障壁層８ａ中で量子井戸層８ｂの［０００１］方向側つまりｐ−クラッド層１０側の界面と接する側に多くドープされている。なお、本実施例では、ｐ型不純物であるＭｇおよびｎ型不純物であるＳｉのドーピング濃度がほぼ等しい場合について示している。
【０１０７】
本実施例では、図１５に示すように、量子井戸層８ｂの［０００１］方向側つまりエネルギーバンドのエネルギーの高い側にＭＱＷ発光層８に比べて大きな禁制帯幅を有するｎ−逆導電型層９が形成されているので、図１６に示すように、［０００-1］方向に電子の移動が生じ、電子とイオン化したドナー準位とが空間的に分離する。それにより、圧電効果のために発生した量子井戸層８ｂの電位勾配が減少し、エネルギーバンドの勾配も減少する。
【０１０８】
さらに、本実施例では、障壁層中におけるｐ型不純物およびｎ型不純物のドーピングにより、図１６に示すように、電子と正孔とが補償され、ドーピングによるキャリアはほとんど発生しないが、イオン化したｐ型不純物とイオン化したｎ型不純物とにより、圧電効果のために発生した電位勾配がさらに減少する。その結果、電流として注入された電子と正孔との分離がさらに抑制されるので、発光効率の低下およびしきい値電流の上昇がさらに抑制される。
【０１０９】
第４の実施例、第５の実施例および第７の実施例では、量子井戸層８ｂ中にｐ型不純物およびｎ型不純物がドープされていない。したがって、量子井戸層８ｂ中にアクセプタ準位、ドナー準位が存在しないので、アクセプタ準位、ドナー準位または発光センターによる発光を低減できるという効果も得られる。それにより、本実施例のＭＱＷ発光層８を発光ダイオードに適用した場合には、発光スペクトル幅を狭くすることができる。その結果、色純度を向上させることが可能となる。
【０１１０】
（８）第８の実施例
図１７および図１８は第８の実施例の半導体レーザ素子におけるＭＱＷ発光層８のエネルギーバンド図である。
【０１１１】
第８の実施例では、図１７に示すように、第２の実施例と同様、ＭＱＷ発光層８の［０００１］方向側つまりエネルギーバンドのエネルギーの高い側に、ＭＱＷ発光層８に比べて大きな禁制帯幅を有し、ドナー準位が形成されたＧａＮからなるｎ−逆導電型層９が形成されている。
【０１１２】
さらに、ｐ型不純物として例えばＭｇが不均一にドープされた第２の実施例の量子井戸層８ｂ中に、ｎ型不純物として例えばＳｉが均一にドープされている。Ｓｉのドーピング濃度は、５×１０16〜５×１０20ｃｍ-3が好ましい。
【０１１３】
本実施例では、図１７に示すように、量子井戸層８ｂの［０００１］方向側つまりエネルギーバンドのエネルギーの高い側にＭＱＷ発光層８に比べて大きな禁制帯幅を有するｎ−逆導電型層９が形成されているので、図１８に示すように、［０００-1］方向に電子の移動が生じ、電子とイオン化したドナー準位とが空間的に分離する。それにより、圧電効果のために発生した量子井戸層８ｂの電位勾配が減少し、エネルギーバンドの勾配も減少する。
【０１１４】
さらに、本実施例では、図１７に示すようにｐ型不純物として例えばＭｇが量子井戸層８ｂ中の［０００-1］方向側つまりｎ−クラッド層７側に多くドープされ、ｎ型不純物として例えばＳｉが量子井戸層８ｂ中に均一にドープされているので、図１８に示すように電子および正孔は補償され、ドーピングによるキャリアはほとんど発生しないが、イオン化したｐ型不純物およびｎ型不純物により圧電効果のために発生した電位勾配がさらに減少する。その結果、電流として注入された電子と正孔との分離がさらに抑制されるので、発光効率の低下およびしきい値電流の上昇がさらに抑制される。
【０１１５】
なお、例えば第４の実施例の量子井戸層８ｂ中にｎ型不純物を均一にドープした場合、第３または第５の実施例の量子井戸層８ｂ中にｐ型不純物を均一にドープした場合においても、第８の実施例と同等の効果が生じる。
【０１１６】
○図１の半導体レーザ素子の製造方法
図１９〜図２３は図１の半導体レーザ素子の製造方法を示す模式的工程断面図である。
【０１１７】
図１の半導体レーザ素子の各窒化物系半導体層は、ＭＯＶＰＥ法によりサファイア基板１上に形成される。原料ガスとしては、例えばトリメチルアルミニウム（ＴＭＡｌ）、トリメチルガリウム（ＴＭＧａ）、トリメチルインジウム（ＴＭＩｎ）、ＮＨ3 、ＳｉＨ4 、シクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ2 Ｍｇ）を用いる。
【０１１８】
まず、図１９に示すように、基板温度を６００℃に保ち、サファイア基板１上に厚さ１５ｎｍ程度のバッファ層２を形成する。次に、基板温度を１１５０℃に保ち、厚さ０．５μｍ程度のアンドープＧａＮ層３、厚さ４μｍ程度のＳｉドープＧａＮからなるｎ−コンタクト層４を形成する。さらに、基板温度を８８０℃に保ち、厚さ０．１μｍ程度のＳｉドープＧａ0.95Ｉｎ0.05Ｎからなるｎ−クラック防止層５を形成する。次に、基板温度を１１５０℃に保ち、厚さ０．４５μｍ程度のＳｉドープＡｌ0.15Ｇａ0.85Ｎからなるｎ−クラッド層６、および厚さ５０ｎｍ程度のＳｉドープＧａＮからなるｎ−クラッド層７を形成する。
【０１１９】
ここで、第１の実施例においては、基板温度を８８０℃に保ち、厚さ５０ｎｍのＩｎＧａＮからなる単層構造を有する発光層８をｎ−クラッド層７上に形成する。
【０１２０】
一方、第２〜第８の実施例においては、基板温度を８８０℃に保ち、厚さ４ｎｍ程度のアンドープＧａＮからなる５層の障壁層８ａと厚さ４ｎｍ程度のアンドープのＧａ0.85Ｉｎ0.15ｎＮからなる４層の量子井戸層８ｂを交互に積層し、ＧａＩｎＮからなり、多重量子井戸構造（ＭＱＷ構造）を有する発光層８を形成する。この際、第２〜第８の実施例に従って、ＭＱＷ構造を有する発光層８中にｐ型不純物またはｎ型不純物をドープする。
【０１２１】
上記のようにして単層構造を有する発光層８またはＭＱＷ構造を有する発光層８を形成した後、基板温度を８８０℃に保ち、厚さ４０ｎｍ程度のｎ−ＧａＮからなるｎ−逆導電型層９を形成し、その後基板温度を１１５０℃に保ち、厚さ０．４５μｍ程度のＭｇドープＡｌＧａＮからなるｐ−クラッド層１０、厚さ５０ｎｍ程度のＭｇドープＧａＮからなるｐ−キャップ層１１を形成する。上記のバッファ層２からｐ−キャップ層１１までの各層は、大気圧のＭＯＶＰＥ法により形成する。なお、ｎ−逆導電型層９として基板温度を１１５０℃で例えばＳｉがドープされたＧａＮを形成しもてもよい。
【０１２２】
その後、図２０に示すように、ｐ−キャップ層１１上の全面に、例えばＥＣＲ（電子サイクロトロン共鳴）プラズマＣＶＤ法（化学気相蒸着法）により、厚さ０．２μｍ程度のＳｉ3 Ｎ4 等のシリコン窒化物からなる電流狭窄層１４を形成する。次に、フォトリソグラフィおよびＢＨＦ（緩衝フッ酸）によるウェットエッチングで、幅２μｍ程度のストライプ状の領域のシリコン窒化物を除去し、ｐ−キャップ層１１を露出させる。それにより、ストライプ状の電流通路１３が形成される。
【０１２３】
次に、図２１に示すように、例えば７６Ｔｏｒｒの減圧ＭＯＶＰＥ法により、ｎ−電流狭窄層１４上およびストライプ状開口部内のｐ−キャップ層１１上に厚さ３〜５μｍのＭｇドープＧａＮからなるｐ−コンタクト層１２を形成する。この際、ｐ−キャップ層１１の露出した部分に選択的にｐ−ＧａＮが成長するように、成長条件を適切に調整する。例えば、基板温度を約１００℃上昇させ、ＮＨ3 の流量を約３倍に増加させる。
【０１２４】
このような条件下で成長を行うと、まずｐ−キャップ層１１の露出した部分にｐ−ＧａＮが成長し、電流通路１３にあたる部分が形成される。一方、電流狭窄層１４上にはｐ−ＧａＮは結晶成長しない。引き続き結晶成長を継続すると、ｐ−ＧａＮが電流通路１３上に成長するとともに、電流通路１３上に成長したｐ−ＧａＮの側面から横方向に結晶成長が開始し、電流狭窄層１４上にｐ−ＧａＮからなるｐ−コンタクト層１２が形成される。例えば、電流通路１３にあたる部分を中心として幅約８μｍでｐ−コンタクト層１２が形成される。
【０１２５】
この結果、ｐ−キャップ層１１とｐ−コンタクト層１２とは幅２μｍ程度のストライプ状の電流通路１３で接続され、ｐ−キャップ層１１とｐ−コンタクト層１２との間には、電流通路１３の部分を除いて、厚さ０．２μｍ程度のＳｉ3 Ｎ4 からなる電流狭窄層１４が形成される。
【０１２６】
次に、図２２に示すように、メタルマスクおよびＥＢ（電子ビーム）蒸着法を用いて、ｐ−コンタクト層１２を含む領域に、例えば幅１０μｍ程度のストライプ形状で厚さ３〜５μｍＮｉ膜を蒸着する。このＮｉ膜をマスクとして用い、例えばＣＦ4 をエッチングガスとして用い、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）法により、ｎ−コンタクト層４が露出するまで、ｐ−コンタクト層１２からｎ−クラック防止層５までをメサ状にエッチングする。その後、マスクとして用いたＮｉ膜を塩酸等を用いて除去する。
【０１２７】
さらに、図２３に示すように、Ｓｉ3 Ｎ4 等の絶縁膜１７をＥＣＲプラズマＣＶＤ法、フォトリソグラフィおよびエッチングによりｐ−コンタクト層１２からｎ−クラック防止層５までの側面および電極形成領域を除いたｎ−コンタクト層４の上面に形成する。そして、ｎ−コンタクト層４の露出した表面上に、例えばＡｕ／Ｔｉからなるｎ電極１６を形成し、ｐ−コンタクト層１２上に、Ａｕ／Ｐｄからなるｐ電極１５を形成する。
【０１２８】
最後に、例えばへき開により、ストライプ状の電流通路１３に沿った方向に共振器長３００μｍの共振器構造を形成する。それにより、図１の構造を有する半導体レーザ素子が作製される。
【０１２９】
なお、半導体レーザ素子の共振器面にＳｉ3 Ｎ4 、ＳｉＯ2 、Ａｌ2 Ｏ3 、ＴｉＯ2 等を積層した誘電体多層膜等の端面高反射膜や低反射膜を形成してもよい。
【０１３０】
（９）第９の実施例
第９の実施例の半導体レーザ素子は、図１の半導体レーザ素子と同じ構造を有し、以下に示すように窒化物系半導体層の結晶成長方法が異なる。
【０１３１】
図１の半導体レーザ素子の構造において、サファイア基板１の（０００１）面上に、ＭＯＶＰＥ法により、少なくともバッファ層２を低温でかつアンドープＧａＮ層３を高温で結晶成長させた後、他の層４〜１２，１４を例えばＭＢＥ法やＨＶＰＥ法（ハライド気相成長法）等のＭＯＶＰＥ法以外の結晶成長方法で結晶成長させる。なお、本実施例における発光層８は、上記の第１〜第８の実施例と同様、単層構造またはＭＷＱ構造を有する。
【０１３２】
本実施例において、アンドープＧａＮ層３〜ｐ−コンタクト層１２までの各層はウルツ鉱構造であり、窒化物系半導体の［０００１］方向に成長している。したがって、第１〜第８の実施例と同じ効果が得られる。
【０１３３】
このように、サファイア基板１の（０００１）面上に、ＭＯＶＰＥ法により低温でバッファ層２を成長させた後に、引き続いて高温で窒化物系半導体層を結晶成長させると、窒化物系半導体層は［０００１］方向に成長し、その後、結晶成長方法を変えても結晶成長の方位は変化せず、［０００１］方向に成長し続ける。
【０１３４】
上記の第１〜第９の実施例のように、ｎ−逆導電型層９が光ガイド層としての機能も有する場合においては、発光層８とｎ−逆導電型層９との間に、ｎ−逆導電型層９に比べて大きな禁制帯幅を有する層を形成してもよい。この場合について以下で説明する。
【０１３５】
（１０）第１０の実施例
図２４は本発明の第１０の実施例における半導体レーザ素子の構成を示す模式的斜視図である。
【０１３６】
第１０の実施例の半導体レーザ素子は、発光層８とｎ−逆導電型層９との間に、ｎ−逆導電型層９に比べて大きなバンドギャップを有するＡｌＧａＮからなるクラッド層１８が形成された点を除いて、図１の半導体レーザ素子と同じ構造を有する。なお、本実施例の半導体レーザ素子は、第１の実施例の半導体レーザ素子と同様、厚さ５０ｎｍのＩｎＧａＮからなる単層構造を有する発光層８を有する。
【０１３７】
例えば、クラッド層１８としては、厚さ１〜１００ｎｍのＡｌx Ｇａ1-x Ｎを用いる。この場合、０≦Ｘ≦０．１であることが好ましい。なお、クラッド層１８の導電型は、絶縁性であってもよく、ｎ型またはｐ型であってもよい。なお、ｐ型のクラッド層１８を形成する場合は、クラッド層１８に形成さたアクセプタ準位の濃度を、ｎ−逆導電型層９に形成されたドナー準位の濃度より低くする必要がある。
【０１３８】
図２５および図２６は、図２４の半導体レーザ素子におけるｎ−クラッド層７、発光層８、クラッド層１８、ｎ−逆導電型層９およびｐ−クラッド層１０のエネルギーバンド図である。
【０１３９】
図２５に示すように、実施例１と同様、発光層８の［０００１］方向側つまりエネルギーバンドのエネルギーの高い側に、発光層８に比べて大きな禁制帯幅を有し、ドナー準位が形成されたＧａＮからなるｎ−逆導電型層９が形成されている。このｎ−逆導電型層９の禁制帯幅は、ｐ−ＡｌＧａＮからなるｐ−クラッド層１０の禁制帯幅に比べて小さいので、ｎ−逆導電型層９の屈折率はｐ−クラッド層１０の屈折率に比べて大きくなる。したがって、ｎ−逆導電型層９は光ガイド層としての機能も有している。
【０１４０】
さらに、本実施例においては、上記のｎ−逆導電型層９と発光層との間に、ＡｌＧａＮからなるクラッド層１８が形成されている。このクラッド層１８は、ｎ−逆導電型層９に比べて大きな禁制帯幅を有する。したがって、このクラッド層１８により、発光層８から光ガイド層（ｎ−逆導電型層９）を分離した構造が可能となる。
【０１４１】
本実施例では、第１の実施例と同様、図２５に示すように発光層８の［０００１］方向側すなわちエネルギーバンドのエネルギーの高い側に発光層８に比べて大きな禁制帯幅を有するｎ−逆導電型層９が形成されているので、図２６に示すように［０００-1］方向に電子の移動が生じ、電子とイオン化したドナー準位とが空間的に分離する。それにより、圧電効果のために発生した発光層８の電位勾配が減少し、エネルギーバンドの勾配も減少する。その結果、電流として注入された電子と正孔との分離が抑制されるので、発光効率の低下およびしきい値電流の上昇が抑制される。
【０１４２】
なお、本実施例においては、発光層８が単層構造を有する場合について説明したが、第２〜第８の実施例のように発光層８がＭＱＷ構造を有する場合においても、発光層８とｎ−逆導電型層９との間にｎ−逆導電型層９に比べて大きな禁制帯幅を有するクラッド層を形成することができる。この場合においても、第２〜第９の実施例と同じ効果が得られる。
【０１４３】
上記の第１〜第１０の実施例においては、ｎ−逆導電型層９がｐ−クラッド層１０に比べて小さな禁制帯幅を有する場合について説明したが、ｎ−逆導電型層９の禁制帯幅はｐ−クラッド層１０の禁制帯幅と同じであってもよい。また、ｎ−逆導電型層９の禁制帯幅はｐ−クラッド層１０の禁制帯幅に比べて大きくてもよい。なお、これらの場合においては、ｎ−逆導電型層９は光ガイド層としての機能を有さない。
【０１４４】
上記の第１〜第１０の実施例においては、発光層８に形成される電位勾配を低減するために、発光層８とｐ型の半導体層との間にｎ型の逆導電型層を形成する場合について説明したが、発光層８とｎ型の半導体層との間に発光層８に比べて大きな禁制帯幅を有するｐ型の逆導電型層を形成してもよい。この場合においても発光層８に形成される電位勾配を低減することが可能となる。この場合について以下に説明する。
【０１４５】
（１１）第１１の実施例
図２７は本発明の第１１の実施例における半導体レーザ素子の構成を示す模式的斜視図である。
【０１４６】
第１１の実施例の半導体レーザ素子は、以下の点を除いて、第１〜第８の実施例における図１の半導体レーザ素子と同様の構造を有する。なお、本実施例の半導体レーザ素子は、第１の実施例の半導体レーザ素子と同様、厚さ５０ｎｍのＩｎＧａＮからなる単層構造を有する発光層８を備える。
【０１４７】
図２７に示すように、第１１の実施例における半導体レーザ素子においては、ｎ−ＡｌＧａＮからなるｎ−クラッド層６上に、アクセプタ準位が形成されたＧａＮからなるｐ−逆導電型層１９が形成されている。ｐ−逆導電型層１９の厚さは１〜１００ｎｍ程度であることが好ましく、本実施例においては４０ｎｍ程度である。また、ｐ−逆導電型層１９に形成されたアクセプタ準位の濃度は１×１０17〜３×１０18ｃｍ-3程度が好ましく、例えばＭｇを３×１０18ｃｍ-3程度ドープする。このｐ−逆導電型層１９上に発光層８が形成され、さらに厚さ４０ｎｍ程度のｐ−ＧａＮからなるｐ−クラッド層１０ｂが形成されている。このｐ−クラッド層１０ｂ上にｐ−ＡｌＧａＮからなるｐ−クラッド層１０が形成されている。
【０１４８】
図２８および図２９は第１１の実施例の半導体レーザ素子におけるｎ−クラッド層６、ｐ−逆導電型層１９、発光層８およびｐ−クラッド層１０ｂのエネルギーバンド図である。
【０１４９】
図２８に示すように、発光層８の［０００-1］方向側、すなわちエネルギーバンドのエネルギーの低い側に、発光層８に比べて大きな禁制帯幅を有するｐ−逆導電型層１９が形成されている。このｐ−逆導電型層１９は、ｎ−クラッド層６に比べて禁制帯幅が小さい。このため、ｐ−逆導電型層１９はｎ−クラッド層６に比べて屈折率が大きくなる。したがって、ｐ−逆導電型層１９は光ガイド層の機能も合わせて有する。
【０１５０】
本実施例では、図２８に示すように発光層８の［０００-1］方向側つまりエネルギーバンドのエネルギーの低い側に発光層８に比べて大きな禁制帯幅を有するｐ−逆導電型層１９が形成されているので、図２９に示すように、［０００１］方向に正孔の移動が生じ、正孔とイオン化したアクセプタ準位とが空間的に分離する。それにより、圧電効果のために発生した発光層８の電位勾配が減少し、エネルギーバンドの勾配も減少する。その結果、電流として注入された電子と正孔との分離が抑制されるので、発光効率の低下およびしきい値電流の上昇が抑制される。
【０１５１】
本実施例においては、発光層８が単層構造を有する場合について説明したが、発光層８が多重量子井戸構造（ＭＱＷ構造）を有してもよい。さらに、ＭＱＷ構造を有する発光層８中にｐ型不純物およびｎ型不純物の少なくとも一方が不均一にドーピングされてもよい。この場合においては、発光層８の電位勾配をさらに低減することができる。
【０１５２】
また、本実施例において、ｎ−クラッド層６とｐ−逆導電型層１９との間に、ＡｌＧａＮからなりｐ−逆導電型層１９に比べて大きな禁制帯幅を有するクラッド層を形成してもよい。このクラッド層により、光ガイド層としての機能を有するｐ−逆導電型層１９を発光層８から分離した構造が可能となる。このようなｐ−逆導電型層１９に比べて大きな禁制帯幅を有するクラッド層としては、例えば厚さ１〜１００ｎｍのＡｌX Ｇａ1-x Ｎを用いる。この場合、０≦Ｘ≦０．１であることが好ましい。なお、このようなクラッド層の導電型は、絶縁性であってもよく、ｎ型またはｐ型であってもよい。なお、ｎ型のクラッド層を形成する場合には、このクラッド層に形成されたドナー準位の濃度を、ｐ−逆導電型層１９に形成されたアクセプタ準位の濃度より低くする必要がある。
【０１５３】
さらに、本実施例においては、ｐ−逆導電型層１９がｎ−クラッド層６に比べて小さな禁制帯幅を有する場合について説明したが、ｐ−逆導電型層１９の禁制帯幅はｎ−クラッド層６の禁制帯幅と同じであってもよい。また、ｐ−逆導電型層１９の幅はｎ−クラッド層６の禁制帯幅に比べて大きくてもよい。なお、これらの場合においては、ｐ−逆導電型層１９が光ガイド層としての機能を有さない。
【０１５４】
上記の第１〜第１１の実施例においては半導体レーザ素子がｎ型の逆導電型層またはｐ型の逆導電型層を有する場合について説明したが、ｎ型の逆導電型層とｐ型の逆導電型層とを同時に形成してもよい。例えば、第１の実施例と第１１の実施例とを組み合わせてもよい。この場合においては、発光効率の低下を抑制する効果がより大きくなる。
【０１５５】
上記の第１〜第１１の実施例においては、ｎ−逆導電型層９およびｐ−逆導電型層１９がＧａＮから構成される場合について説明したが、ｎ型の逆導電型層およびｐ型の逆導電型層の構成はこれに限定されるものではない。ｎ型の逆導電型層およびｐ型の逆導電型層は、発光層８に比べて大きな禁制帯幅を有するＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＩｎＮ、ＡｌＧａＮ等から構成されてもよい。このような構成を有するｎ型の逆導電型層およびｐ型の逆導電型層を形成する場合においても、ｎ型の逆導電型層およびｐ型の逆導電型層の厚さは１〜１００ｎｍ程度であり、アクセプタ準位あるいはドナー準位の濃度は１×１０17〜３×１０18ｃｍ-3程度であることが好ましい。
【０１５６】
例えば、第１〜第１０の実施例において、ｎ型の逆導電型層として、発光層８より禁制帯幅が大きくかつｐ−ＡｌＧａＮからなるｐ−クラッド層１０と禁制帯幅が同じかまたはｐ−クラッド層１０に比べて禁制帯幅が大きなｎ−ＩｎＧａＮ層、ｎ−ＡｌＧａＩｎＮ層またはｎ−ＡｌＧａＮ層を形成してもよい。
【０１５７】
あるいは、ｎ型の逆導電型層として、発光層８より禁制帯幅が大きくかつｐ−ＡｌＧａＮからなるｐ−クラッド層１０に比べて禁制帯幅が小さなｎ−ＩｎＧａＮ層、ｎ−ＡｌＧａＩｎＮ層またはｎ−ＡｌＧａＮ層を形成してもよい。この場合、ｎ型の逆導電型層の屈折率がｐ−クラッド層１０の屈折率に比べて大きくなるので、ｎ型の逆導電型層は光ガイド層としての機能も備える。
【０１５８】
一方、第１１の実施例において、ｐ型の逆導電型層として、発光層８より禁制帯幅が大きくかつｎ−ＡｌＧａＮからなるｎ−クラッド層６と禁制帯幅が同じかまたはｎ−クラッド層６に比べて禁制帯幅が大きなｐ−ＩｎＧａＮ層、ｐ−ＡｌＧａＩｎＮ層またはｐ−ＡｌＧａＮ層を形成してもよい。
【０１５９】
あるいは、ｐ型の逆導電型層として、発光層８より禁制帯幅が大きくかつｎ−ＡｌＧａＮからなるｎ−クラッド層６に比べて禁制帯幅が小さなｐ−ＩｎＧａＮ層、ｐ−ＡｌＧａＩｎＮ層またはｐ−ＡｌＧａＮ層を形成してもよい。この場合、ｐ型の逆導電型層の屈折率がｎ−クラッド層６の屈折率に比べて大きくなるので、ｐ型の逆導電型層は光ガイド層としての機能を備える。
【０１６０】
上記第１〜第１１の実施例では、基板としてサファイア基板１を用いているが、窒化物系半導体層がウルツ鉱構造であれば、スピネル、ＳｉＣ、Ｓｉ、ＧａＡｓ、ＧａＰ、ＩｎＰ、ＧａＮ等の基板を用いてもよい。
【０１６１】
また、上記第１〜第１１の実施例では、面内方向に圧縮歪を有するとともに界面に垂直な方向に伸張する歪を有するウルツ鉱構造の発光層８について説明したが、面内方向に伸張する歪を有するとともに界面に垂直な方向に圧縮歪を有するウルツ鉱構造の発光層８を有し、［０００１］方向側にｎ型層を有し、［０００-1］方向側にｐ型層を有している発光素子の場合、ｎ型の逆導電型層またはｐ型の逆導電型層を形成する位置を発光層の中心における（０００１）面に関して第１〜第１１の実施例と反対にすればよい。さらに、ＭＱＷ構造を有する発光層にｎ型不純物およびｐ型不純物の少なくとも一方を不均一に添加する場合においては、ｐ型不純物またはｎ型不純物のドーピングの分布位置を量子井戸層の中心における（０００１）面に関して第２〜第８の実施例と反対にすればよい。
【０１６２】
さらに、ウルツ鉱型のＺｎＳｅを代表とするII−VI族化合物半導体を始めとするウルツ鉱構造または六方晶構造を有する半導体であれば同じ効果が得られる。ただし、II−VI族化合物半導体およびＣｕＣｌを代表とするＩ−VII 族化合物半導体の場合には、電位勾配が逆になる。
【０１６３】
加えて、発光層における界面に垂直な方向としては、歪により電位勾配の発生する方向であれば、発光層の面方位は（０００１）面に限られるものではない。ｗｕｒｔｚｉｔｅ構造の結晶の対称性から、歪発光層の面方位が［０００１］軸を面内に含む面方位以外であれば、いかなる面方位でも、歪により電位勾配が発光層に垂直な方向に発生することが示される。すなわち、歪発光層の面方位が一般式（ＨＫＬ０）面で表される面方位以外であれば、いかなる面方位でも、圧電効果が発生する。ここで、Ｈ、ＫおよびＬは、Ｈ＋Ｋ＋Ｌ＝０を満足し、かつＨ＝Ｋ＝Ｌ＝０を除く任意の数である。上記の（ＨＫＬ０）面は、例えば（１-1００）面および（１１-2０）面である。特に、（０００１）面を主面とする歪発光層において、界面に垂直な方向に電位勾配を発生させる圧電効果が最も大きい。ただし、材料によっては圧電係数の値により、偶然圧電効果が発生しない特定の面方位がある。なお、歪により電位勾配の発生する発光層の面方位については後述する。
【０１６４】
（Ｂ）第２の実施の形態
第２の実施の形態の発光素子は、（１１１）面を主面とする閃亜鉛鉱構造の発光層を有する。この発光層は、発光層の面に垂直な方向（界面に垂直な方向）に歪を有する。このような発光層中には、圧電効果により電位勾配が形成される。
【０１６５】
ここで、歪を有する発光層は、単層構造であってもよい。あるいは、１つの量子井戸層が２つの障壁層の間に挟まれた単一量子井戸構造（ＳＱＷ構造）であってもよく、また２つ以上の井戸層と３つ以上の障壁層とが交互に積層されてなる多重量子井戸構造（ＭＱＷ構造）であってもよい。ＳＱＷ構造およびＭＱＷ構造のような量子井戸構造を有する発光層においては、井戸層が歪を有しており、井戸層内に圧電効果により電位勾配が形成される。
【０１６６】
発光層はｐ型層とｎ型層とに挟まれるように配置される。ｐ型層にはｐ電極が形成されており、ｐ電極からｐ型層に正孔が注入される。ｎ型層にはｎ電極が形成されており、ｎ電極からｎ型層に電子が注入される。
【０１６７】
III −Ｖ族化合物半導体において、発光層の面内方向（界面に平行な方向）に伸張する歪を有し、発光層の界面に垂直な方向に圧縮歪を有する場合、圧電効果により発生した発光層中の電位勾配において、［１１１］方向側の電位が高く、［-1-1-1］側の電位が低い。このような歪を発光層に有し、［-1-1-1］方向側にｐ型層を有し、［１１１］方向側にｎ型層を有している発光素子において、発光層における電位はｎ型層側の方がｐ型層側に比べて低い。なお、発光層は量子井戸構造を有する場合においては、量子井戸層内における電位がｎ型層側の方がｐ型層側に比べて低い。圧電効果のために発生した電位勾配を減少させるためには、ｐ型層と発光層との間に、発光層に比べて大きな禁制帯幅を有するｎ型の逆導電型層を形成する。あるいは、ｎ型層と発光層との間に、発光層に比べて禁制帯幅を有するｐ型の逆導電型層を形成する。このような方法により、発光層が単層構造を有する場合および量子井戸構造を有する場合のいずれにおいても同様の効果が得られる。
【０１６８】
さらに、発光層が量子井戸構造を有する場合においては、量子井戸層にアクセプタ準位あるいはドナー準位を不均一に形成することで、圧電効果のために発生した発光層の電位勾配をさらに低減することができる。この場合、アクセプタ準位を量子井戸層中の［１１１］方向側の部分に多く形成し、または障壁層中で量子井戸層の［１１１］方向側の界面と接する部分に多く形成する。あるいは、ドナー準位を量子井戸層中の［-1-1-1］方向側の部分に多く形成し、または障壁層中で量子井戸層の［-1-1-1］方向側の界面と接する部分に多く形成する。
【０１６９】
逆に、III −Ｖ族化合物半導体において、発光層の面内方向（界面に平行な方向）に圧縮歪を有し、発光層の界面に垂直な方向に伸張する歪を有する場合、圧電効果により発生した発光層中の電位勾配において、［-1-1-1］方向側の電位が高く、［１１１］側の電位が低い。このような歪を発光層に有し、［１１１］方向側にｐ型層を有し、［-1-1-1］方向側にｎ型層を有している発光素子においては、発光層における電位はｎ型層側の方がｐ型層側に比べて低い。なお、発光層は量子井戸構造を有する場合においては、量子井戸層内における電位がｎ型層側の方がｐ型層側に比べて低い。圧電効果のために発生した電位勾配を減少させるためには、ｐ型層と発光層との間に、発光層に比べて大きな禁制帯幅を有するｎ型の逆導電型層を形成する。あるいは、ｎ型層と発光層との間に、発光層に比べて大きな禁制帯幅を有するｐ型の逆導電型層を形成する。このような方法により、発光層が単層構造を有する場合および量子井戸構造を有する場合のいずれにおいても同様の効果が得られる。
【０１７０】
さらに、発光層が量子井戸構造を有する場合においては、量子井戸層にアクセプタ準位あるいはドナー準位を不均一に形成することで、圧電効果のために発生した発光層の電位勾配をさらに低減することができる。この場合、アクセプタ準位を量子井戸層中の［-1-1-1］方向側の部分に多く形成し、または障壁層中で量子井戸層の［-1-1-1］方向側の界面と接する部分に多く形成する。あるいは、ドナー準位を量子井戸層中の［１１１］方向側の部分に多く形成し、または障壁層中で量子井戸層の［１１１］方向側の界面と接する部分に多く形成する。
【０１７１】
一方、II−VI族化合物半導体およびI-VII 族化合物半導体において、発光層の面内方向（界面に平行な方向）に伸張する歪を有し、発光層の界面に垂直な方向に圧縮歪を有する場合、圧電効果により発光層中に発生した電位勾配において、［-1-1-1］方向側の電位が高く、［１１１］側の電位が低い。このような歪を発光素子に有し、［１１１］方向側にｐ型層を有し、［-1-1-1］方向側にｎ型層を有している発光素子において、圧電効果のために発生した電位勾配を減少させるためには、ｐ型層と発光層との間に、発光層より大きな禁制帯幅を有するｎ型の逆導電型層を形成する。あるいは、ｎ型層と発光層との間に、発光層に比べて大きな禁制帯幅を有するｐ型の逆導電型層を形成する。このような方法により、発光層が単層構造を有する場合および量子井戸構造を有する場合のいずれにおいても同様の効果が得られる。
【０１７２】
さらに、発光層が量子井戸構造を有する場合においては、量子井戸層にアクセプタ準位あるいはドナー準位を不均一に形成することで、圧電効果のために発生した発光層の電位勾配をさらに低減することができる。この場合、アクセプタ準位を量子井戸層中の［-1-1-1］方向側の部分に多く形成し、または障壁層中で量子井戸層の［-1-1-1］方向側の界面と接する部分に多く形成する。あるいは、ドナー準位を量子井戸層中の［１１１］方向側の部分に多く形成し、または障壁層中で量子井戸層の［１１１］方向側の界面と接する部分に多く形成する。
【０１７３】
逆に、II−VI族化合物半導体およびI-VII 族化合物半導体において、発光層の面内方向（界面に平行な方向）に圧縮歪を有し、発光層の界面に垂直な方向に伸張する歪を有する場合、圧電効果により発光層中に発生した電位勾配において、［１１１］方向側の電位が高く、［-1-1-1］側の電位が低い。このような歪を発光層に有し、［-1-1-1］方向側にｐ型層を有し、［１１１］方向側にｎ型層を有している発光素子においては、発光層における電位はｎ型層側の方がｐ型層側に比べて低い。なお、発光層は量子井戸構造を有する場合においては、量子井戸層内における電位がｎ型層側の方がｐ型層側に比べて低い。圧電効果のために発生した電位勾配を減少させるためには、ｐ型層と発光層との間に、発光層より禁制帯幅の広いｎ型の逆導電型層を形成する。あるいは、ｎ型層と発光層との間に、発光層より禁制帯幅の広いｐ型の逆導電型層を形成する。このような方法により、発光層が単層構造を有する場合および量子井戸構造を有する場合のいずれにおいても同様の効果が得られる。
【０１７４】
さらに、発光層が量子井戸構造を有する場合においては、量子井戸層にアクセプタ準位またはドナー準位を不均一に形成することで、圧電効果のために発生した発光層の電位勾配をさらに低減することができる。この場合、アクセプタ準位を量子井戸層中の［１１１］方向側の部分に多く形成し、または障壁層中で量子井戸層の［１１１］方向側の界面と接する部分に多く形成する。あるいは、ドナー準位を量子井戸層中の［-1-1-1］方向側の部分に多く形成し、または障壁層中で量子井戸層の［-1-1-1］方向側の界面と接する部分に多く形成する。
【０１７５】
発光層における界面に垂直な方向としては、歪により電位勾配の発生する方向であれば、発光層の面方位は（１１１）面と等価な面方位に限られるものではない。歪発光層の面方位が［１００］軸を面内に含む面方位およびこれと等価な面方位以外であれば、いかなる面方位でも、歪により電位勾配が発光層の界面に垂直な方向に発生する。すなわち、歪発光層の面方位が一般式（０ＭＮ）面で表される面方位およびこれと等価な面方位以外であれば、いかなる面方位でも、圧電効果が発生する。ここで、ＭおよびＮは、Ｍ＝Ｎ＝０を除く任意の数である。上記の（０ＭＮ）面は、例えば（００１）面および（０１１）面である。特に、（１１１）面を主面とする歪発光層において、発光層の界面に垂直な方向に電位勾配を発生させる圧電効果が最も大きい。なお、歪により電位勾配の発生する発光層の面方位については後述する。
【０１７６】
（１２）第１２の実施例
図３０は本発明の第１２の実施例における埋め込みリッジ構造のＡｌＧａＩｎＰ系半導体レーザ素子の構造を示す断面図である。第１２の実施例の半導体レーザ素子は、多重量子井戸構造（ＭＱＷ構造）を有するＭＱＷ発光層を有する。図３１および図３２は第１２の実施例の半導体レーザ素子におけるＭＱＷ発光層のエネルギーバンド図である。
【０１７７】
図３０において、ｎ−ＧａＡｓ基板２１は、面方位が（１１１）Ｂの結晶成長面を有する。ｎ−ＧａＡｓ基板２１上にｎ−Ｇａ0.51Ｉｎ0.49Ｐからなるｎ−バッファ層２２、ｎ−（Ａｌ0.7 Ｇａ0.3 ）0.51Ｉｎ0.49Ｐからなるｎ−クラッド層２３、およびＭＱＷ発光層２４が順に形成されている。
【０１７８】
ＭＱＷ発光層２４は、図３１に示すように、ｐ−（Ａｌ0.5 Ｇａ0.5 ）0.51Ｉｎ0.49Ｐからなる光ガイド層２４ｃ上に（Ａｌ0.5 Ｇａ0.5 ）0.45Ｉｎ0.55Ｐからなる５層の圧縮歪障壁層２４ａおよびＧａ0.6 Ｉｎ0.4 Ｐからなる４層の引張り歪井戸層２４ｂが交互に積層されてなる。本実施例においては、この光ガイド層２４ｃがｐ型の逆導電型層に相当する。
【０１７９】
ＭＱＷ発光層２４上には、ｎ−（Ａｌ0.57Ｇａ0.43）0.51Ｉｎ0.49Ｐからなる光ガイド層２５が形成されている。本実施例においては、この光ガイド層２５がｎ型の逆導電型層に相当する。光ガイド層２５上には多重量子障壁層２６が形成されている。多重量子障壁層２６は、Ｇａ0.51Ｉｎ0.49Ｐからなる１０層の井戸層および（Ａｌ0.7 Ｇａ0.3 ）0.51Ｉｎ0.49Ｐからなる１０層の障壁層が交互に積層されてなる。この多重量子障壁層２６は、温度特性の改善のために設けられている。
【０１８０】
多重量子障壁層２６上には、ｐ−（Ａｌ0.7 Ｇａ0.3 ）0.51Ｉｎ0.49Ｐからなるｐ−クラッド層２７が形成されている。ｐ−クラッド層２７の上部領域はメサエッチング等によりストライプ状のリッジ部に形成されている。リッジ部の幅は５μｍである。ｐ−クラッド層２７のリッジ部上にはｐ−Ｇａ0.51Ｉｎ0.49Ｐからなるｐ−コンタクト層２８が形成されている。
【０１８１】
ｐ−クラッド層２７の両側には、ｎ−ＧａＡｓからなるｎ−電流ブロック層２９が形成され、ｐ−コンタクト層２８上およびｎ−電流ブロック層２９上にはｐ−ＧａＡｓからなるｐ−キャップ層３０が形成されている。ｎ−ＧａＡｓ基板２１の下面にｎ電極３２が形成され、ｐ−キャップ層３０の上面にｐ電極３１が形成されている。
【０１８２】
表１に図３０の半導体レーザ素子における各層の材料および膜厚を示す。
【０１８３】
【表１】
この半導体レーザ素子において、ｎ−ＧａＡｓ基板２１上の各層２２〜３０はＭＯＶＰＥ法等により形成される。
【０１８５】
圧縮歪障壁層２４ａの格子定数はｎ−ＧａＡｓ基板２１の格子定数よりも大きく設定されている。それにより、圧縮歪障壁層２４ａはｎ−ＧａＡｓ基板２１に対して圧縮歪を有する。引張り歪井戸層２４ｂの格子定数はｎ−ＧａＡｓ基板２１の格子定数よりも小さく設定されている。それにより、引張り歪井戸層２４ｂはｎ−ＧａＡｓ基板２１に対して引張り歪を有する。
【０１８６】
図３１に示すように、本実施例においては、ｐ型の逆導電型層として、ｎ−クラッド層２３に比べて禁制帯幅が小さくかつ圧縮歪障壁層２４ａおよび引張り歪井戸層２４ｂに比べて禁制帯幅の大きいｐ−光ガイド層２４ｃが形成されている。また、ｎ型の逆導電型層として、圧縮歪障壁層２４ａおよび引張り歪井戸層２４ｂに比べて禁制帯幅が大きく多重量子障壁層２６に比べて禁制帯幅が小さなｎ−光ガイド層２５が形成されている。
【０１８７】
さらに、ｎ型不純物として例えばＳｅが圧縮歪障壁層２４ａ中で引張り歪井戸層２４ｂの［-1-1-1］方向側つまり光ガイド層２５側の界面と接する部分に多くドープされ、ｐ型不純物として例えばＺｎが圧縮歪障壁層２４ａ中で引張り歪井戸層２４ｂの［１１１］方向側つまり光ガイド層２４ｃ側の界面と接する部分に多くドープされ、変調ドーピング構造となっている。本実施例では、ｎ型不純物およびｐ型不純物のドーピング濃度がほぼ等しい場合について示している。
【０１８８】
なお、本実施例では、ＭＱＷ発光層２４中の量子井戸面内に関して井戸層２４ｂが引張り歪を有し、障壁層２４ａが圧縮歪を有するため、障壁層２４ａには井戸層２４ｂとは反対の電位勾配が発生する。それにより、ＭＱＷ発光層２４のエネルギーバンドにおいて、障壁層２４ａのエネルギーバンドが［１１１］方向側が［-1-1-1］方向側に比べて高くなり、井戸層２４ｂのエネルギーバンド勾配は、［-1-1-1］方向側が［１１１］方向側に比べて高くなる。
【０１８９】
本実施例では、図３２に示すように、電子および正孔が補償され、ドーピングによるキャリアはほとんど発生しないが、イオン化したｐ型不純物とイオン化したｎ型不純物とにより引張り歪井戸層２４ｂの電位勾配が減少する。その結果、電流として注入された電子と正孔との分離が抑制されるので、発光効率の低下およびしきい値電流の上昇が抑制される。
【０１９０】
（１３）第１３の実施例
図３３は本発明の第１３の実施例におけるＺｎＳｅ系半導体レーザ素子の構造を示す断面図である。第１３の実施例の半導体レーザ素子は、多重量子井戸構造（ＭＱＷ構造）を有するＭＱＷ発光層を有する。図３４および図３５は第１３の実施例の半導体レーザ素子におけるＭＱＷ発光層のエネルギーバンド図である。
【０１９１】
図３３において、ｎ−ＧａＡｓ基板４１の（１１１）Ｂ面上に、ｎ−ＧａＡｓからなるｎ−第１バッッファ層４２、ｎ−ＺｎＳｅからなるｎ−第２バッファ層４３、ｎ−Ｚｎ0.9 Ｍｇ0.1 Ｓ0.15Ｓｅ0.85からなるｎ−クラッド層４４、ｐ−ＺｎＳ0.15Ｓｅ0.85からなるｐ−逆導電型層４５およびＭＱＷ発光層４６が順に形成されている。
【０１９２】
ＭＱＷ発光層４６は、図３４に示すように、ＺｎＳ0.1 Ｓｅ0.9 からなる５層の引張り歪障壁層４６ａおよびＺｎ0.7 Ｃｄ0.3 Ｓｅからなる４層の圧縮歪井戸層４６ｂが交互に積層されてなる。
【０１９３】
ＭＱＷ発光層４６上には、ｎ−ＺｎＳ0.15Ｓｅ0.85からなるｎ−逆導電型層４７およびｐ−Ｚｎ0.9 Ｍｇ0.1 Ｓ0.15Ｓｅ0.85からなるｐ−クラッド層４８が形成されている。ｐ−クラッド層４８の上部領域はストライプ状のリッジ部となっている。
【０１９４】
ｐ−クラッド層４８のリッジ部上には、ｐ−ＺｎＳｅからなるｐ−コンタクト層４９が形成され、ｐ−クラッド層４８のリッジ部およびｐ−コンタクト層４９の両側にはＳｉＯ2 膜５０が形成されている。ｎ−ＧａＡｓ基板４１の下面にｎ電極５１が形成され、ｐ−コンタクト層４９上およびＳｉＯ2 層５０上にｐ電極５２が形成されている。
【０１９５】
表２に図３３の半導体レーザ素子における各層の材料および膜厚を示す。
【０１９６】
【表２】
図３４に示すように、本実施例においては、ｎ−クラッド層４４に比べて禁制帯幅が小さくかつ引張り歪障壁層４６ａおよび圧縮歪井戸層４６ｂに比べて禁制帯幅の大きなｐ−逆導電型層４５が形成されるとともに、ｐ−クラッド層４８に比べて禁制帯幅が小さくかつ引張り歪障壁層４６ａおよび圧縮歪井戸層４６ｂに比べて禁制帯幅の大きなｎ−逆導電型層４７が形成されている。また、ｎ型不純物として例えばＣｌが引張り歪障壁層４６ａ中で圧縮歪井戸層４６ｂの［-1-1-1］方向側つまりｐ−クラッド層４８側の界面と接する部分に多くドープされ、ｐ型不純物として例えば窒素が引張り歪障壁層４６ａ中で圧縮歪井戸層４６ｂの［１１１］方向側つまりｎ−クラッド層４４側の界面と接する部分に多くドープされ、変調ドーピング構造となっている。本実施例では、ｎ型不純物およびｐ型不純物のドーピング濃度がほぼ等しい場合について示している。
【０１９８】
なお、本実施例では、ＭＱＷ発光層４６中の量子井戸面内に関して井戸層４６ｂが圧縮歪を有し、障壁層４６ａが引張り歪を有するため、障壁層４６ａには井戸層４６ｂとは反対の電位勾配が発生する。それにより、ＭＱＷ発光層４６のエネルギーバンドにおいて、障壁層４６ａのエネルギーバンドは、［１１１］方向側が［-1-1-1］方向側に比べて高くなり、井戸層４６ｂのエネルギーバンドの勾配は［-1-1-1］方向側が［１１１］方向側に比べて高くなる。
【０１９９】
本実施例では、図３５に示すように、電子および正孔が補償され、ドーピングによるキャリアがほとんど発生しないが、イオン化したｐ型不純物とイオン化したｎ型不純物とにより圧縮歪井戸層４６ｂの電位勾配が減少する。その結果、電流として注入された電子と正孔との分離が抑制されるので、発光効率の低下およびしきい値電流の上昇が抑制される。
【０２００】
（Ｃ）第３の実施の形態
第３の実施の形態の発光素子は、量子細線構造のＭＱＷ発光層を有する。
【０２０１】
（１４）第１４の実施例
図３６〜図４０は第１４の実施例における半導体レーザ素子の製造方法を示し、図３６は模式的工程断面図、図３７はＭＱＷ発光層の拡大断面図、図３８（ａ），（ｂ）は量子細線が形成されたＭＱＷ発光層のそれぞれ拡大断面図および模式的平面図、図３９は量子細線構造のＭＱＷ発光層の拡大断面図、図４０の模式的工程断面図である。
【０２０２】
まず、図３６に示すように、図１９の工程と同様にして、サファイア基板１の（０００１）面上に、ＭＯＶＰＥ法により、バッファ層２、アンドープＧａＮ層３、ｎ−コンタクト層４、ｎ−クラック防止層５、ｎ−クラッド層６、ｎ−クラッド層７およびＭＱＷ発光層８を成長させる。
【０２０３】
図３７に示すように、ＭＱＷ発光層８は、複数の障壁層８ａと複数の量子井戸層８ｂとが交互に積層されてなる。ＭＱＷ発光層８への不純物のドーピング方法は、第２〜第８の実施例と同様である。
【０２０４】
次に、図３８に示すように、集束イオンビーム（ＦＩＢ）等により、ＭＱＷ発光層８の一部をｎ−クラッド層７に達するまで線状に削り、ＭＱＷ発光層８を線状に加工する。ＭＱＷ発光層８の残存する部分の幅は例えば５ｎｍ程度であり、ＦＩＢにより削った部分の幅は例えば２０ｎｍ程度とする。
【０２０５】
その後、図３９に示すように、ＭＱＷ発光層８をアンドープＧａＮ層８ｃで埋め込む。それにより、量子細線構造を有するＭＱＷ発光層８０が形成される。
【０２０６】
さらに、図４０に示すように、ＭＱＷ発光層８０上に、図１９の工程と同様にして、ＭＯＶＰＥ法により、ｎ−逆導電型層９、ｐ−クラッド層１０およびｐ−キャップ層１１を順に成長させる。以後の工程は、図２０〜図２３に示した工程と同様である。
【０２０７】
本実施例の半導体レーザ素子では、量子細線構造を有するＭＱＷ発光層８０において、基板上の結晶成長方向に電位勾配が発生する。そこで、第２〜第８の実施例と同様に、ＭＱＷ発光層８０とｐ−クラッド層１０との間にｎ−逆導電型層９を形成するとともに、基板上の結晶成長方向に関して不純物を不均一にドープする。それにより、量子細線構造のＭＱＷ発光層８０において発生した電位勾配が減少する。その結果、電流として注入された電子と正孔との分離が抑制されるので、発光効率の低下およびしきい値電流の上昇が抑制される。
【０２０８】
なお、量子細線構造の発光層８０において、電位勾配の発生する方向は、基板上の結晶成長方向に限らない。基板の面方位、量子細線の方位、量子細線の形状等により、基板の面内方向に電位勾配が発生する場合がある。このような場合には、イオン注入等の方法で、基板の面内方向に関してドーピングを不均一にすればよい。
【０２０９】
なお、上記第１〜第１４の実施例では、本発明を半導体レーザ素子に適用した場合について説明したが、本発明は、発光ダイオード等の他の発光素子にも適用することができる。
【０２１０】
第１〜第３の実施の形態において、アクセプタ準位あるいはドナー準位を形成する方法として不純物をドープする方法の他に、空格子等の格子欠陥によりアクセプタ準位あるいはドナー準位を形成する方法でも、同様の効果を有する。
【０２１１】
○歪により電位勾配の発生する発光層の面方位
発光層の界面に垂直な方向の分極は、PIEZOELECTRICITY Vol. 1(New Revised Edition) by W.G.CADY Dover Publications, Inc. New York 1964 等の文献にしたがって、計算することができる。
【０２１２】
図４１において、ｚ軸を界面に垂直な方向とする。ＸＹＺ座標系をＺ軸を回転軸として角度α回転させる。回転後の座標軸は、Ｘ軸がξ軸に移り、Ｙ軸がｙ軸に移る。
【０２１３】
ξｙＺ座標系をｙ軸を回転軸として角度β回転させる。回転後の座標軸は、ξ軸がｘ軸に移り、Ｚ軸がｚ軸に移る。
【０２１４】
ウルツ鉱型結晶では、Ｘ軸を結晶の［２-1-1０］軸とし、Ｙ軸を［０１-1０］軸とし、Ｚ軸を［０００１］軸とする。また、閃亜鉛鉱型結晶では、Ｘ軸を結晶の［１００］軸とし、Ｙ軸を［０１０］軸とし、Ｚ軸を［００１］軸とする。
【０２１５】
ここで、ｚ軸方向の分極をＰz とし、歪テンソルをεxx、εyy、εyz、εxz、εxyとし、圧電係数（piezoelectric stress coefficients ）をｅ31、ｅ33、ｅ15、ｅ14とする。
【０２１６】
第１〜第１３の実施例のような通常の単層構造および量子井戸構造では電位勾配はｚ軸方向の分極Ｐz に比例し、εxx＝εyy、εyz＝εxz＝εxy＝０であり、εxxとεzzの符号が異なる。
【０２１７】
ウルツ鉱型結晶では、ｚ軸方向の分極Ｐz は次式で表される。
Ｐz ＝εxxｃｏｓβ（ｅ31ｃｏｓ2 β＋ｅ33ｓｉｎ2 β−ｅ15ｓｉｎ2 β）＋εyyｅ31ｃｏｓβ＋εzzｃｏｓβ（ｅ31ｓｉｎ2 β＋ｅ33ｃｏｓ2 β＋ｅ15ｓｉｎ2 β）＋εxzｓｉｎβ（２ｅ31ｃｏｓ2 β−２ｅ33ｃｏｓ2 β＋ｅ15ｓｉｎ2 β）・・・（１）
ｚ軸方向の分極Ｐz はαに無関係である。上式（１）から、ウルツ鉱型結晶では、例えば角度βが９０°となる場合に、ｚ軸方向の分極Ｐz が０となる。すなわち、図３６のｚ軸がＸＹ平面上にある場合に界面に垂直な方向に歪による電位勾配が発生しない。したがって、前述したように、一般式（ＨＫＬ０）面（Ｈ、ＫおよびＬは、Ｈ＋Ｋ＋Ｌ＝０を満足し、かつＨ＝Ｋ＝Ｌ＝０を除く任意の数）で表される面方位では、界面に垂直な方向に電位勾配が発生せず、それ以外の面方位では界面に垂直な方向に電位勾配が発生する。
【０２１８】
ただし、材料によっては圧電係数の値により、偶然圧電効果が発生しない特定の面方位がある。例えば、ｗｕｒｔｚｉｔｅ構造のＣｄＳではｅ31＝−０．２６２Ｃ／ｍ2 、ｅ33＝０．３８５Ｃ／ｍ2 、ｅ15＝−０．１８３Ｃ／ｍ2 、ｗｕｒｔｚｉｔｅ構造のＣｄＳｅではｅ31＝−０．１６０Ｃ／ｍ2 、ｅ33＝０．３４７Ｃ／ｍ2 、ｅ15＝−０．１３８Ｃ／ｍ2 という値が報告されている。したがって、β＝５０°付近で、分極Ｐz が０となり、圧電効果の発生しない面方位がある。
【０２１９】
また、閃亜鉛鉱型結晶では、ｚ軸方向の分極Ｐz は次式で表される。
Ｐz ＝εxxｅ14ｓｉｎαｃｏｓαｃｏｓβ（ｃｏｓ2 β−ｓｉｎ2 β）−εyyｅ14ｓｉｎαｃｏｓαｃｏｓβ＋３εzzｅ14ｓｉｎαｃｏｓαｓｉｎ2 βｃｏｓβ＋２εyzｅ14（ｃｏｓ2 α−ｓｉｎ2 α）ｓｉｎβｃｏｓβ＋２εxzｅ14ｓｉｎαｃｏｓαｓｉｎβ（２ｃｏｓ2 β−ｓｉｎ2 β）＋２εxyｅ14（ｃｏｓ2 α−ｓｉｎ2 α）（ｃｏｓ2 β−ｓｉｎ2 β）・・・（２）
上式（２）から、閃亜鉛鉱型結晶では、例えば角度αが０°または９０°となる場合または角度βが０°または９０°となる場合に、ｚ方向の分極Ｐz が０となる。したがって、前述したように、一般式（０ＭＮ）面（ＭおよびＮは、Ｍ＝Ｎ＝０を除く任意の数）で表される面方位およびこれと等価な面方位では、界面に垂直な方向に電位勾配が発生せず、それ以外の面方位では、界面に垂直な方向に電位勾配が発生する。
【０２２０】
圧電係数の値は、LANDOLT-BORNSTEIN Numerical Data and Functional Relationships in Science and Technology New Series Group III; Crystal and Solid State Physics Vol. 17, Edited by O. Madelung, springer-Verlag Berlin-Heidelberg 1982 等に記載されている。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１〜第８の実施例における半導体レーザ素子の構成を示す模式的斜視図である。
【図２】第１の実施例の半導体レーザ素子における発光層のエネルギーバンド図である。
【図３】第１の実施例の半導体レーザ素子における発光層のエネルギーバンド図である。
【図４】第２〜８の実施例の半導体レーザ素子におけるＭＱＷ発光層のエネルギーバンド図である。
【図５】第２の実施例の半導体レーザ素子におけるＭＱＷ発光層のエネルギーバンド図である。
【図６】第２の実施例の半導体レーザ素子におけるＭＱＷ発光層のエネルギーバンド図である。
【図７】第３の実施例の半導体レーザ素子におけるＭＱＷ発光層のエネルギーバンド図である。
【図８】第３の実施例の半導体レーザ素子におけるＭＱＷ発光層のエネルギーバンド図である。
【図９】第４の実施例の半導体レーザ素子におけるＭＱＷ発光層のエネルギーバンド図である。
【図１０】第４の実施例の半導体レーザ素子におけるＭＱＷ発光層のエネルギーバンド図である。
【図１１】第５の実施例の半導体レーザ素子におけるＭＱＷ発光層のエネルギーバンド図である。
【図１２】第５の実施例の半導体レーザ素子におけるＭＱＷ発光層のエネルギーバンド図である。
【図１３】第６の実施例の半導体レーザ素子におけるＭＱＷ発光層のエネルギーバンド図である。
【図１４】第６の実施例の半導体レーザ素子におけるＭＱＷ発光層のエネルギーバンド図である。
【図１５】第７の実施例の半導体レーザ素子におけるＭＱＷ発光層のエネルギーバンド図である。
【図１６】第７の実施例の半導体レーザ素子におけるＭＱＷ発光層のエネルギーバンド図である。
【図１７】第８の実施例の半導体レーザ素子におけるＭＱＷ発光層のエネルギーバンド図である。
【図１８】第８の実施例の半導体レーザ素子におけるＭＱＷ発光層のエネルギーバンド図である。
【図１９】図１の半導体レーザ素子の製造方法を示す模式的工程断面図である。
【図２０】図１の半導体レーザ素子の製造方法を示す模式的工程断面図である。
【図２１】図１の半導体レーザ素子の製造方法を示す模式的工程断面図である。
【図２２】図１の半導体レーザ素子の製造方法を示す模式的工程断面図である。
【図２３】図１の半導体レーザ素子の製造方法を示す模式的工程断面図である。
【図２４】第１０の実施例における半導体レーザ素子の構成を示す模式的斜視図である。
【図２５】第１０の実施例の半導体レーザ素子における発光層のエネルギーバンド図である。
【図２６】第１０の実施例の半導体レーザ素子における発光層のエネルギーバンド図である。
【図２７】第１１の実施例における半導体レーザ素子の構成を示す模式的斜視図である。
【図２８】第１１の実施例の半導体レーザ素子における発光層のエネルギーバンド図である。
【図２９】第１１の実施例の半導体レーザ素子における発光層のエネルギーバンド図である。
【図３０】本発明の第１２の実施例における埋め込みリッジ構造のＡｌＧａＩｎＰ系半導体レーザ素子の構造を示す模式的断面図である。
【図３１】第１２の実施例の半導体レーザ素子におけるＭＱＷ発光層のエネルギーバンド図である。
【図３２】第１２の実施例の半導体レーザ素子におけるＭＱＷ発光層のエネルギーバンド図である。
【図３３】本発明の第１３の実施例におけるＺｎＳｅ系半導体レーザ素子の構造を示す模式的断面図である。
【図３４】第１３の実施例の半導体レーザ素子におけるＭＱＷ発光層のエネルギーバンド図である。
【図３５】第１３の実施例の半導体レーザ素子におけるＭＱＷ発光層のエネルギーバンド図である。
【図３６】第１４の実施例における半導体レーザ素子の製造方法を示す模式的工程断面図である。
【図３７】第１４の実施例における半導体レーザ素子のＭＱＷ発光層の拡大断面図である。
【図３８】第１４の実施例における半導体レーザ素子の量子細線構造が形成されたＭＱＷ発光層の拡大断面図および模式的平面図である。
【図３９】第１４の実施例における半導体レーザ素子の量子細線構造のＭＱＷ発光層の拡大断面図である。
【図４０】第１４の実施例における半導体レーザ素子の製造方法を示す模式的工程断面図である。
【図４１】歪により電位勾配が発生する量子井戸層の面方位を説明するための図である。
【図４２】従来のＧａＮ系半導体発光素子の構成を示す模式的断面図である。
【図４３】従来の半導体発光素子におけるＭＱＷ発光層のエネルギーバンド図である。
【図４４】従来の半導体発光素子におけるＭＱＷ発光層のエネルギーバンド図である。
【符号の説明】
１ サファイア基板
６，７ ｎ−クラッド層
８，２４，４６，８０ 発光層
８ａ，２４ａ，４６ａ 障壁層
８ｂ 量子井戸層
９，４７ ｎ−逆導電型層
１０ ｐ−クラッド層
１９，４５ ｐ−逆導電型層
２３，４４ ｎ−クラッド層
２４ｂ，４６ｂ 井戸層
２７，４８ ｐ−クラッド層
Claims (20)
- 圧電効果の発生を伴う歪を有する発光層が第１のｎ型層と第１のｐ型層とに挟まれるように配置された発光素子であって、
前記発光層は、圧電効果の発生を伴う歪を有する１つ以上の井戸層と、前記井戸層を挟むように配置された２つ以上の障壁層とから構成される量子井戸構造を有し、
前記圧電効果の結果として発生する電位勾配のため前記発光層の電位は前記第１のｎ型層側が前記第１のｐ型層側に比べて高く、
少なくとも前記発光層と前記第１のｐ型層との間に前記発光層よりも大きい禁制帯幅を有する第２のｎ型層を有し、
該第２のｎ型層が光ガイド層であることを特徴とする発光素子。 - 前記第１のｐ型層は第１のクラッド層を含み、前記第２のｎ型層の禁制帯幅が前記第１のクラッド層よりも小さいことを特徴とする請求項１記載の発光素子。
- 圧電効果の発生を伴う歪を有する発光層が第１のｎ型層と第１のｐ型層とに挟まれるように配置された発光素子であって、
前記発光層は、圧電効果の発生を伴う歪を有する１つ以上の井戸層と、前記井戸層を挟むように配置された２つ以上の障壁層とから構成される量子井戸構造を有し、
前記圧電効果の結果として発生する電位勾配のため前記発光層の電位は前記第１のｎ型層側が前記第１のｐ型層側に比べて高く、
少なくとも前記発光層と前記第１のｎ型層との間に前記発光層よりも大きい禁制帯幅を有する第２のｐ型層を有し、
該第２のｐ型層が光ガイド層であることを特徴とする発光素子。 - 前記第１のｎ型層は第２のクラッド層を含み、前記第２のｐ型層の禁制帯幅が前記第２のクラッド層よりも小さいことを特徴とする請求項３記載の発光素子。
- 前記発光層を構成する材料の構造はウルツ鉱構造であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の発光素子。
- 前記発光層の主面はほぼ〈０００１〉方向であることを特徴とする請求項５記載の発光素子。
- 前記発光層を構成する材料の構造は閃亜鉛鉱構造であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の発光素子。
- 前記発光層の主面はほぼ〈１１１〉方向であることを特徴とする請求項７記載の発光素子。
- 前記圧電効果の発生を伴う歪は、前記発光層の面内方向に前記発光層を圧縮する歪を含むことを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の発光素子。
- 前記圧電効果の発生を伴う歪は、前記発光層の面内方向に前記発光層を伸張する歪を含むことを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の発光素子。
- 前記発光層を構成する材料はIII −Ｖ族化合物半導体であることを特徴とする請求項１〜１０のいずれかに記載の発光素子。
- 前記III −Ｖ族化合物半導体は、ホウ素、ガリウム、アルミニウムおよびインジウムの少なくとも１つを含む窒化物系半導体であることを特徴とする請求項１１記載の発光素子。
- 前記発光層を構成する材料はII−VI族化合物半導体であることを特徴とする請求項１〜１０のいずれかに記載の発光素子。
- 前記量子井戸構造の発光層中にアクセプタ準位およびドナー準位のうち少なくとも一方の準位が前記量子井戸構造の閉じ込め方向に圧電効果の結果として発生する電位勾配を低減するように不均一に形成されたことを特徴とする請求項１〜１３のいずれかに記載の発光素子。
- 前記井戸層内において、圧電効果の結果として発生する電位の高い前記第１のｎ型層側に電位の低い前記第１のｐ型層側に比べてアクセプタ準位が多く形成されたことを特徴とする請求項１４記載の発光素子。
- 前記井戸層内において、圧電効果の結果として発生する電位の低い前記第１のｐ型層側に電位の高い前記第１のｎ型層側に比べてドナー準位が多く形成されたことを特徴とする請求項１４または１５記載の発光素子。
- 前記障壁層内において、圧電効果の結果として発生する電位の高い前記第１のｎ型層側の前記井戸層の界面と接する部分に電位の低い前記第１のｐ型層側の前記井戸層の界面と接する部分に比べてアクセプタ準位が多く形成されたことを特徴とする請求項１４〜１６のいずれかに記載の発光素子。
- 前記障壁層内において、圧電効果の結果として発生する電位の低い前記第１のｐ型層側の前記井戸層の界面と接する部分に電位の高い前記第１のｎ型層側の前記井戸層の界面と接する部分に比べてドナー準位が多く形成されたことを特徴とする請求項１４〜１７のいずれかに記載の発光素子。
- 前記量子井戸構造の発光層中にアクセプタ準位およびドナー準位の両方が形成されたことを特徴とする請求項１４〜１８のいずれかに記載の発光素子。
- 前記アクセプタ準位の濃度と前記ドナー準位の濃度とがほぼ等しいことを特徴とする請求項１９記載の発光素子。
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