JP4931271B2 - 窒化物半導体素子及びそれを用いた発光装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、膜厚方向に共振器を有する面発光型のレーザ素子に係り、特にＧａＮ、ＡｌＮ、もしくはＩｎＮ、又はこれらの混晶であるIII−V族窒化物半導体（ＩｎｂＡｌｃＧａ１−ｂ−ｃＮ、０≦ｂ、０≦ｄ、ｂ＋ｄ＜１）を用いた素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
今日、窒化物半導体を用いた半導体レーザは、ＤＶＤなど、大容量・高密度の情報記録・再生が可能な光ディスクシステムへの利用に対する要求が高まりを見せている。このため、窒化物半導体を用いた半導体レーザ素子は、研究が盛んになされている。また、窒化物半導体を用いた半導体レーザ素子は、紫外域から赤色に至るまで、幅広く可視光域での発振が可能と考えられ、その応用範囲は、上記光ディスクシステムの光源にとどまらず、レーザプリンタ、光ネットワークなどの光源など、多岐にわたるものと期待されている。
【０００３】
また、窒化物半導体を用いた発光素子は、赤色系〜紫外域までの波長の光を発光することができ、これにより、様々な用途に用いることができる。更に、窒化物半導体を用いた素子として、トランジスタ、パワーデバイス等の電子デバイス、フォトダイオード、太陽電池への応用にも、可能性が見いだされている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上述したように、窒化物半導体を用いた様々な素子及び発光装置には、様々な応用があるが、結晶成長において深刻な問題がある。それは、Ａｌを含む窒化物半導体を成長させると、結晶性を悪化させ、素子構造の破壊にまでおよぶ深刻なクラックの発生を招くものとなる。また、Ａｌを含む窒化物半導体層を素子構造として成長させると、その上に成長させる窒化物半導体にも深刻な結晶性の悪化が引き起こされる。このため、従来は、Ａｌを含む窒化物半導体を素子構造内に設ける場合には、Ａｌ混晶比の異なる層との多層膜として、薄膜、若しくは超格子を積層したものを用いていた。例えば、従来のレーザ素子では、クラッド層として、ＡｌＧａＮの単一膜を用いたいが上記問題があるため、ＡｌＧａＮとＧａＮを薄く膜厚（超格子）で交互に複数積層して、擬似的にＡｌＧａＮのクラッド層として形成されている。
【０００５】
これらは、従来、サファイア基板などの異種基板の上に、窒化物半導体からなるバッファ層、下地層（窒化物半導体基板）などを介して、その上に素子構造を形成していたため、異種基板との格子定数差・熱膨張係数差などのために、成長させる窒化物半導体に制限があった。また、前記バッファ層、下地層、若しくはその上に形成するｎ型層として、ＧａＮが多く用いられ、この上に、Ａｌを含む窒化物半導体を成長させるには、膜厚を超格子程度、１００Å以下、の薄膜で設けなければ、結晶性の悪化、クラックの発生という問題を解決することができなかった。すなわち、ＧａＮを基板としてその上に素子構造を形成したものでは、ＧａＮを用いたコンタクト層、ＧａＮにＡｌ若しくはＩｎを混晶した層とそれよりも混晶比の低い層若しくはＧａＮ層とを積層した多層膜などからなり、主にＧａＮを中心とした組成でもって素子構造が形成されたものとなる。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、前記事情に鑑みて成されたものであり、素子構造を形成する窒化物半導体基板のＡｌ混晶比を０より大きいものとすることで、前記課題を解決するものである。
【０００７】
すなわち、本発明の窒化物半導体素子及び発光装置は、以下の（１）〜（６）の構成により上記課題を解決するものである。
【０００８】
（１）窒化物半導体基板の上に、窒化物半導体を積層した窒化物半導体素子において、前記窒化物半導体基板がＡｌを含む窒化物半導体であり、前記積層される窒化物半導体として、Ａｌを含む窒化物半導体からなる第１の窒化物半導体層を有することを特徴とする窒化物半導体素子。この構成により、従来Ａｌを含む窒化物半導体がクラックの発生など結晶性の悪化により厚膜で成長させることが困難であったが、そのような制限がなく素子構造中の任意の位置に、厚膜のＡｌを含む窒化物半導体（第１の窒化物半導体層）を設けることができる。また、Ａｌを含む窒化物半導体において、Ａｌ混晶比が大きくなるにつれて、結晶性、クラックの発生が悪くなる傾向にあるが、上記窒化物半導体基板を用いることで、第１の窒化物半導体層との熱膨張係数差を小さくすることができ、高いＡｌ混晶比のＡｌを含む窒化物半導体を素子構造中に設けることができる。ここで、窒化物半導体基板は、低温で成長させたバッファ層と異なり単結晶で形成され、素子構造を形成するための基板となるものである。また、第１の窒化物半導体層は、例えばＬＤ、ＬＥＤなどの発光素子で電子閉込め層、クラッド層などに用いられるものである。
【０００９】
（２）前記窒化物半導体基板のＡｌ混晶比ｘが、ｘ＞０であり、前記第１の窒化物半導体層のＡｌ混晶比ｙが、ｙ＞０であって、ｘ≧ｙであることを特徴とする。この構成により、Ａｌ混晶比の大きな第１の窒化物半導体層を素子構造中に設けても、クラックの発生、結晶性の悪化を抑えることができ、良好な素子特性の窒化物半導体素子を得ることができる。これは、窒化物半導体基板よりも低いＡｌ混晶比の第１の窒化物半導体層は、窒化物半導体基板よりも熱膨張係数が小さいため、従来のようにＧａＮを基板とする場合と異なり、より高いＡｌ混晶比、より大きな膜厚でも良好な結晶性で第１の窒化物半導体層を形成できることにある。ここで好ましくは、素子構造中に用いられる全てのＡｌを含む窒化物半導体層が、窒化物半導体基板よりも低いＡｌ混晶比を有すること、すなわち、素子構造中で最も大きなＡｌ混晶比の層が第１の窒化物半導体層であることで、上述した効果を最大限に利用でき、より高機能な素子を得ることができる。
【００１０】
（３）前記窒化物半導体基板が、ＡｌＮであることを特徴とする。この構成により、上述したように、窒化物半導体基板の上に、その基板のＡｌ混晶比とほぼ同じかそれよりも低いＡｌを窒化物半導体を有する素子構造が形成されることになり、従来のように、Ａｌ混晶比の大きさ、膜厚に制限されることがなくなり、優れた素子特性を得ることができる。
【００１１】
（４）請求項１乃至３記載の窒化物半導体素子において、前記窒化物半導体基板の上に、Ｉｎを含む窒化物半導体を有する活性層を有することを特徴とする発光装置。この構成により、優れた発光装置を得ることが可能となる。これは、前記活性層を有する発光装置において、Ａｌを含む窒化物半導体層（第１の窒化物半導体層）は、上述したように活性層内へのキャリアの閉込めとして機能する層、クラッド層などに用いられ、これらの層を結晶性良く、また膜厚、Ａｌ混晶比が制限されることなく形成できることから、キャリアの閉込め、光の閉込めが高い効率で実現され、より高出力、高機能の発光装置を得ることができることとなる。
【００１２】
（５）前記窒化物半導体素子として、下部クラッド層、前記活性層、上部クラッド層、が順に積層された構造を有すると共に、該下部クラッド層が前記第1の窒化物半導体層を有し、該上部クラッド層がＡｌを含む窒化物半導体からなる第２の窒化物半導体層を有することを特徴とする。この構成により、より高い外部量子効率を得ることが可能となり、照明の光源など、応用が可能である。これは、上述したように、高いＡｌ混晶比、大きい膜厚で上部、下部クラッド層が形成できることから、閉込め係数の大きなＬＤとなり、しきい値を低下させ、外部量子効率の大きな素子となり、具体的には外部量子効率が７０％以上となるＬＤを得ることが可能となり、照明などの光源に適した発光装置となる。ここで、この発光装置を照明などの白色光源とするには、この発光装置をＲＧＢに対応する波長のＬＤを組み合わせた装置の少なくとも一部として構成させるもの、若しくはこの発光装置からの発光の少なくとも一部を吸収し波長変換して発光する蛍光体と組み合わせた装置を用いることができる。窒化物半導体を用いた発光装置に用いる蛍光体としては、イットリウム・アルミニウム・ガーネット系蛍光体を好ましく用いることができ、具体的にはセリウム付活で、Ｒｅ_1-xＳｍ_x）₃（Ａｌ_1-yＧａ_y）₅Ｏ₁₂：Ｃｅで表される蛍光体を用いることができる（ただし、０≦ｘ＜１、０≦ｙ≦１、Ｒｅは、Ｙ、Ｇｄ、Ｌａから選択される少なくとも一種の元素である）。
【００１３】
（６）前記窒化物半導体素子が、Ａｌを含む窒化物半導体と、Ｉｎを含む窒化物半導体と、が積層されてなることを特徴とする。この構成であること、すなわち窒化物半導体基板上の素子構造がＡｌを含む窒化物半導体層とＩｎを含む窒化物半導体とだけで構成されることにより、従来と異なる素子構造を形成することができ、素子特性に優れる窒化物半導体素子が得られる。これは、従来はＧａＮからなる基板の上に、ＧａＮと他の窒化物半導体とが積層された素子構造が形成されてきたが、本発明では窒化物半導体基板がＡｌを含む窒化物半導体であるため、素子構造中にＧａＮのようにＡｌ及びＩｎを含まない窒化物半導体を有すると、それに隣接してＡｌを含む窒化物半導体がある場合に、両者に大きな格子定数差、熱膨張係数差があることから、積層構造の組合せによっては結晶性にかえって悪影響を及ぼすことがあるからである。また、Ｉｎを含む窒化物半導体は、Ｉｎを含まない窒化物半導体に比べて、柔らかい結晶性を有するため、Ａｌを含む窒化物半導体と、Ｉｎを含む窒化物半導体と、が積層された素子構造において、格子定数差などが大きくても、Ｉｎを含む窒化物半導体はバッファとして機能させることができる。ここで、Ａｌを含む窒化物半導体としては、Ａｌ_xＧａ_1-xＮ（０＜ｘ≦１）を好ましく用いることができ、Ｉｎを含む窒化物半導体としては、Ｉｎ_yＧａ_1-yＮを好ましく用いることができる。これは、ＩｎＡｌＧａＮのように４元混晶を用いた素子であると各層の間の格子定数差を低く抑えることが可能となるが、成長方法によっては各層自身の結晶性が悪化する場合があるため、３元混晶とすることが好ましい。
【００１４】
【発明の実施の形態】
【００１５】
［基板］
本発明に用いる窒化物半導体基板としては、Ａｌ混晶比ｘが、ｘ＞０となる窒化物半導体であり、具体的な組成としてはＡｌ_xＧａ_1-xＮ（０＜ｘ≦１）で表されるものである。この時、窒化物半導体基板として更に好ましくは、ＡｌＮである。なぜなら、Ａｌ_xＧａ_1-xＮであることで、その上の素子構造として高いＡｌ混晶比の窒化物半導体を用いることができ、様々な素子構造を形成することが可能となる。また、窒化物半導体基板がＡｌＮであると、素子構造若しくは基板の上に、より高いＡｌ混晶比の窒化物半導体、２元混晶のＡｌＮをも使用することが可能となる。ここで、Ａｌを含む窒化物半導体は、従来でも異種基板、さらにはＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＡｌＮなどのバッファ層を介して、成長させることが可能であったが、その膜厚は好ましい条件下で成長させても数百Å以下程度で、それ以上の厚膜であると、１００Å以下程度で、上記窒化物半導体基板を用いてその上に設けられるＡｌを含む窒化物半導体層の膜厚は、これ以上の膜厚、具体的には５００Å以上の膜厚であっても、単一膜として形成でき、従来のように、ＡｌＧａＮ／ＧａＮの超格子多層膜としてクラッド層などを形成せずに、単一膜のクラッド層の形成も可能となる。このように、Ａｌを含む窒化物半導体を単一膜とし、それを窒化物半導体素子に用いると、Ａｌを含む窒化物半導体の本来の性質を十分に引き出すことが可能となり、例えばレーザ素子のクラッド層に用いると、ＡｌＧａＮ／ＧａＮの超格子多層膜のクラッド層を用いる場合に比べて、光の閉込めを高めることができ、このことによりしきい値電流を低下させ、外部量子効率を向上させることが可能となる。
【００１６】
ここで、本発明の窒化物半導体基板は、単体基板であっても、素子構造を形成する下地層となり、異種基板上に設けられた基板であっても、どちらでも良い。好ましくは、窒化物半導体とは異なる材料からなる異種基板が除かれた状態の単体基板を用いることである。また、異種基板などの上にＡｌを含む窒化物半導体基板を設けて、その上に素子構造を形成する場合には、少なくとも１μｍ以上の膜厚で形成したものを用いることが好ましい。窒化物半導体の成長には、従来知られた方法で成長させることができ、有機金属気相成長法が好ましく用いられ、ＭＢＥ、ＭＯＶＰＥ、ＨＶＰＥなどを用いることができる。窒化物半導体基板の膜厚が１０μｍ以下ではＭＯＣＶＤを用いることで結晶性の良い状態で成長させることができ、１０μｍ以上であると成長速度の遅いＭＯＣＶＤを用いるよりも成長速度の比較的大きいＨＶＰＥを用いることで、厚膜の窒化物半導体を効率よく得ることが可能となる。異種基板上に窒化物半導体基板を形成して、単体基板として取り出すには、少なくとも１０μｍ以上の膜厚で窒化物半導体基板を形成することであり、好ましくは５０μｍ以上、更に好ましくは１００μｍ以上の膜厚で設けることである。これは、１μｍ以下であると異種基板を除去することが困難で、５０μｍ以上であると異種基板を除去して単体基板を得ることが容易となり、１００μｍ以上であることで更に単体基板を得ることが確実にでき、単体基板の取り扱いも容易になる。また、数百℃以上の高温、数千気圧以上の高圧下で窒化物半導体の種結晶から単結晶を成長させたものを、窒化物半導体基板に用いても良い。
【００１７】
ここで、異種基板上に上記窒化物半導体基板を形成する際に、異種基板上に低温で成長させた窒化物半導体からなるバッファ層、さらにその上にバッファ層よりも高い温度で単結晶で成長した窒化物半導体を成長させて、窒化物半導体基板となる窒化物半導体層を形成することができる。この時、低温で成長させるバッファ層は、具体的にはＡｌ_xＧａ_1-xＮ（０≦ｘ＜１）で表される窒化物半導体を用いることができ、成長温度としては４００℃〜９００℃の範囲で成長されて、単結晶でない膜が形成される。
【００１８】
また、本発明の窒化物半導体基板の上に、半導体多層膜からなる反射膜を設ける場合にも有利に働くものとなる。これは、窒化物半導体の多層膜で反射膜を形成する場合には、屈折率差が大きくなるように、Ａｌを含む窒化物半導体とＡｌを含まない窒化物半導体とを交互に積層したものを用いるが、この時、Ａｌを含む窒化物半導体のＡｌ混晶比を大きくすることで、両方の層の屈折率差を大きくでき、結果として反射膜の反射率を高くすることができる。ここで、Ａｌを含む窒化物半導体としては、Ａｌ_aＧａ_1-aＮ（０＜ａ≦１）があり、Ａｌを含まない窒化物半導体としてはＩｎ_bＧａ_1-bＮ（０≦ｂ≦１）があり、好ましくはＡｌ_aＧａ_1-aＮ（０．５＜ａ≦１）／ＧａＮ、更に好ましくはＡｌＮ／ＧａＮの多層膜を用いることで、高い反射率の半導体多層膜を形成することができる
【００１９】
［第１の窒化物半導体層］
本発明の第１の窒化物半導体層は、窒化物半導体基板の上に素子構造として設けられる窒化物半導体であり、Ａｌ混晶比ｙがｙ＞０となる窒化物半導体である。具体的には、Ａｌ_yＧａ_1-yＮ（０＜ｙ≦１）で表される組成を好適に用いることができる。例えば、ＡｌＧａＮ若しくはＡｌＮからなるクラッド層、コンタクト層として用いることができる。従来は、ＧａＮ、若しくは低混晶比のＡｌを有するＡｌＧａＮを、下地層（基板）として、その上に、素子構造を設けていた。このため、ＡｌＧａＮなどのＡｌを含む窒化物半導体からなる層を設ける場合に、超格子で積層した超格子多層膜などのように、比較的うすい膜厚でしか、十分な結晶性の層を設けることができなかった。本発明では、第１の窒化物半導体のＡｌ混晶比ｙ以上のＡｌ混晶比ｘの窒化物半導体基板を有することで、Ａｌを含む窒化物半導体の成長が良好なものとなり、クラッド層、反射膜などに用いられるＡｌを含む窒化物半導体を単一膜で成長させることが可能となる。
【００２０】
従って、本発明では、熱膨張係数の大きい窒化物半導体基板の上に、それとほぼ同じかそれよりも熱膨張係数の小さい窒化物半導体層（第１の窒化物半導体層）を素子構造として、形成するものとなり、その素子構造の形成において、クラックの発生などのない、優れた素子構造を形成することができる。具体的には、窒化物半導体基板のＡｌ混晶比と第１の窒化物半導体層のＡｌ混晶比が上述の関係にあること、すなわち、窒化物半導体基板のＡｌ混晶比とほぼ同じかそれよりも小さいＡｌ混晶比（０を含む）の窒化物半導体層を素子構造として形成することで、このような熱膨張係数の関係を築くことができ、素子構造としてＡｌを含む窒化物半導体を用いる場合には、クラックの発生することなく単一膜の層を形成することができる。
【００２１】
［第２の窒化物半導体層］
本発明の第２の窒化物半導体層としては、上部クラッド層に用いられるものであり、具体的な窒化物半導体としては、第１の窒化物半導体と同様なものを用いることができる。
【００２２】
［活性層］
本発明に用いる活性層としては、量子井戸構造を用いても良く、多重量子井戸構造、単一量子井戸構造のどちらでも良い。好ましくは、多重量子井戸構造とすることで、出力の向上、発振閾値の低下などが図ることが可能となる。活性層の量子井戸構造としては、後述する井戸層、障壁層を積層したものを用いることができる。また、積層構造としては、井戸層を障壁層で挟み込む構造を積層したものであり、すなわち、単一量子井戸構造においては、井戸層を挟むように、ｐ型窒化物半導体層側、ｎ型窒化物半導体層側に、それぞれ障壁層を少なくとも１層有する。活性層には、少なくとも、Ｉｎを含む窒化物半導体を有することが好ましく、量子井戸構造である場合には、Ｉｎを含む窒化物半導体を有する井戸層を少なくとも設けることである。この時具体的な組成としては、Ｉｎ_αＧａ_{1- α}Ｎ（０＜α≦１）を好ましく用いることができる。このことにより、良好な発光・発振を可能とする井戸層となる。この時、Ｉｎ混晶比により、発光波長を決めることができる。
【００２３】
本発明において、障壁層の組成としては、特に限定されないが、井戸層よりＩｎ混晶比の低いＩｎを含む窒化物半導体若しくはＧａＮ、Ａｌを含む窒化物半導体などを用いることができる。具体的な組成としては、Ｉｎ_βＧａ_{1- β}Ｎ（０≦β＜１，α＞β）、ＧａＮ、Ａｌ_γＧａ_{1- γ}Ｎ（０＜γ≦１）などを用いることができる。
【００２４】
［ｎ型層］
本発明のｎ型層の組成としては、Ｉｎ_xＡｌ_yＧａ_1-x-yＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）で表される窒化物半導体が用いられ、ｎ型不純物をドープしたもの、アンドープのもの（成長時にｎ型不純物をドープしないもの）、ノンドープのもの（ｎ型不純物を含有しないもの）を用いることができる。ここで、ｎ型不純物としては、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｓ、Ｏ等が挙げられ、好ましくはＳｉ、Ｓｎを用いることである。
【００２５】
［ｐ型層］
本発明のｐ型層の組成としては、Ｉｎ_xＡｌ_yＧａ_1-x-yＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）で表される窒化物半導体が用いられ、ｐ型不純物をドープしたもの、アンドープのもの（成長時にｎ型不純物をドープしないもの）、を用いることができる。ここで、ｐ型不純物としては、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｂｅ、Ｃａが挙げられ、好ましくはＭｇを用いることである。
【００２６】
【実施例】
［実施例１］
（窒化物半導体基板）
以下、実施例として、図１に示すようなレーザ素子構造の窒化物半導体を用いたレーザ素子について、説明する。
【００２７】
（基板１０１） 基板として、ＡｌＮからなる窒化物半導体基板を用いる。この窒化物半導体基板は以下のようにして得る。２インチφサファイアＣ面ウエハを、ＭＯＣＶＤ装置にセットして、温度を５１０℃にし、キャリアガスに水素、原料ガスにアンモニアとＴＭＧ（トリメチルガリウム）、ＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）とを用い、サファイア基板１上にＡｌ_0.5Ｇａ_0.5Ｎよりなるバッファ層を約２００Å（オングストローム）の膜厚で成長させ、さらに温度を１０５０℃とし、原料ガスにＴＭＧ、アンモニアを用い、アンドープのＡｌＮよりなる下地層を１μｍ形成する。次にウエハをＨＶＰＥ装置に移し、下地層の上にＡｌＮを１００μｍの膜厚で成長させ、最後にウエハをＨＶＰＥ装置から取り出し、異種基板、バッファ層、下地層を研磨などにより除去して、ＡｌＮの単体基板を作製し、これを窒化物半導体基板として用いる。
【００２８】
（バッファ層１０２） 窒化物半導体基板の上に、バッファ層成長後、温度を１０５０℃にして、ＴＭＧ（トリメチルガリウム）、ＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）、アンモニアを用い、Ａｌ_0.05Ｇａ_0.95Ｎよりなるバッファ層１０２を４μｍの膜厚で成長させる。この層は、ＡｌＧａＮのｎ型コンタクト層と、ＡｌＮからなる窒化物半導体基板との間で、バッファとして機能する。このバッファ層を設けずに、窒化物半導体基板上に直接、素子構造を設けても良い。次に、窒化物半導体基板の上に、以下に示す素子構造となる各層を積層する。
【００２９】
（ｎ型コンタクト層１０３）
次に得られたバッファ層１０２上にＴＭＧ、ＴＭＡ、アンモニア、不純物ガスとしてシランガスを用い、１０５０℃でＳｉドープしたＡｌ_0.05Ｇａ_0.95Ｎよりなるｎ型コンタクト層１０３を４μｍの膜厚で成長させる。
【００３０】
（クラック防止層１０４） 次に、ＴＭＧ、ＴＭＩ（トリメチルインジウム）、アンモニアを用い、温度を８００℃にしてＩｎ_0.06Ｇａ_0.94Ｎよりなるクラック防止層１０４を０．１５μｍの膜厚で成長させる。なお、このクラック防止層は省略可能である。
【００３１】
（ｎ型クラッド層１０５） 次に、温度を１０５０℃にして、原料ガスにＴＭＡ、ＴＭＧ及びアンモニアを用い、アンドープのＡｌ_0.05Ｇａ_0.95Ｎを膜厚１．１μｍで成長させる。この時、アンドープＡｌＧａＮのＡｌ混晶比としては、０．０２以上０．３以下の範囲であれば、十分にクラッド層として機能する屈折率差を設けることができる。
【００３２】
（ｎ型光ガイド層１０６） 次に、同様の温度で、原料ガスにＴＭＧ及びアンモニアを用い、アンドープのＧａＮよりなるｎ型光ガイド層１０６を０．１５μｍの膜厚で成長させる。また、ｎ型不純物をドープしてもよい。
（活性層１０７） 次に、温度を８００℃にして、原料ガスにＴＭＩ（トリメチルインジウム）、ＴＭＧ及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、Ｓｉを５×１０１８／ｃｍ３ドープしたＩｎ_0.05Ｇａ_0.95Ｎよりなる障壁層（Ｂ）を１４０Åの膜厚で、シランガスを止め、アンドープのＩｎ_0.1Ｇａ_0.9Ｎよりなる井戸層（Ｗ）を５５Åの膜厚で、この障壁層（Ｂ）、井戸層（Ｗ）を、（Ｂ）／（Ｗ）／（Ｂ）／（Ｗ）の順に積層する。最後に障壁層として、原料ガスにＴＭＩ（トリメチルインジウム）、ＴＭＧ及びアンモニアを用い、アンドープのＩｎ_0.05Ｇａ_0.95Ｎを成長させる。活性層１０７は、総膜厚約５００Åの多重量子井戸構造（ＭＱＷ）となる。
【００３３】
（ｐ型電子閉込め層１０８：第１のｐ型窒化物半導体層） 次に、同様の温度で、原料ガスにＴＭＡ、ＴＭＧ及びアンモニアを用い、不純物ガスとしてＣｐ２Ｍｇ（シクロペンタジエニルマグネシウム）を用い、Ｍｇを１×１０１９／ｃｍ３ドープしたＡｌ_0.3Ｇａ_0.7Ｎよりなるｐ型電子閉込層１０８を１００Åの膜厚で成長させる。この層は、特に設けられていなくても良いが、設けることで電子閉込めとして機能し、閾値の低下に寄与するものとなる。
【００３４】
（ｐ型光ガイド層１０９） 次に、温度を１０５０℃にして、原料ガスにＴＭＧ及びアンモニアを用い、アンドープのＧａＮよりなるｐ型光ガイド層１０９を０．１５μｍの膜厚で成長させる。
【００３５】
このｐ型光ガイド層１０９は、アンドープとして成長させるが、ｐ型電子閉込め層１０８、ｐ型クラッド層１０９等の隣接層からのＭｇの拡散により、Ｍｇ濃度が５×１０１６／ｃｍ３となりｐ型を示す。またこの層は成長時に意図的にＭｇをドープしても良い。
【００３６】
（ｐ型クラッド層１１０） 続いて、１０５０℃でＭｇドープＡｌ_0.05Ｇａ_0.95Ｎよりなる層を膜厚０．４５μｍのｐ型クラッド層１１０を成長させる。ｐ型クラッド層はＡｌを含む窒化物半導体層を含み、具体的には、Ａｌ_XＧａ_1-XＮ（０＜X＜１）を含むとする。
【００３７】
（ｐ型コンタクト層１１１） 最後に、１０５０℃で、ｐ型クラッド層１１０の上に、Ｍｇを１×１０²⁰／cm³ドープしたｐ型ＧａＮよりなるｐ型コンタクト層１１１を１５０Åの膜厚で成長させる。ｐ型コンタクト層１１１はｐ型のＩｎ_XＡｌ_YＧａ_1-X-YＮ（０≦X、０≦Y、X＋Y≦１）で構成することができ、好ましくはＭｇをドープしたＧａＮとすれば、ｐ電極１２０と最も好ましいオーミック接触が得られる。コンタクト層１１１は電極を形成する層であるので、１×１０¹⁷／cm³以上の高キャリア濃度とすることが望ましい。１×１０¹⁷／cm³よりも低いと電極と好ましいオーミックを得るのが難しくなる傾向にある。さらにコンタクト層の組成をＧａＮとすると、電極材料と好ましいオーミックが得られやすくなる。反応終了後、反応容器内において、ウエハを窒素雰囲気中、７００℃でアニーリングを行い、ｐ型層を更に低抵抗化する。
【００３８】
以上のようにして窒化物半導体を成長させ各層を積層した後、ウエハを反応容器から取り出し、最上層のｐ型コンタクト層の表面にＳｉＯ₂よりなる保護膜を形成して、ＲＩＥ（反応性イオンエッチング）を用いＳｉＣｌ₄ガスによりエッチングし、図１に示すように、ｎ電極を形成すべきｎ型コンタクト層１０３の表面を露出させる。このように窒化物半導体を深くエッチングするには保護膜としてＳｉＯ₂が最適である。
【００３９】
次に上述したストライプ状の導波路領域として、リッジストライプを形成する。まず、最上層のｐ型コンタクト層（上部コンタクト層）のほぼ全面に、ＰＶＤ装置により、Ｓｉ酸化物（主として、ＳｉＯ₂）よりなる第１の保護膜１６１を０．５μｍの膜厚で形成した後、第１の保護膜１６１の上に所定の形状のマスクをかけ、ＲＩＥ（反応性イオンエッチング）装置により、ＣＦ₄ガスを用い、フォトリソグラフィー技術によりストライプ幅１．６μｍの第１の保護膜１６１とする。この時、リッジストライプの高さ（エッチング深さ）は、ｐ型コンタクト層１１１、およびｐ型クラッド層１０９、ｐ型光ガイド層１１０の一部をエッチングして、ｐ型光ガイド層１０９の膜厚が０．１μｍとなる深さまでエッチングして、形成する。
【００４０】
次に、リッジストライプ形成後、第１の保護膜の上から、Ｚｒ酸化物（主としてＺｒＯ₂）よりなる第２の保護膜１６２を、第１の保護膜の上と、エッチングにより露出されたｐ型光ガイド層１０９の上に０．５μｍの膜厚で連続して形成し、埋込層とする。
【００４１】
第２の保護膜１６２形成後、ウエハを６００℃で熱処理する。このようにＳｉＯ₂以外の材料を第２の保護膜として形成した場合、第２の保護膜成膜後に、３００℃以上、好ましくは４００℃以上、窒化物半導体の分解温度以下（１２００℃）で熱処理することにより、第２の保護膜が第１の保護膜の溶解材料（フッ酸）に対して溶解しにくくなるため、この工程を加えることがさらに望ましい。
【００４２】
次に、ウエハをフッ酸に浸漬し、第１の保護膜をリフトオフ法により除去する。このことにより、ｐ型コンタクト層１１１の上に設けられていた第１の保護膜が除去されて、ｐ型コンタクト層が露出される。以上のようにして、図１に示すように、リッジストライプの側面、及びそれに連続する平面（ｐ型光ガイド層１０９の露出面）に第２の保護膜１６２が形成される。
【００４３】
このように、ｐ型コンタクト層１１２の上に設けられた第１の保護膜が、除去された後、図１に示すように、その露出したｐ型コンタクト層１１１の表面にＮｉ／Ａｕよりなるｐ電極１２０を形成する。但しｐ電極１２０は１００μｍのストライプ幅として、図１に示すように、第２の保護膜１６２の上に渡って形成する。第２の保護膜１６２形成後、既に露出させたｎ型コンタクト層１０３の表面にはＴｉ／Ａｌよりなるストライプ状のｎ電極１２１をストライプと平行な方向で形成する。
【００４４】
次に、ｎ電極を形成するためにエッチングして露出された面でｐ，ｎ電極に、取り出し電極を設けるため所望の領域にマスクし、ＳｉＯ₂とＴｉＯ₂よりなる誘電体多層膜１６４を設けた後、ｐ，ｎ電極上にＮｉ−Ｔｉ−Ａｕ（１０００Å−１０００Å−８０００Å）よりなる取り出し（パット）電極１２２，１２３をそれぞれ設けた。この時、活性層１０７の幅は、２００μｍの幅（共振器方向に垂直な方向の幅）であり、共振器面（反射面側）にもＳｉＯ₂とＴｉＯ₂よりなる誘電体多層膜が設けられる。
【００４５】
以上のようにして、ｎ電極とｐ電極とを形成した後、ストライプ状の電極に垂直な方向で、窒化物半導体のＭ面（ＧａＮのＭ面、（1 1- 0 0）など）でバー状に分割して、更にバー状のウエハを分割してレーザ素子を得る。この時、共振器長は、６５０μｍで、発振波長４０５ｎｍのレーザ素子である。このようにして得られるレーザ素子は、クラッド層を単一膜で形成していることから、導波路における光の閉込め効率が高まり、しきい値電流を下げることができ、そのことにより外部量子効率を向上させることができる。
【００４６】
［実施例２］
実施例１において、ｎ型光ガイド層とｐ型光ガイド層とを設けず、更にｐ型コンタクト層をＭｇドープＡｌ_0.01Ｇａ_0.95Ｎとし、クラッド層を、膜厚０．４５μｍのＭｇドープＡｌ_0.05Ｇａ_0.95Ｎよりなるｐ型クラッド層、膜厚１．１μｍのアンドープのＡｌ_0.05Ｇａ_0.95Ｎよりなるｎ型クラッド層、とする他は、実施例１と同様にして、レーザ素子を得る。これにより、Ａｌを含む窒化物半導体基板の上に、Ａｌを含む窒化物半導体、Ｉｎを含む窒化物半導体だけを積層した構造からなるレーザ素子が得られる。上部（ｎ型）、下部（ｐ型）クラッド層を単一膜で形成しても、クラックの発生がなく、結晶性良く形成することができる。また、ＧａＮのようにＡｌ及びＩｎを含まない窒化物半導体を有していないことで、従来存在したＧａＮとの界面での大きな格子定数差がなくなり、素子構造像全体での格子の整合性が向上する。更に、各クラッド層のＡｌ混晶比を０．１にすることで、外部量子効率の大きなレーザ素子が得られる。
【００４７】
［実施例３］
図２に示す面発光型のレーザ素子を作製する。実施例１と同様にＡｌＮの窒化物半導体基板１０１を用いて、以下の素子構造を形成する。
【００４８】
窒化物半導体基板の上に、反射膜１３０として、ＡｌＮからなる第１の層１３１とＧａＮからなる第２の層１３２を交互にそれぞれ３層づつ積層する。この時、各層は、λ／（４ｎ）（但し、λは光の波長、ｎは材料の屈折率）の式を満たす膜厚で設け、ここではｎ＝２（ＡｌＮ）、２．５（ＧａＮ）で、各膜厚を第１の層約５００Å、第２の層約４００Åの膜厚で形成する。
【００４９】
続いて、実施例１と同様の条件で、ｎ型コンタクト層１３３、活性層１３４、ｐ型電子閉込め層（図示せず）、ｐ型コンタクト層を積層して、円形状の開口部を有するＳｉＯ₂からなるブロック層１３６を設けて、その円形状の開口部からＭｇドープＧａＮを成長させて、第２のｐ型コンタクト層１３７を形成する。この時、ｐ型コンタクト層１３５、第２のｐ型コンタクト層１３７は、いずれか一方だけを形成したものでも良い。その第２のｐ型コンタクト層１３７の上に、ＳｉＯ₂／ＴｉＯ₂からなる誘電体多層膜を形成し反射膜１３８とし、前記ブロック層１３６の開口部の上に円形状に設ける。そして、ｎ型コンタクト層１３３が露出する深さまでエッチングして、露出したｎ型コンタクト層１３３の上にリング状のｎ電極１２１、第２のｐ型コンタクト層１３７の上に、反射膜１３８の周りを囲むｐ電極１２０をそれぞれ形成する。このようにして、得られる面発光型のレーザ素子は、基板がＡｌＮであるため、その上に形成する半導体多層膜からなる反射膜１３０、特にＡｌＮを結晶性良く形成することができ、反射率の良好な反射膜となる。
【００５０】
［実施例４］
実施例１の窒化物半導体基板の形成において、２インチφ、Ｃ面サファイア基板の上に、Ａｌ_0.5Ｇａ_0.5Ｎよりなるバッファ層、ＡｌＮからなる下地層を形成し、この下地層を窒化物半導体基板とし、実施例１の素子構造となる各層１０２〜１１１を積層し、実施例１と同様にしてレーザ素子を得る。実施例１と異なり窒化物半導体基板が異種基板上に設けられているため、素子構造中のＡｌを含む窒化物半導体の結晶性が実施例１に比べて結晶性が悪化する傾向にあるが、比較例１の場合に比べて良好な結晶性であり、よりＡｌの混晶比の高いＡｌを含む窒化物半導体を素子構造中に用いることが可能である。
【００５１】
［比較例１］
実施例１の単体基板の形成において、サファイア基板上に、ＧａＮからなるバッファ層、ＧａＮからなる下地層を形成し、ＧａＮからなる厚膜の層を成長させて、ＧａＮからなる窒化物半導体基板を得て、これを用いてレーザ素子を得る。得られるレーザ素子は、実施例１、２に比べて、各層の結晶性、特にＡｌを含む窒化物半導体の結晶性、が悪化する傾向にある。このため、ｐ型電子閉込め層のように、比較的Ａｌ混晶比の大きなＡｌを含む窒化物半導体を素子構造中に設ける場合には、Ａｌを含む窒化物半導体の結晶性を維持して、クラックの発生を抑制するために、数百Å以下に膜厚を抑えるか、若しくはクラッド層のように、数百Å以下の層を複数積層して超格子多層膜で厚膜の層を設ける方法に限られてくる。
【００５２】
【発明の効果】
本発明では、Ａｌを含む窒化物半導体基板を用いた窒化物半導体素子とすることで、基板の上にＡｌＧａＮ、ＡｌＮなどのＡｌを含む窒化物半導体をクラックの発生などなく成長させることができ、単一膜のクラッド層、窒化物半導体からなる半導体多層膜の反射膜を好ましく形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の１実施形態を説明する模式断面図。
【図２】本発明の１実施形態を説明する模式断面図。
【符号の簡単な説明】
１０１・・・窒化物半導体基板
１０２・・・バッファ層
１０３・・・ｎ型コンタクト層
１０４・・・クラック防止層
１０５・・・ｎ型クラッド層
１０６・・・ｎ型光ガイド層
１０７・・・活性層
１０８・・・ｐ型電子閉込め層
１０９・・・ｐ型光ガイド層
１１０・・・ｐ型クラッド層
１１１・・・ｐ型コンタクト層
１２０・・・ｐ電極
１２１・・・ｎ電極
１３０・・・反射膜
１３１・・・第１の層
１３２・・・第２の層
１３３・・・ｎ型コンタクト層
１３４・・・活性層
１３５・・・ｐ型コンタクト層
１３６・・・ブロック層
１３７・・・第２のｐ型コンタクト層
１３８・・・反射膜
１６２・・・第２の保護膜

Claims (3)

1. ＡｌＮ基板上に、窒化物半導体からなる素子構造を積層した窒化物半導体素子において、
   前記素子構造は、Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０＜ｘ≦１）とＩｎ_ｙＧａ_１−ｙＮ（０＜ｙ≦１）のみからなり、
   前記ＡｌＮ基板に接して、Ａｌ _ｘ Ｇａ _１−ｘ Ｎ（０＜ｘ≦１）からなる層が形成されていることを特徴とする窒化物半導体素子。
2. 請求項１に記載の窒化物半導体素子において、前記ＡｌＮ基板の上に、前記Ｉｎ_ｙＧａ_１−ｙＮ（０＜ｙ≦１）を有する活性層を有することを特徴とする発光装置。
3. 前記窒化物半導体素子として、下部クラッド層、前記活性層、上部クラッド層、が順に積層された構造を有すると共に、該下部クラッド層及び上部クラッド層が前記Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０＜ｘ≦１）からなることを特徴とする請求項２記載の発光装置。

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