JPH10294532A - 窒化物系半導体発光素子およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 簡単な構造で自励発振を行うことが可能な
窒化物半導体発光素子およびその製造方法を提供するこ
と。 【解決手段】 窒化物系半導体発光素子のＩｎ_0.3 Ｇａ
_0.7 Ｎ／ＧａＮ多重量子井戸活性層１０５またはＩｎ
_0.3 Ｇａ_0.7 Ｎ／ＧａＮ多重量子井戸活性層１０５に隣
接するｎ型Ｉｎ_0.1 Ｇａ_0.9 Ｎ／ＧａＮ多重量子井戸隣
接層１０４を可飽和吸収領域にすることにより自励発振
を生じさせるようにした、光ディスク記録の読み出し用
光へッドとして実用可能な性能を満たした窒化物系半導
体発光素子及びその製造方法。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はＧａＮ、ＡｌＧａ
Ｎ、ＩｎＧａＮ等の窒化物系の化合物半導体を用いた発
光素子およびその製造方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】窒化物系化合物半導体については、サフ
アイヤ、ＳｉＣ、スピネルなどの基板上に成長する六方
晶型結晶が現在のところ、最も良好な結晶とされてい
る。しかしサファイヤ基板、スピネル基板は導電性が低
いため電極はｐ型、ｎ型とも窒化物半導体表面に形成し
ている。半導体レーザのような高電流注入では表面を電
流が多く流れるいわゆるリーク電流が生じ、発光に寄与
する電流が少ないため、発光効率が低く、半導体レーザ
の信頼性も低い。さらに、リーク電流を防いだり、半導
体レーザを低電流動作させるために必要な電流密度を上
げるための、電流狭窄構造を形成することが困難であ
る。このため、従来は低動作電流で高電流注入において
もリーク電流がなく信頼性の高い半導体レーザ構造が得
られていない。

【０００３】また、従来の光ディスク記録の読み出し用
光へッドとしての半導体レーザは、発振中の強度変化に
よるノイズが問題となっており、この対策として例えば
自励発振型構造が用いられるが、超薄膜活性層構造では
自励発振を得ることは難しい。このため、高周波重畳法
やレーザ自体を二種類用いる方法などか採用されている
が、いずれも構造は複雑である。また、活性層の膜厚を
場所により変えて２種類のレーザを形成する方法も報告
されているが、この方法では活性層の厚さの制御が極め
て難しいという問題がある。また、読み出しと書き込み
を行うヘッドでは出力の異なる２種類のレーザを用いる
ことが一般的であるが、いずれもその構造は複雑であ
る。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】このように従来の窒化
物系半導体レーザでは光ディスク記録の読み出し側光へ
ッドとして実用可能な性能を満たした半導体レーザを安
価に容易に作成することは困難であった。

【０００５】したがって、本発明の目的は上記事情を考
慮し、簡単な構造で自励発振を行うことが可能な窒化物
系半導体発光素子およびその製造方法を提供することに
ある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本願第１の発明は、基板
上に活性層およびこれに隣接する隣接層を含む、六方晶
系の結晶構造を有する３元以上のIII −Ｖ族化合物半導
体からなる混晶層が積層形成された窒化物系半導体発光
素子において、前記隣接層には、この隣接層を構成する
１つの元素の濃度が周辺より高い島状領域が点在し、こ
の島状領域の前記１つの元素の濃度は、前記六方晶系の
結晶のＣ軸に垂直な方向での組成の変化が２ｎｍ以内で
１０パーセント以上異なり、また、前記島状領域の最大
径が１００ｎｍ以下であり、かつ前記島状領域の不純物
濃度が周辺部の不純物濃度に比べて低いことを有する窒
化物系半導体発光素子である。

【０００７】本願第２の発明は、前記活性層には穴状領
域が点在し、この穴状領域が前記隣接層を形成する半導
体によって埋め込まれていることを有する前記第１の発
明に記載の窒化物系半導体発光素子である。

【０００８】本願第３の発明は、前記隣接層には穴状領
域が点在していることを有する前記第１の発明に記載の
窒化物系半導体発光素子である。本願第４の発明は、前
記隣接層は多重量子井戸構造を有しており、前記島状領
域を形成する前記１つの元素はインジウム、アルミニウ
ムまたはガリウムのうちの少なくとも１つであることを
有する前記第１の発明に記載の窒化物系半導体発光素子
である。

【０００９】本願第５の発明は、前記活性層は多重量子
井戸構造を有しており、この活性層には、この活性層を
構成する１つの元素の濃度が周辺より高い島状領域が点
在し、この島状領域は、この領域を囲む領域の材料のバ
ンドギャップに比べて同じか、または、１０ｍｅＶ以内
の差で小さいバンドギャップを有する前記第１の発明に
記載の窒化物系半導体発光素子である。

【００１０】本願第６の発明は、前記不純物はＳｉ、
Ｃ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｐｂの内の少なくも１つであることを
有する前記第１乃至第６の発明に記載の窒化物系半導体
発光素子である。

【００１１】本願第７の発明は、前記島状領域相互の間
隔をｄ、その周辺部の屈折率をｎ、前記島状領域の発光
波長をλとした時、λｍ＝２ｎｄ（ｍ＝１、２、３、
４）を満たすことを有する前記第５の発明に記載の窒化
物系半導体発光素子である。

【００１２】本願第８の発明は、前記活性層には穴状領
域が点在し、この穴状領域が前記隣接層を形成する半導
体によって埋め込まれており、かつ、前記隣接層には穴
状領域が点在し、この穴状領域が前記隣接層に隣接し活
性層側ではない層を形成する半導体によって埋め込まれ
ていることを有する前記第５乃至７の発明に記載の窒化
物系半導体発光素子である。

【００１３】本願第９の発明は、基板上に活性層および
これに隣接する隣接層を含む、六方晶系の結晶構造を有
する３元以上のIII −Ｖ族化合物半導体からなる混晶層
が積層された窒化物系半導体発光素子において、前記活
性層には穴状領域が点在し、この穴状領域が前記隣接層
を形成する半導体によって埋め込まれていることを有す
る窒化物系半導体発光素子である。

【００１４】本願第１０の発明は、前記隣接層には穴状
領域が点在していることを有する前記第９の発明に記載
の窒化物系半導体発光素子である。本願第１１の発明
は、前記活性層は多重量子井戸構造を有しており、この
活性層には、この活性層を構成する１つの元素の濃度が
周辺より高い島状領域が点在し、この島状領域は、この
領域を囲む領域の材料のバンドギャップに比べて同じ
か、または、１０ｍｅＶ以内の差で小さいバンドギャッ
プを有する前記第９の発明に記載の窒化物系半導体発光
素子である。

【００１５】本願第１２の発明は、前記活性層は多重量
子井戸構造をなしており、少なくともその一部はＩｎＧ
ａＮからなることを有する第９の発明に記載の窒化物系
半導体発光素子である。

【００１６】本願第１３の発明は、基板上に活性層およ
びこれに隣接する隣接層を含む、六方晶系の結晶構造を
有する３元以上のIII −Ｖ族化合物半導体からなる混晶
層が積層された窒化物系半導体発光素子において、前記
隣接層には穴状領域が点在していることを有する窒化物
系半導体発光素子である。

【００１７】本願第１４の発明は、基板上に活性層およ
びこれに隣接する多重量子井戸隣接層を含む、六方晶系
の結晶構造を有する３元以上のIII −Ｖ族化合物半導体
からなる混晶層を積層形成した窒化物系半導体発光素子
の製造方法において、前記多重量子井戸隣接層は、井戸
層の成長用の原料ガスと障壁層の成長用の原料ガスを交
互に所定時間供給して井戸層および障壁層を交互に成長
させるとともに、前記井戸層の成長と前記障壁層の成長
との間に所定の待機時間を設けることを有する窒化物系
半導体発光素子の製造方法である。

【００１８】本願第１５の発明は、前記井戸層の成長用
の原料ガスはトリメチルインジウム、トリメチルガリウ
ムおよびアンモニアガスであり、前記障壁層の成長用の
原料ガスはトリメチルガリウムおよびアンモニアガスで
あることを有する第１４の発明に記載の窒化物系半導体
発光素子の製造方法である。

【００１９】本願第１６の発明は、基板上に活性層およ
びこれに隣接する多重量子井戸隣接層を含む、六方晶系
の結晶構造を有する３元以上のIII −Ｖ族化合物半導体
からなる混晶層を積層形成した窒化物系半導体発光素子
を有機金属を用いた気相成長により製造するに際し、前
記気相成長の原料ガスとして、トリメチルインジウム、
トリメチルガリウムおよびアンモニアガスを用い、成長
温度を７００℃以上８５０℃以下とし、かつ、すべての
原料ガスとキャリアガス流量の総和を標準換算で一分間
に１０リットル以上５０リットル以下とし、さらにＶ族
元素とＩＩＩ族元素のモル流量比を１０００以上１５０
００以下で、前記活性層をエピタキシャル成長させるこ
とを有する窒化物系半導体発光素子の製造方法である。

【００２０】要約すれば、本発明は、窒化物半導体発光
素子の活性層または活性層に隣接する隣接層を可飽和吸
収領域にすることにより自励発振を生じさせるようにし
たものである。

【００２１】したがって、本発明によれば、自励発振を
複雑な構造を用いずに発生することかでき、低ノイズの
特性をもった光デイスク記録の読み出し用半導体レーザ
を形成できる。また、書き込み用を読み出し用と同じ構
造で作製が可能で、書き込み読み出し両用へツドの構造
を簡素化できる。

【００２２】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態を図面を
用いて詳細に説明する。図１は本発明の第１の実施形態
に係わる窒化物系半導体レーザの概略構成を説明する断
面図である。同図中で、１００はサファイヤ基板、１０
１はｎ型ＧａＮバッファー層（Ｓｉドーブ、３〜５×１
０¹⁸ｃｍ^-3、０．１μｍ）であり、１０２はｎ型ＧａＮ
コンタクト層（Ｓｉドーブ、３〜５×１０¹⁸ｃｍ^-3、４
μｍ）、１０３はｎ型ＡｌＧａＮクラッド層（Ｓｉドー
プ、５×１０¹⁷ｃｍ^-3、０．３μｍ）、１０４はｎ型Ｉ
ｎ_0.1 Ｇａ_0.9 Ｎ／ＧａＮ多重量子井戸(multiple quan
tum well) 隣接層（Ｓｉドーブ、５×１０¹⁷ｃｍ^-3、井
戸幅２ｎｍ、障壁幅４ｎｍ、ペアー数３）、１０５はＩ
ｎ_0.3 Ｇａ_0.7 Ｎ／ＧａＮ多重量子井戸活性層（アンド
ープ、井戸幅２ｎｍ、障壁幅４ｎｍ、ペアー数３）、１
０６はｐ型ＧａＮ隣接層（Ｍｇドープ，５×１０¹⁷ｃｍ
^-3、０．１μｍ）、１０７はｐ型ＡｌＧａＮクラッド層
（Ｍｇドープ、５×１０¹⁷ｃｍ^-3、０．３μｍ）、１０
８はｐ型ＧａＮコンタクト層（Ｍｇドープ、１〜３×１
０¹⁸ｃｍ^-3、０．５μｍ）、１０９はｎ型ＧａＮ通電障
壁層（Ｓｉドープ、１×１０¹⁸ｃｍ^-3、０．３μｍ）、
１１０はｐ側電極、１１１はｎ側電極である。

【００２３】図１に示した半導体レーザの製造方法は次
のとおりである。始めに有機金属を用いた気相成長（Ｍ
ｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐ
ｏｕｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：ＭＯＣＶＤ）法によ
り、サファイア基板１００の上に、ｎ型ＧａＮバッファ
ー層１０１からｎ型ＧａＮ層１０９まで成長する。その
後、ｎ型ＧａＮ層１０９の上に一部フォトリソグラフィ
ーによりマスクを形成し、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１
０７が露出するまでエッチングを行う。次に、ｐ型Ｇａ
Ｎコンタクト層１０８を成長する。その後ｎ型ＧａＮコ
ンタクト層１０２を形成するためにｎ型ＧａＮコンタク
ト層１０２を形成する部分をマスクで覆いエッチング除
去する。マスクを除去しｎ側電極１１１、ｐ側電極１１
０を形成し、図１の構造の窒化物系半導体レーザが製造
できる。

【００２４】ここで、前記ｎ型Ｉｎ_0.1 Ｇａ_0.9 Ｎ／Ｇ
ａＮ多重量子井戸隣接層１０４（Ｓｉドープ、井戸幅２
ｎｍ、障壁幅４ｎｍ、ペアー数３）は次のように成長さ
せる。成長温度は７６０℃、Ｉｎ_0.1 Ｇａ_0.9 Ｎ層の成
長には、ＴＭＩ（トリメチルインジウム）、ＴＭＧ（ト
リメチルガリウム）、アンモニアガスおよびシランを用
い、通常の厚膜成長で１μｍ／ｈの成長速度が得られる
条件下で８秒間成長する。これによって幅２ｎｍの井戸
層が形成される。ついで、１秒間の待機時間をおいてＴ
ＭＧ（トリメチルガリウム）、アンモニアガスおよびシ
ランを用い、同じ成長速度の条件下で１８秒間成長させ
る。これによって幅４ｎｍの障壁層が形成される。以下
同じプロセスを３回繰り返し、井戸（ｗｅｌｌ）層と障
壁（ｂａｒｒｉｅｒ）層のペアを３組積層形成した。

【００２５】このようにして成長した多重量子井戸隣接
層１０４には、層の面内方向において、Ｉｎ組成が局所
的に多い部分が形成されることが判明した。図２は、カ
ソード・ルミネッセンス法による多重量子井戸隣接層１
０４の井戸層の発光波長の面内分布を表す模式図であ
る。すなわち、同図中においては、ハッチで示した領域
において、周囲よりも波長の長い発光が観察された。一
般に、カソード・ルミネッセンス法により得られる発光
の波長は、ターゲットの組成に依存して変化する。ここ
では、インジウムの含有量が多い程、その発光波長は長
くなる。すなわち、多重量子井戸隣接層１０４は、その
面内において、インジウムの組成が高い領域が島状に存
在することが分かった。その分布状態と発光波長を詳細
に調べた結果、多重量子井戸隣接層１０４の各井戸層に
は、直径約２ｎｍで、インジウム組成約３０％の島状の
領域が多数形成されていることが分かった。この島状の
領域は周辺に比べＩｎが多く、活性層１０５からの発光
波長に対応するバンドギャップとほぼ同じバンドギャッ
プを有する。また、多重量子井戸層１０４には、前述し
たようにシリコン（Ｓｉ）をドープしているが、図３に
示したように、インジウム濃度が高い領域にはシリコン
が含まれにくく、その結果として、インジウム濃度が高
い部分のキャリヤ濃度は低い。

【００２６】図４は多重量子井戸隣接層１０４における
ＩｎＧａＮ井戸層とＧａＮ障壁層のペアのコンダクショ
ン・バンドの状態を示す模式図である。すなわち同図に
おいて、横方向は隣接層１０４の厚み方向の距離を示
し、縦方向はエネルギー・レベルを示している。同図に
示したように、ＧａＮ障壁層に高濃度にドナーが存在し
てエネルギー・バンドが大きく湾曲している。このよう
にエネルギー・バンドが湾曲することにより、この部分
でのＩｎＧａＮ井戸層へのキャリヤの閉じ込めは有効質
量の小さい電子に対しては弱くなり、発光は生じない。
また、活性層１０５が発光することにより、この隣接層
１０４でのＩｎ組成の多い部分での吸収が生じるが、そ
の吸収は、微少な島状の領域で起こる。従って、隣接層
１０４は可飽和吸収状態となり自励発振状態となる。こ
のような自励発振状態は高出力の条件であっても持続し
た。また、この隣接層１０４に含まれる不純物を、ｎ型
不純物であるシリコン（Ｓｉ）、炭素（Ｃ）、ゲルマニ
ウム（Ｇｅ）、スズ（Ｓｎ）、鉛（Ｐｂ）のいずれかと
した場合には、しきい値上昇等の悪影響はなかった。

【００２７】本実施形態のレーザはしきい値２０ｍＡで
室温連続発振した。発振波長は４２０ｎｍ、動作電圧は
３．８Ｖであった。５０ｍＷ時にＳ／Ｎは本構造を用い
ない従来の半導体レーザの２０ｄＢに比べ１３０ｄＢと
向上した。また、従来の活性層近傍に可飽和吸収層を設
けた厚い活性層の自励発振型レーザでは高出力は困難で
あったが本実施形態では２００ｍＷまで安定した横モー
ドで出力を出す事ができた。

【００２８】次に、本発明者は、前述した製造方法によ
り島状の吸収領域が形成された本発明の窒化物系レーザ
を多数個製造し、自励発振の生ずる割合を調べた。図５
は、製造した窒化物系半導体レーザについて光出力を変
化させて発光させた場合、自励発振を生じた窒化物系半
導体発光素子の割合を示したグラフである。同図におい
て、横軸は光出力を示し、縦軸は自励発振を起こした窒
化物系半導体発光素子の割合を示す。図中の黒丸は本発
明の窒化物系半導体発光素子を表す。また図中の白丸
は、比較例であり、島状の吸収領域の代わりに、層状の
吸収領域を形成した窒化物系半導体発光素子を示してい
る。この比較例についてさらに詳しく説明すると、活性
層からみてガイド層の外側に、層厚１０ｎｍのＩｎ_0.25
Ｇａ_0.75Ｎ吸収層を設けた。

【００２９】図４から、層状の吸収領域を設けた比較例
では、自励発振を生ずる割合が低く、しかも安定してい
ないのに対して、島状の吸収領域が形成された本発明の
窒化物系半導体発光素子は低出力から高出力に亘って、
自励発振を生ずる窒化物系半導体発光素子が得られる確
率が安定して高いことが分かる。

【００３０】図６は、本発明による半導体レーザを光デ
ィスクのデータ読み出しに応用した状態を説明する模式
図である。すなわち、同図においては、図示しない半導
体レーザ素子からレーザ光１５０が放出され、レンズ１
５２により集束されて光ディスク１６０に入射する。光
ディスク１６０の表面には、同心円上にトラック１６２
が設けられ、そのトラック１６２に沿ってピット１６４
が形成されている。レンズ１５２により集束されたレー
ザ光は、このピット１６４の有無に応じて反射率が変化
し、図示しない受光部において検出される。ここで、本
発明による窒化物系半導体レーザから得られる波長が４
２０ｎｍのレーザ・ビームを用いた場合には、同図に示
したようにレンズにより集束されて極めて細いビーム１
５４Ａを得ることができる。同図には、比較のために、
従来の、ＤＶＤシステム（波長：λ＝６５０ｎｍ、開口
比：ＮＡ＝０．６）のレーザ・ビーム１５４Ｂと、コン
パクト・ディスクシステム（波長：λ＝７８０ｎｍ、開
口比：ＮＡ＝０．４５）のレーザ・ビーム１５４Ｃとを
示した。これらの比較から明らかなように、本発明の窒
化物系半導体レーザを用いた場合には、極めて集束され
たレーザ・ビームを得ることができ、光ディスク１６０
におけるトラック１６２の間隔と、ピット１６４の間隔
をそれぞれ縮小することができる。その結果として、従
来のＤＶＤシステムと比較しても、記録容量を約３倍増
大することができる。

【００３１】さらに、本発明の窒化物系半導体レーザに
よれば、同一の窒化物系半導体レーザにより、光記録媒
体からの読み出し及び書き込みが可能になる。すなわ
ち、本発明の半導体レーザは、容易に自励発振を生ずる
ために、データ読み出しを低いノイズで安定して行うこ
とができ、さらに、高出力動作が可能であるために、デ
ータ書き込み動作も行うことができる。その結果とし
て、データの読み出しと書き込みとを兼用できるピック
アップ・ヘッドの構造を飛躍的に単純化できる。

【００３２】なお、前述した例では、多重量子井戸隣接
層１０４は３ペアーの井戸層と障壁層のものを用いた
が、ペアー数は層の厚さとＩｎの組成により適宜決定す
ることができる。また、障壁層はＧａＮに限定されず、
ＩｎやＡｌ等を含んだ材料でもよい。

【００３３】次に、本発明の第２の実施形態について説
明する。図７は本発明の第２の実施形態に係わる窒化物
系半導体レーザの概略構成を説明する断面図である。同
図において、２００はｐ型ＳｉＣ基板、２０１はｐ型Ａ
ｌＮバッファ層（Ｍｇドープ、３〜５×１０²⁰ｃｍ^-3、
０．１μｍ）、２０２はｐ型ＧａＮ層（Ｍｇドープ、１
×１０¹⁹ｃｍ^-3、４μｍ）、２０３はｐ型Ａｌ_0.3 Ｇａ
_0.7 Ｎクラッド層（Ｍｇドーブ、５×１０¹⁷ｃｍ^-3、
０．３μｍ）、２０４はＡｌ_0.1 Ｇａ_0.9 Ｎ隣接層（ア
ンドープ、０．１μｍ）、２０５は多重量子井戸活性層
Ｉｎ_0.1 Ｇａ_0.9 Ｎ／Ａｌ_0.1 Ｇａ_0.9 Ｎ（アンドー
プ、井戸幅１ｎｍ、障壁幅２ｎｍ、ペアー数３）、２０
６はＡｌ_0.1 Ｇａ_0.9 Ｎ隣接層（アンドープ、０．１μ
ｍ ）、２０７はｎ型Ａｌ_0.3 Ｇａ_0.7 Ｎクラッド層
（Ｓｉドープ、５×１０¹⁷ｃｍ^-3、０．３μｍ）、２０
８はｐ型ＧａＮ電流狭窄層（Ｍｇドープ、５×１０¹⁷ｃ
ｍ^-3、０．１μｍ）、２０９はｎ型ＧａＮコンタクト層
（Ｓｉド一プ、１〜３×１０¹⁹ｃｍ^-3、０．１μｍ）、
２１０はｎ側電極、２１１はｐ側電極である。

【００３４】この窒化物系半導体レーザの製造方法は次
のとおりである。始めにＭＯＣＶＤ法によりｐ型ＧａＮ
電流狭窄層２０８まで成長しその後、 ｐ型ＧａＮ電流
狭窄層２０８の上に一部フォトリソグラフィーによりマ
スク（図示せず）を形成し、ｎ型Ａｌ_0.3 Ｇａ_0.7 Ｎク
ラッド層２０７が露出するまでエッチングを行う。次
に、ｐ型ＧａＮコンタクト層２０９を成長する。両面に
電極を形成し、その後劈開により共振器の端面（ｆａｃ
ｅｔ）を形成する。

【００３５】本実施形態においては、Ｉｎ_0.1 Ｇａ_0.9
Ｎ／Ａｌ_0.1 Ｇａ_0.9 Ｎ多重量子井戸活性層２０５も、
前述した実施形態の多重量子井戸隣接層１０４と同様な
プロセスにより製造する。具体的には、ＩｎＧａＮの成
長にはＴＭＧ、ＴＭＩおよびアンモニアガスを用い、Ａ
ｌＧａＮ層の成長には、ＴＭＡ（トリメチルアルミニウ
ム）、ＴＭＧ、アンモニアガスを用い、成長温度８６０
℃、原料のＶ／III 比が約１７０、各層での成長中断時
間を１秒として、３回繰り返して成長させる。この結
果、井戸厚２ｎｍ、障壁厚４ｎｍ、ぺアー数３の多重量
子井戸層を形成できる。

【００３６】このようなプロセスにより、多重量子井戸
活性層２０５の井戸層部分にもインジウム（Ｉｎ）組成
が局所的に多い領域が形成される。具体的には、各井戸
層において、直径２ｎｍ、Ｉｎ組成約２０％の島状の領
域が面内に分布して多数形成される。この領域は周辺に
比べＩｎが多いことにより、格子定数がずれて、歪みが
かかる。その結果として、Ｉｎの含有量は多いがバンド
ギャップは周辺の領域と１０ｍｅＶ以下の違いしかな
い。この半導体レーザに電流を注入すると、Ｉｎ組成が
高いこの島状の領域ではドーパントのＳｉが少なく導電
性が低いため発光が効率的に行われる。

【００３７】図８は、この活性層２０５を透過型電子顕
微鏡（ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｅｌｅｃｔｒｏｎ ｍ
ｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）により観察した結果を表す模式図
である。すなわち、活性層２０５においては、Ｉｎ濃度
が周辺より高濃度となっている島状の領域が面内方向に
規則正しく並んでいる。このインジウム高濃度組成領域
の直径は、概ね７０ｎｍであり、その間隔は概ね２００
ｎｍであった。また、本発明者の実験の結果、成長条件
を変える事によってこの島状領域の間隔をコントロール
できる事か判明した。

【００３８】この島状領域相互の間隔をｄ，この島状領
域の周辺部の屈折率をｎとした場合、高濃度領域の発光
波長がλであればｄ＝λｍ／２ｎ（ｍ＝１、２、３、
４）の場合がもっとも自励発振を安定して生ずる事がで
きた。なお、ｍが４を超える場合には自励発振の安定性
が低下した。これは通常、多数ある発振モードが選択さ
れることによると考えられる。

【００３９】本実施形態によれば、分布帰還型レーザの
ような複雑な構造を用いなくても、自励発振を行うこと
ができるとともに、モードホッピングの抑制を行うこと
ができ、低ノイズ化が実現できることが分かった。

【００４０】図９は発光波長４００〜４３０ｎｍのそれ
ぞれにおける最適成長条件を表すグラフである。すなわ
ち、同図の横軸は成長温度（℃）で、縦軸はＩｎの含有
割合（％）を示し、それぞれの発光波長において、固層
中のＩｎの含有割合と、成長温度の最適条件を示す。

【００４１】活性層内に形成される島状のインジウム高
濃度領域においてはドナーが少ない。従って、島状の領
域は発光効率が高く、さらに、量子的な閉じ込め効果に
より発光効率の高い励起子分子（双極子）の安定的な存
在を促進する。これにより高Ｉｎ濃度の島状領域は体積
的には微小であるが、レーザ発振するに十分な反転分布
を形成することが可能である。一方、Ｉｎが高濃度の領
域の周辺の低Ｉｎ領域においては、バンドギャップは島
状領域よりも大きいもののドナーが存在するためにその
準位による吸収により可飽和吸収層として働き自励発振
状態となる。この状態は高出力時であっても持続した。

【００４２】活性層にドープする不純物については、ｎ
型となるＳｉ、Ｃ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｐｂ以外ではしきい値
が上昇して実用的ではなかった。一方、Ｓｉの場合に
は、特に高い発光効率が得られた。

【００４３】本構造の半導体レーザではしきい値１０ｍ
Ａで発振波長は３７５ｎｍが得られ、基本横モード発振
し、５０００時間までの安定動作も確認した。本実施形
態では基板としてＳｉＣを用いたが導電性の基板であれ
ば良く、ＺｎＯ基板の場合にはさらに優れた電流電圧特
性が得られた。また、電流狭窄層２０８は活性層２０５
に対して基板２００の側に設けても良く、また、活性層
２０５の両側に設けても良い。また、電流狭窄層の材料
は、コンタクト層に比べ屈折率の高い材料でもよい。

【００４４】次に、本発明の第３の実施形態を説明す
る。図１０は本発明の第３の実施形態を示す窒化物系半
導体レーザの断面図である。同図において、３００はサ
ファイヤ基板、３０１はＧａＮバッファー層（０．０１
μｍ）であり、３０２はｐ型ＧａＮコンタクト層（Ｍｇ
ドープ、３〜５×１０¹⁸ｃｍ^-3、１μｍ）、３０３はｐ
型Ａｌ_0.2 Ｇａ_0.8 Ｎクラッド層（Ｍｇドープ、５×１
０¹⁷ｃｍ^-3、０．３μｍ）、３０４はｐ型ＧａＮ隣接層
（Ｍｇドープ、５×１０¹⁷ｃｍ^-3、０．１μｍ）、３０
５はＩｎ_0.3 Ｇａ_0.7 Ｎ／ＧａＮ多重量子井戸活性層
（アンドープ、井戸幅２ｎｍ、障壁幅４ｎｍ、ペアー数
３）、３０６はｎ型ＧａＮ隣接層（Ｓｉドープ、５×１
０¹⁷ｃｍ^-3、０．１μｍ）、３０７はｎ型Ａｌ_0.2 Ｇａ
_0.8 Ｎクラッド層（Ｓｉドープ、５×１０¹⁷ｃｍ^-3、
０．３μｍ）、３０８はｐ型ＧａＮ通電障壁層（Ｍｇド
−プ、１×１０¹⁸ｃｍ^-3、０．３μｍ）、３０９はｎ型
ＧａＮコンタクト層（Ｓｉドープ、１〜３×１０¹⁸ｃｍ
^-3、０．５μｍ）、３１０はｎ側電極、３１１はｐ側電
極である。

【００４５】以下にその製造方法の概略を述べる。結晶
成長はＭＯＣＶＤ法によって行った。始めに、サファイ
ヤ基板３００にＭＯＣＶＤ法によりＧａＮバッファー層
３０１を成長させるが、サファイヤ基板３００は図１１
（ａ）、（ｂ）に示されるように、スリット状の切れ目
３２０が入っているものを用いた。ここで、切れ目３２
０の開口は、例えば、約２５０μｍ×３０μｍ、切れ目
同士の間隔は約２５０μｍ程度とすることができる。

【００４６】本実施形態においては、まず、サファイヤ
基板３００上に横方向の成長速度が速くなる条件でＧａ
Ｎバッファー層３０１の成長を行う。すなわち、結晶成
長時に、ＧａＮの供給速度に対して成長温度を十分に高
くすることにより、基板表面でのＧａＮ原子の移動が高
まる。このような条件でバッファー層３０１を成長する
ことによって、サファイヤ基板３００の切れ目３２０の
部分はＧａＮバッファー層３０１で塞がれる状態とな
る。

【００４７】その後、通常の成長状態で順次ｐ型ＧａＮ
コンタクト層３０２からｐ型ＧａＮ通電障壁層３０８ま
で成長を行う。ｐ型ＧａＮ通電障壁層３０８まで成長し
た後、フオトリソグラフィーによりｐ型ＧａＮ通電障壁
層３０８の上に部分的にマスク（図示せず）を形成し、
ｎ型Ａｌ_0.2 Ｇａ_0.8 Ｎクラッド層３０７が露出する
までエッチングを行う。次にマスクを除去し、ｎ型Ｇａ
Ｎコンタクト層３０９を成長する。コンタクト層３０９
の上にＮｉとＡｕを蒸着してｎ側電極３１０を形成す
る。また、基板３００下面側よりＧａＮバッファー層３
０１をエッチングにより除去し、Ｐｔ、Ｔｉ、Ａｕを順
次蒸着してｐ側電極３１１を形成する。これをレーザ素
子とするため劈開により端面（図示せず）を形成し、ダ
イシングにより半導体発光素子を分離して図１０の半導
体レーザを得る。端面には図示しないが誘電体多層膜に
よる高反射コートを施してある。

【００４８】次に、本実施形態における上記Ｉｎ_0.2 Ｇ
ａ_0.8 Ｎ／ＧａＮ多重量子井戸活性層３０５の具体的な
成長条件を説明する。成長温度は７４０℃で、ＩｎＧａ
Ｎ層はＴＭＧ、ＴＭＩおよびアンモニアガスを用い、Ｇ
ａＮ層はＴＭＧおよびアンモニアガスを用いる。ＩｎＧ
ａＮ井戸層は成長速度がＩｎ_0.2 Ｇａ_0.8 Ｎの厚膜成長
で１μｍ／ｈの得られる成長条件で７秒、ＧａＮ障壁層
はＴＭＩを止めて２０秒の成長を行う。また、ＩｎＧａ
Ｎ井戸層とＧａＮ障壁層の成長の間には１．５秒の待機
時間を設ける。厚膜と量子井戸のような薄膜とでは成長
条件が同じでも成長速度が異なるが、これは成長の初期
過程で成長速度が異なるためである。このような成長を
行うことにより、Ｉｎ_0.2 Ｇａ_0.8 Ｎ／ＧａＮ多重量子
井戸活性層３０５内にはＩｎ組成が局所的に多い部分が
井戸層部分に形成される。具体的には各井戸層に直径２
ｎｍ、Ｉｎ組成約３０％の領域か多数形成される。この
領域は周辺に比べＩｎが多いことにより歪みがかかり、
これによりＩｎが多いがバンドギャップは周辺の領域と
１０ｍｅＶ以下の違いしかない。この窒化物系半導体レ
ーザに電流注入を行った場合、Ｉｎ組成が高いこの領域
ではドーパントのＳｉが少なく導電性が低くキャリヤの
注入は主にその周辺に行われる。

【００４９】図１２は、活性層３０５の透過型電子顕微
鏡による観察の結果を表す模式図である。すなわち、電
子顕微鏡により格子像を観察した結果、活性層３０５に
おいては、数ｎｍの径の島状領域が点在することが観察
された。特性Ｘ線スペクトル分析法を用いてこの島状の
領域の組成を調べた結果、周囲よりもＩｎ濃度が高いこ
とが確認された。さらに、カソードルミネッセンス法に
より観察した結果、この島状領域に対応して規則正しく
並んだ発光点が観測できた。

【００５０】このような島状の領域が形成される原因
は、ＧａＮの上にＧａＮと格子整合しないＩｎＧａＮを
成長するために、島状の成長が起こるからであると考え
られる。ここで、本発明者は、種々の成長条件で形成し
た島状領域の直径と、半導体レーザの外部量子効率との
関係について調べた。

【００５１】図１３は、島状領域の大きさと外部量子効
率との関係を表すグラフである。すなわち、同図におい
て、縦軸は外部量子効率を表し、横軸は島状領域の平均
径を表す。同図から分かるように、島状領域の直径が小
さくなるほど、外部量子効率が増加する傾向が得られ
た。特に高い外部量子効率を得るためには、島状領域の
直径は１００ｎｍ以下であることが望ましい。島状領域
の径がこれ以上大きくなると、図１３に示すように発光
効率が著しく低下することが分かった。

【００５２】次に、本発明者は、島状領域とその周辺部
のインジウムの濃度の２次元的な分布を詳細に調べた結
果、直径が１００ｎｍ以下の島状領域が存在するために
は、島状領域の端部において、２ｎｍごとに１０％以上
の割合でインジウム濃度が変化する必要があることが分
かった。つまり、島状領域の端部において、これ以上の
急峻なインジウム濃度の増加がある場合には、直径１０
０ｎｍ以下の島状領域が存在し得ることが分かった。

【００５３】活性層内の高Ｉｎ組成部はドナーが少ない
のでＩｎ組成の高い部分は発光効率が良い。また、量子
的な閉じ込め効果により発光効率の良い励起子分子の安
定的な存在を促す。これにより島状の高Ｉｎ領域は、体
積的には微小であるが発振するに十分な反転分布を形成
することが可能である。そして島状高濃度領域の周辺の
低Ｉｎ領域は、バンドギャップは島状高濃度領域より大
きいものの、ドナーが存在するためにその準位による吸
収により可飽和吸収層として働き自励発振状態となる。
この状態は高出力時であっても持続した。

【００５４】活性層にドープする不純物としては、ｎ型
となるＳｉ、Ｃ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｐｂ以外ではしきい値が
上昇し実用的ではなかった。この実施形態では活性層の
下に、横方向に成長させたＧａＮバッファー層３０１が
設けられているので極端に転位や欠陥か少ない。その結
果として、リーク電流が抑制され、半導体発光素子の破
壊も起こりにくかった。

【００５５】また本実施形態の半導体レーザはしきい値
２０ｍＡで室温連続発振し、発振波長は４２０ｎｍ、動
作電圧は３．８Ｖであった。また、自励発振を行う事に
より５０ｍＷ動作時のＳ／Ｎは、本構造を用いない従来
の半導体レーザの２０ｄＢに比べ１３０ｄＢと顕著に向
上した。また、活性層に量子井戸構造を採用しているた
め自励発振で２００ｍＷ、自励発振を維持しない場合は
３００ｍＷの高出力を得る事かできた。また、半導体発
光素子の寿命はライフテストにおける劣化傾向から１０
万時間以上と予想され、低ノイズ、高出力、高信頼性を
実現できた。

【００５６】本実施形態では基板としてサフアイヤ基板
を用いているか石英ガラス、ダイヤモンド、ＢＮなどで
も良い。さらに成長方法としてＭＢＥ（Ｍｏｌｅｃｕｌ
ａｒＢｅａｍ Ｅｐｉｔａｘｙ）法を用いると、パイレ
ックスガラスやＺｎＯ等も基板として用いる事ができ
る。

【００５７】次に、本発明の第４の実施形態について説
明する。第１４図は本発明の第４の実施形態に係わる窒
化物系半導体発光ダイオード（ＬＥＤ）の概略構成を説
明するためのものである。同図において、４００はサフ
ァイヤ基板、４０１はＧａＮバッファ層（３〜５×１０
¹⁸ｃｍ^-3，４μｍ）、４０２はｎ型ＧａＮコンタクト層
（Ｓｉドープ，１×１０¹⁸ｃｍ^-3，２μｍ），４０３は
ｎ型ＧａＮ層（Ｓｉドープ，５×１０¹⁷ｃｍ^-3，０．１
μｍ），４０４はＩｎ_0.3 Ｇａ_0.7 Ｎ／ＧａＮ ３ＭＱ
Ｗ活性層（Ｓｉドープ，井戸層２ｎｍ，障壁層４ｎ
ｍ），４０５はｐ型ＧａＮ層（Ｍｇドープ，５×１０¹⁷
ｃｍ^-3，０．１μｍ），４０６はＧａＮコンタクト層
（Ｍｇドープ， ３×１０¹⁸ｃｍ^-3，０．０５μｍ），
４１０はｐ側電極，４１１はｎ側電極，４１２はＩＴＯ
（Ｉｎｄｉｕｍ Ｔｉｎ Ｏｘｉｄｅ）透明電極であ
る。

【００５８】同図の各半導体層はＭＯＣＶＤ法により成
長した。活性層４０４の成長時にはそれぞれのＩｎ_0.3
Ｇａ_0.7 Ｎ井戸層の成長後に成長中断時間を１秒から３
秒設けてＩｎ濃度が高い島状領域を作成した。活性層以
外の成長は通常の成長方法で行った．成長後ｐ電極とな
る部分をマスキングしｎ型ＧａＮコンタクト層４０２が
露出するまでドライエッチングしてメサ形状を形成す
る．マスクを除去し，メサの側面などリーク電流が流れ
やすい部分にはＳｉＯ₂ を付けた．メサ形状の上面には
全面透明電極を形成しさらに一部分でｎ側電極４１１に
遠い部分にｐ側電極４１０を形成し、ｎ側電極４１１を
形成した，半導体発光素子構造とした．作成後に発光素
子を分解し活性層部分を透過電子顕微鏡で観察したとこ
ろ井戸層部分にＩｎが周りより高い領域が観察され，そ
の領域はほぼ４ｎｍの直径であった．また，特性Ｘ線に
より調べたところ、この高濃度領域は周りのＩｎ濃度が
低い領域に比べＩｎ濃度が１０％程度多く含まれている
ことがわかった．素子の動作電圧は２．７Ｖで光出力は
１０ｍＡで１０ｍＷであった．また，１００ｍＡでは５
０ｍＷであった．発光効率も良く外部量子効率は３０％
に達した．このような高効率で発光強度が強い素子が実
現できたのは、活性層にあるＩｎ濃度が高い領域に注入
されたキャリヤが、その高Ｉｎ濃度領域に閉じ込められ
て非発光再結合をすることなく再結合したためである．
本実施形態では光源として青色のみを用いているが、活
性層中のＩｎ量を増量することにより赤色光に近い波長
まで発光可能となり、フィルタなどを用いれば、赤、
緑、青の三原色ができ、ＧａＮ系のフルカラー発光素子
を実現することもできる。

【００５９】次に、本発明の第５の実施形態について説
明する。図１５は本発明の第５の実施形態に係わる窒化
物系半導体発光素子の概略構成を説明するためのもので
ある。同図に示した発光素子においては、サファイア基
板５００の上に、バッファー層５０１、ｎ型ＧａＮコン
タクト層（Ｓｉドープ、３〜５×１０¹⁸ｃｍ^-3、４μ
ｍ）５０２、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層（Ｓｉドープ、
５×１０¹⁷ｃｍ^-3、０．３μｍ）５０３、ノンドープＧ
ａＮ隣接層（０. １μｍ）５０４、ＩｎＧａＮ多重量子
井戸（ＭＱＷ）活性層５０５、ノンドープＧａＮ隣接層
（０．１μｍ）５０６、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層（Ｍ
ｇドープ、５×１０¹⁷ｃｍ^-3、０．３μｍ）５０７、ｐ
型ＧａＮコンタクト層（Ｍｇドープ、５×１０¹⁸ｃ
ｍ^-3、０．５μｍ）５０８、ＳｉＯ₂ （二酸化珪素）膜
５０９が順次積層されている。また、５１０はｐ側電
極、５１１はｎ側電極である。

【００６０】製造方法は次の通りである。ＭＯＣＶＤ法
で基板５００の上にバッファー層５０１を成長し、次に
成長温度１１００℃で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、水
素、窒素を用いて、ｎ型ＧａＮコンタクト層５０２、ｎ
型ＡｌＧａＮクラッド層５０３、ノンドープＧａＮ隣接
層５０４を順次積層する。

【００６１】次に、ＩＩＩ族の原料ガスの供給を停止
し、基板温度を７６０℃に降温する。この温度で、ＴＭ
Ｇを−１５℃に保ち、水素ガスをキャリアガスとして１
０ｃｃ／分、アンモニアを２０℃で１０Ｌ／分、窒素を
１９．７Ｌ／分流し、これに加えてＴＭＩ（トリメチル
インジウム）を３７℃で窒素をキャリアガスとして５０
０ｃｃ／分と１５ｃｃ／分との組み合わせで約１．５分
ずつ２０回繰り返し切り替えて供給し、ＩｎＧａＮ多重
量子井戸活性層５０５の成長を行う。

【００６２】この後、ＴＭＧとＴＭＩの供給を止めるこ
とで成長を停止し、水素を４０ｃｃ／分、窒素を１９.
９６Ｌ／分、アンモニアを１０Ｌ／分の流量で流しなが
ら、１１００℃まで４分間かけて昇温する。ついで温度
を１１００℃で保持し、水素を５００ｃｃ／分、窒素を
１４．５Ｌ／分、ＴＭＧを１００ｃｃ／分、アンモニア
を１０Ｌ／分の流量供給してノンドープＧａＮ隣接層５
０６を積層する。この後これにＣｐ₂ Ｍｇ（ビスシクロ
ペンタジエニルマグネシウム）とＴＭＡを加えてｐ型Ａ
ｌＧａＮクラッド層５０７を形成し、次にＴＭＡの供給
を止めてｐ型ＧａＮコンタクト層５０８を積層する。こ
の後、ＳｉＯ₂ 膜５０９の堆積、フォトリソグラフィ
ー、エッチング、ｐ側電極５１０、ｎ側電極５１１の蒸
着、アロイ等の行程を経て図１５に示す窒化物系半導体
発光素子が完成する。

【００６３】なお、前述の工程においては、隣接層５０
４を成長した後に成長温度を７６０℃まで高温したが、
この温度は、７００℃以上８５０℃以下であることが望
ましい。以下に、この理由を説明する。

【００６４】本発明者は、ＩｎＧａＮの成長条件を調べ
るために、まず、原料ガスとキャリヤガスの流量の総和
を１分あたり３０リットルにし、Ｖ族元素とIII 族元素
のガスの流量比を８４００にし、様々な成長温度でＩｎ
ＧａＮの成長を行った。これをフォトルミネッセンス
（Ｐｈｏｔｏ Ｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ：ＰＬ）で評
価したところ、表１に示すように７００℃以上８５０℃
以下の範囲において、十分な強度のＰＬ発光が観測でき
た。成長温度が７００℃を下回ると、成長が不十分とな
り、ＰＬ発光強度が上がらない。成長温度が８５０℃を
上回ると、結晶がダメージを受けるため、ＰＬ発光強度
が極端に低減した。

【００６５】

【表１】

【００６６】次に、本発明者は、成長温度を７６０℃に
固定し、原料ガスとキャリヤガスの流量の総和を１分あ
たり３０リットルにし、Ｖ族元素とIII 族元素のモル流
量比依存性を調べた。その結果、表２の様にＶ族元素と
III 族元素のモル流量比が１０００以上１５０００以下
では十分な強度のＰＬ発光が見られた。Ｖ族元素とIII
族元素のモル流量比が１０００を下回ると、十分に反応
しないため、ＰＬ発光強度が上がらない。Ｖ族元素とII
I 族元素のモル流量比が１５０００を上回ると、本来II
I 族元素が反応するべき結晶格子にもＶ族元素が割り込
んで反応してしまい、III 族元素が十分に反応できない
ため、ＰＬ発光強度が極端に低減した。

【００６７】

【表２】

【００６８】さらに、成長温度を７６０℃に固定し、Ｖ
族元素とIII 族元素の流量比を８４００にし、すべての
原料ガスとキャリヤガスの１分間あたりの総流量に対す
る依存性を調べたところ、表３の様に一分間あたりの総
流量が１０リットル以上、５０リットル以下では十分な
強度のＰＬ発光が見られた。一分間あたりの総流量が１
０リットルを下回ると、十分に反応しないため、ＰＬ発
光強度が上がらない。一分間あたりの総流量が５０リッ
トルを上回ると、流速が早くなり、十分な反応時間がと
れないため、ＰＬ発光強度が極端に低減した。

【００６９】

【表３】

【００７０】本実施形態では、ＩｎＧａＮ多重量子井戸
活性層５０５およびノンドープＧａＮ隣接層５０６とも
に意図的にはドーピングを施していない。本発明者の実
験によれば、上記のように成長した場合、ＧａＮ層の方
がＩｎＧａＮ層よりも高抵抗であることがわかってい
る。また、上記のように成長したものの断面をＴＥＭ
（透過電子顕微鏡）で観察したところ、 ＩｎＧａＮ多
重量子井戸活性層５０５に穴状領域（ピット）が存在
し、このピットがノンドープＧａＮ隣接層５０６によっ
て埋め込まれ、平坦化されていることがわかった。従っ
て前記の実施形態の半導体発光素子によれば、以下に述
べる原理により自励発振が生じる。

【００７１】すなわち、活性層に穴状領域が存在するこ
とにより、活性層内を流れる電流に分布ができ、低電流
密度領域が可飽和吸収領域となるので、自励発振が生じ
る。このことについて以下に詳述する。

【００７２】図１６は、本実施形態の発光素子における
注入電流の流れを示す断面模式図である。同図において
は、分かり易くするために、図１６に示した発光素子の
構造を簡略化した構造を例示して説明する。図１６に示
したように、ノンドープＧａＮ層５５３とノンドープＩ
ｎＧａＮ層５５４のヘテロ接合があり、しかもノンドー
プＩｎＧａＮ層５５４側の界面には穴（ピット）Ｐがあ
る。両者にはそれぞれｐ型コンタクト層５５２、ｎ型コ
ンタクト層５５５を介してｐ側電極５５１、ｎ側電極５
５６が接続されている。

【００７３】いま、両電極に順方向に電圧をかけたとす
ると、ノンドープＧａＮ層５５３の方がノンドープＩｎ
ＧａＮ層５５４に比べてバンドギャップが大きいため
に、電流は図１６中の矢印で示すように流れ、ＩｎＧａ
Ｎ層５５４のうちの穴状領域の下の部分の電流密度は他
の領域の電流密度に比べて、疎になる。

【００７４】本発明者は、この現象を実証するために二
次元のシミュレーションを実行し、電流の分布を調べ
た。図１７にシミュレーションで用いた層構造を示す。
層構造はレーザ構造を模したものであり、５×１０¹⁸ｃ
ｍ^-3にドープされた厚さ０．１μｍのｎ型ＧａＮコンタ
クト層５６１、５×１０¹⁷ｃｍ^-3にドープされた厚さ
０．３μｍのｎ型Ａｌ_0.15Ｇａ_0.85Ｎクラッド層５６
２、厚さ０．１μｍのノンドープＧａＮ隣接層５６３、
厚さ０．１μｍのノンドープＩｎ_0.08Ｇａ_0.92Ｎ活性層
５６４、厚さ０．１μｍのノンドープＧａＮ隣接層５６
５、５×１０¹⁷ｃｍ^-3にドープされた厚さ０．３μｍの
ｐ型Ａｌ_0.15Ｇａ_0.85Ｎクラッド層５６６、５×１０¹⁸
ｃｍ^-3にドープされた厚さ０．１μｍのｐ型ＧａＮコン
タクト層５６７からなる。ノンドープＩｎ_0.08Ｇａ_0.92
Ｎ活性層５６４のノンドープＧａＮ隣接層５６３に接す
る界面には幅０．１μｍ、深さ０．０５μｍの穴状領域
（ピット）Ｐが１μｍの間隔を置いて並んでいる。実際
のピットの形状はこのような矩形では必ずしもないが、
計算の簡便化のためにこのような形状でシミュレーショ
ンを行った。形状の違いがシミュレーション結果に本質
的な影響を及ぼさないことは言うまでもない。

【００７５】このような構造に４Ｖの電圧を印加した時
の穴状領域（ピット）の直下での電流密度の分布を図１
８に示す。ピットの部分で電流密度が３０％以上も低減
している。このように電流の疎密が穴状領域の存在によ
ってもたらされることが明らかとなった。そして、この
ような電流分布が生じることになり、レーザ発振が生じ
る際には、まず、電流が密な部分で発振が始まり、電流
が疎の部分が可飽和吸収体となることになる。尚、隣接
層がノンドープでなく、５×１０¹⁷ｃｍ^-3にドープされ
ている場合についても同様の結果であった。このよう
に、穴状領域が存在することで、電流の疎密が発生する
ことになる。そして、電流が疎の部分は可飽和吸収体と
なり、自励発振が実現できる。

【００７６】次に、本発明の第６の実施の形態について
説明する。図１９は本発明の第６の実施形態に係わる窒
化物系半導体発光ダイオードの概略構成を説明するため
のものである。すなわち、同図の発光ダイオードにおい
ては、サファイヤ基板６００上に、バッファー層６０
１、ｎ型ＧａＮクラッド層（Ｓｉドープ、３〜５×１０
¹⁸ｃｍ^-3、４μｍ）６０２、ノンドープＩｎＧａＮ活性
層（０．２μｍ）６０３、ｐ型ＧａＮクラッド層（Ｍｇ
ドープ、５×１０¹⁷ｃｍ^-3、０．３μｍ）６０４、ｐ型
ＧａＮコンタクト層（Ｍｇドープ、５×１０¹⁸ｃｍ^-3、
０．５μｍ）６０５が順次積層されている。また、６１
０はｐ型透明電極、６１１はｎ型電極である。

【００７７】このようにして本発明の第６の実施形態に
係わる窒化物系半導体発光ダイオードを作成すると、ノ
ンドープＩｎＧａＮ活性層６０３のｐ型ＧａＮクラッド
層６０４側の界面に穴状領域（ピット）が形成される。
このようにピットが形成されることで凹凸が生じること
になる。凸の部分６０３Ａは周囲をＧａＮに囲まれたＩ
ｎＧａＮ層である。このように周囲をバンドギャップの
大きい材料で囲まれた領域には励起子が局在することに
なり、発光効率が増大する。すなわち、このようにして
本発明を用いることにより発光効率の高い発光ダイオー
ドを得ることができる。

【００７８】次に、本発明の第７の実施の形態について
説明する。図２０は本発明の第７の実施形態に係わる窒
化物系半導体発光素子の概略構成を説明するためのもの
である。同図において、７００はサファイア基板、７０
１はバッファー層、７０２はｎ型ＧａＮコンタクト層
（Ｓｉドープ、３〜５×１０¹⁸ｃｍ^-3、４μｍ）、７０
３はｎ型ＡｌＧａＮクラッド層（Ｓｉドープ、５×１０
¹⁷ｃｍ^-3、０. ３μｍ）、７０４はｎ型Ｉｎ_0.1 Ｇａ
_0.9 Ｎ／Ｉｎ_0.02Ｇａ_0.98Ｎ多重量子井戸隣接層（Ｓｉ
ドープ、５×１０¹⁷ｃｍ^-3、井戸幅２ｎｍ、障壁幅４ｎ
ｍ、２０層）、７０５はＩｎ_0.2 Ｇａ_0.8 Ｎ／Ｉｎ_0.05
Ｇａ_0.95Ｎ多重量子井戸活性層（ノンドープ、井戸幅２
ｎｍ、障壁幅４ｎｍ、１０層）、７０６はｐ型ＧａＮ隣
接層（Ｍｇドープ、５×１０¹⁷ｃｍ^-3、０．１μｍ）、
７０７はｐ型ＡｌＧａＮクラッド層（Ｍｇドープ、５×
１０¹⁷ｃｍ^-3、０．３μｍ）、７０８はｐ型ＧａＮコン
タクト層（Ｍｇドープ、５×１０¹⁸ｃｍ^-3、０．５μ
ｍ）、７０９はＳｉＯ₂ 膜、７１０はｐ側電極、７１１
はｎ側電極である。

【００７９】ｎ型Ｉｎ_0.1 Ｇａ_0.9 Ｎ／Ｉｎ_0.02Ｇａ
_0.98Ｎ多重量子井戸隣接層７０４は次のように成長させ
る。成長温度は７６０℃で、Ｉｎ_0.1 Ｇａ_0.9 Ｎ井戸層
の成長にはＴＭＩ、ＴＭＧ、アンモニア、ＳｉＨ₄ を用
い、厚さが２ｎｍの井戸層を成長する。次に、１秒間、
アンモニアだけを供給した状態で待機したのち、ＴＭ
Ｉ、ＴＭＧ、アンモニア、ＳｉＨ₄ を用いて厚さが４ｎ
ｍのＩｎ_0.02Ｇａ_0.98Ｎ障壁層を成長する。つぎに再度
１秒間の待機時間をおいて井戸層を同様に成長する。こ
のようなプロセスを合計２０回繰り返すことでｎ型Ｉｎ
_0.1 Ｇａ_0.9 Ｎ／Ｉｎ_0.02Ｇａ_0.98Ｎ多重量子井戸隣接
層７０４が形成できる。

【００８０】また、 Ｉｎ_0.2 Ｇａ_0.8 Ｎ／Ｉｎ_0.05Ｇ
ａ_0.95Ｎ多重量子井戸活性層７０５の成長方法は次の通
りである。７６０℃の成長温度で、Ｉｎ_0.2 Ｇａ_0.8 Ｎ
を２ｎｍ成長し、１秒間の待機時間を設てＩｎ_0.05Ｇａ
_0.95Ｎを成長する。このサイクルを合計１０回繰り返
す。

【００８１】このような成長方法によってｎ型Ｉｎ_0.1
Ｇａ_0.9 Ｎ／Ｉｎ_0.02Ｇａ_0.98Ｎ多重量子井戸隣接層７
０４とＩｎ_0.2 Ｇａ_0.8 Ｎ／Ｉｎ_0.05Ｇａ_0.95Ｎ多重量
子井戸活性層７０５共に、島状領域を有し、かつ、ピッ
トを有する構造を形成することが可能となる。

【００８２】以上、具体例を参照しつつ、本発明の実施
の形態について説明した。しかし、本発明はこれらの具
体例に限定されるものではない。例えば、前述した第１
から第７の実施形態では活性層はノンドープ層である
が、ｎ型あるいはｐ型にドープされていても良い。また
これに隣接する層はドーピングされていなくても、ある
いはｎ型やｐ型にドーピングされていても良い。その
他、本発明はその要旨を逸脱しない範囲で種々変形して
実施できる。

【００８３】

【発明の効果】以上詳述したように本発明の窒化物系半
導体レーザによれば、複雑な構造を用いずに、自励発振
を生じる窒化物系半導体発光素子が高い確率で得られ
る。これによって、低ノイズの特性をもった光ディスク
記録の読み出し用半導体レーザとして実用可能な性能を
満たした半導体レーザを安価に容易に作成でき、その有
用性は絶大である。さらに、同じ構造の窒化物系半導体
レーザにより記録媒体からの読み出しおよび書き込みが
可能になり読み出し書き込み兼用へッドの構造を飛躍的
に単純化できた。一方、本発明の窒化物系半導体発光ダ
イオードによれば、発光効率の高い窒化物系発光ダイオ
ードが得られた。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の窒化物系半導体発光素子の第１の実施
形態を示す断面図である。

【図２】図１に示す多重量子井戸隣接層１０４の面内発
光分布を表す模式図である。

【図３】図１に示す多重量子井戸隣接層１０４における
Ｉｎ組成比とドナー濃度の関係を示すグラフである。

【図４】図１に示す多重量子井戸隣接層１０４における
バンド構造を示す模式図である。

【図５】図１に示す窒化物系半導体発光素子の光出力に
対する自励発振生起割合を示すグラフである。

【図６】半導体レーザを光ディスクの読み出しに応用し
た状態を説明する模式図である。

【図７】本発明の窒化物系半導体発光素子の第２の実施
形態を示す断面図である。

【図８】図７に示す活性層２０５を透過型電子顕微鏡に
より観察した結果を表す模式図である。

【図９】図７に示す窒化物系半導体発光素子の製造条件
を示すグラフである。

【図１０】本発明の窒化物系半導体発光素子の第３の実
施形態を示す断面図である。

【図１１】図１０に示す窒化物系半導体発光素子に用い
る基板の構造を示す概略図で、（ａ）は平面図、（ｂ）
は側面図である。

【図１２】図１０に示す活性層３０５の透過型電子顕微
鏡による観察の結果を表す模式図である。

【図１３】図１０に示す活性層３０５における島状領域
の平均径と半導体発光素子の外部量子効率の関係を示す
グラフである。

【図１４】本発明の窒化物系半導体発光素子の第４の実
施形態を示す断面図である。

【図１５】本発明の窒化物系半導体発光素子の第５の実
施形態を示す断面図である。

【図１６】隣接層が活性層よりもバンドギャップが大き
いの場合の電流経路を示す概略図である。

【図１７】２次元のシュミレーションで用いた層構造を
示す概略図である。

【図１８】図１７に示した素子に対する２次元のシュミ
レーションにおいて４Ｖの電圧を印加した時の穴状領域
の直下での電流密度の分布図である。

【図１９】本発明の窒化物系半導体発光素子の第６の実
施形態を示す断面図である。

【図２０】本発明の窒化物系半導体発光素子の第７の実
施形態を示す断面図である。

【符号の説明】

１００ サファイヤ基板， １０１ ｎ型ＧａＮバッファー層 １０２ ｎ型ＧａＮコンタクト層 １０３ ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層 １０４ ｎ型Ｉｎ_0.1 Ｇａ_0.9 Ｎ／ＧａＮ多重量子井戸
隣接層 １０５ Ｉｎ_0.3 Ｇａ_0.7 Ｎ／ＧａＮ多重量子井戸活性
層 １０６ ｐ型ＧａＮ隣接層 １０７ ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層 １０８ ｐ型ＧａＮコンタクト層 １０９ ｎ型ＧａＮ通電障壁層 １１０ ｐ側電極 １１１ ｎ側電極 １５０ レーザ光 １５２ レンズ １５４Ａ 本発明による窒化物系半導体レーザ・ビーム １５４Ｂ 従来のＤＶＤシステムのレーザ・ビーム １５４Ｃ コンパクト・ディスクシステムのレーザ・ビ
ーム １６０ 光ディスク １６２ トラック １６４ ピット ２００ ｐ型ＳｉＣ基板 ２０１ ｐ型ＡｌＮバッフア層 ２０２ ｐ型ＧａＮ層 ２０３ ｐ型Ａｌ_0.3 Ｇａ_0.7 Ｎクラッド層 ２０４ Ａｌ_0.1 Ｇａ_0.9 Ｎ隣接層 ２０５ Ｉｎ_0.1 Ｇａ_0.9 Ｎ／Ａｌ_0.1 Ｇａ_0.9 Ｎ多重
量子井戸活性層 ２０６ Ａｌ_0.1 Ｇａ_0.9 Ｎ隣接層 ２０７ ｎ型Ａｌ_0.3 Ｇａ_0.7 Ｎクラッド層 ２０８ ｐ型ＧａＮ電流狭窄層 ２０９ ｎ型ＧａＮコンタクト層 ２１０ ｎ側電極 ２１１ ｐ側電極 ３００ サファイヤ基板 ３０１ ＧａＮバッファー層 ３０２ ｐ型ＧａＮコンタクト層 ３０３ ｐ型Ａｌ_0.2 Ｇａ_0.8 Ｎクラッド層 ３０４ ｐ型ＧａＮ隣接層 ３０５ Ｉｎ_0.3 Ｇａ_0.7 Ｎ／ＧａＮ多重量子井戸活性
層 ３０６ ｎ型ＧａＮ隣接層 ３０７ ｎ型Ａｌ_0.2 Ｇａ_0.8 Ｎクラッド層 ３０８ ｐ型ＧａＮ通電障壁層 ３０９ ｎ型ＧａＮコンタクト層 ３１０ ｎ側電極 ３１１ ｐ側電極 ４００ サファイヤ基板 ４０１ ＧａＮバッファ層 ４０２ ｎ型ＧａＮコンタクト層 ４０３ ｎ型 ＧａＮ層 ４０４ Ｉｎ_0.3 Ｇａ_0.7 Ｎ／ＧａＮ ３ＭＱＷ活性層 ４０５ ｐ型 ＧａＮ層 ４０６ ｐ型ＧａＮコンタクト層 ４１０ ｐ側電極 ４１１ ｎ側電極 ４１２ ＩＴＯ透明電極 ５００ サファイア基板 ５０１ バッファ層 ５０２ ｎ型ＧａＮコンタクト層 ５０３ ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層 ５０４ ノンドープＧａＮ隣接層 ５０５ ＩｎＧａＮＭＱＷ活性層 ５０６ ノンドープＧａＮ隣接層 ５０７ ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層 ５０８ ｐ型ＧａＮコンタクト層 ５０９ ＳｉＯ₂ 膜 ５１０ ｐ側電極 ５１１ ｎ側電極 ５５１ ｐ側電極 ５５２ ｐ型コンタクト層 ５５３ ノンドープＧａＮ層 ５５４ ノンドープＩｎＧａＮ層 ５５５ ｎ型コンタクト層 ５５６ ｎ側電極 Ｐ ピット ５６１ ｎ型ＧａＮコンタクト層 ５６２ ｎ型Ａｌ_0.15Ｇａ_0.85Ｎクラッド層 ５６３ ノンドープＧａＮ隣接層 ５６４ ノンドープＩｎ_0.08Ｇａ_0.92Ｎ活性層 ５６５ ノンドープＧａＮ隣接層 ５６６ ｐ型Ａｌ_0.15Ｇａ_0.85Ｎクラッド層 ５６７ ｐ型ＧａＮコンタクト層 ６００ サファイヤ基板 ６０１ バッファ層 ６０２ ｎ型ＧａＮクラッド層 ６０３ ノンドープＩｎＧａＮ活性層 ６０４ ｐ型ＧａＮクラッド層 ６０５ ｐ型ＧａＮコンタクト層 ６１０ ｐ型透明電極 ６１１ ｎ型電極 ７００ サファイヤ基板 ７０１ バッファー層 ７０２ ｎ型ＧａＮコンタクト層 ７０３ ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層 ７０４ ｎ型Ｉｎ_0.1 Ｇａ_0.9 Ｎ／Ｉｎ_0.02Ｇａ_0.98
Ｎ多重量子井戸活性層 ７０５ Ｉｎ_0.2 Ｇａ_0.8 Ｎ／Ｉｎ_0.05Ｇａ_0.95Ｎ多
重量子井戸活性層 ７０６ ｐ型ＧａＮ隣接層 ７０７ ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層 ７０８ ｐ型ＧａＮコンタクト層 ７０９ ＳｉＯ₂ 膜 ７１０ ｐ側電極 ７１１ ｎ側電極

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 小野村 正明 神奈川県川崎市幸区小向東芝町１番地 株 式会社東芝研究開発センター内 (72)発明者 藤本 英俊 神奈川県川崎市幸区小向東芝町１番地 株 式会社東芝研究開発センター内 (72)発明者 野崎 千晴 神奈川県川崎市幸区小向東芝町１番地 株 式会社東芝研究開発センター内 (72)発明者 西尾 譲司 神奈川県川崎市幸区小向東芝町１番地 株 式会社東芝研究開発センター内 (72)発明者 石川 正行 神奈川県川崎市幸区小向東芝町１番地 株 式会社東芝研究開発センター内

Claims (16)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 基板上に活性層およびこれに隣接する隣
   接層を含む、六方晶系の結晶構造を有する３元以上のII
   I −Ｖ族化合物半導体からなる混晶層が積層形成された
   窒化物系半導体発光素子において、前記隣接層には、こ
   の隣接層を構成する１つの元素の濃度が周辺より高い島
   状領域が点在し、この島状領域の前記１つの元素の濃度
   は、前記六方晶系の結晶のＣ軸に垂直な方向での組成の
   変化が２ｎｍ以内で１０パーセント以上異なり、また、
   前記島状領域の最大径が１００ｎｍ以下であり、かつ前
   記島状領域の不純物濃度が周辺部の不純物濃度に比べて
   低いことを特徴とする窒化物系半導体発光素子。
2. 【請求項２】 前記活性層には穴状領域が点在し、この
   穴状領域が前記隣接層を形成する半導体によって埋め込
   まれていることを特徴とする請求項１記載の窒化物系半
   導体発光素子。
3. 【請求項３】 前記隣接層には穴状領域が点在している
   ことを特徴とする請求項１記載の窒化物系半導体発光素
   子。
4. 【請求項４】 前記隣接層は多重量子井戸構造を有して
   おり、前記島状領域を形成する前記１つの元素はインジ
   ウム、アルミニウムまたはガリウムのうちの少なくとも
   １つであることを特徴とする請求項１記載の窒化物系半
   導体発光素子。
5. 【請求項５】 前記活性層は多重量子井戸構造を有して
   おり、この活性層には、この活性層を構成する１つの元
   素の濃度が周辺より高い島状領域が点在し、この島状領
   域は、この領域を囲む領域の材料のバンドギャップに比
   べて同じか、または、１０ｍｅＶ以内の差で小さいバン
   ドギャップを有することを特徴とする請求項１記載の窒
   化物系半導体発光素子。
6. 【請求項６】 前記不純物はＳｉ、Ｃ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｐ
   ｂの内の少なくも１つであることを特徴とする請求項１
   乃至５記載の窒化物系半導体発光素子。
7. 【請求項７】 前記島状領域相互の間隔をｄ、その周辺
   部の屈折率をｎ、前記島状領域の発光波長をλとした
   時、λｍ＝２ｎｄ（ｍ＝１、２、３、４）を満たすこと
   を特徴とする請求項５記載の窒化物系半導体発光素子。
8. 【請求項８】 前記活性層には穴状領域が点在し、この
   穴状領域が前記隣接層を形成する半導体によって埋め込
   まれており、かつ、前記隣接層には穴状領域が点在し、
   この穴状領域が前記隣接層に隣接し活性層側ではない層
   を形成する半導体によって埋め込まれていることを特徴
   とする請求項５乃至７記載の窒化物系半導体発光素子。
9. 【請求項９】 基板上に活性層およびこれに隣接する隣
   接層を含む、六方晶系の結晶構造を有する３元以上のII
   I −Ｖ族化合物半導体からなる混晶層が積層された窒化
   物系半導体発光素子において、前記活性層には穴状領域
   が点在し、この穴状領域が前記隣接層を形成する半導体
   によって埋め込まれていることを特徴とする窒化物系半
   導体発光素子。
10. 【請求項１０】 前記隣接層には穴状領域が点在してい
    ることを特徴とする請求項９記載の窒化物系半導体発光
    素子。
11. 【請求項１１】 前記活性層は多重量子井戸構造を有し
    ており、この活性層には、この活性層を構成する１つの
    元素の濃度が周辺より高い島状領域が点在し、この島状
    領域は、この領域を囲む領域の材料のバンドギャップに
    比べて同じか、または、１０ｍｅＶ以内の差で小さいバ
    ンドギャップを有することを特徴とする請求項９記載の
    窒化物系半導体発光素子。
12. 【請求項１２】 前記活性層は多重量子井戸構造をなし
    ており、少なくともその一部はＩｎＧａＮからなること
    を特徴とする請求項９記載の窒化物系半導体発光素子。
13. 【請求項１３】 基板上に活性層およびこれに隣接する
    隣接層を含む、六方晶系の結晶構造を有する３元以上の
    III −Ｖ族化合物半導体からなる混晶層が積層された窒
    化物系半導体発光素子において、前記隣接層には穴状領
    域が点在していることを特徴とする窒化物系半導体発光
    素子。
14. 【請求項１４】 基板上に活性層およびこれに隣接する
    多重量子井戸隣接層を含む、六方晶系の結晶構造を有す
    る３元以上のIII −Ｖ族化合物半導体からなる混晶層を
    積層形成した窒化物系半導体発光素子の製造方法におい
    て、前記多重量子井戸隣接層は、井戸層の成長用の原料
    ガスと障壁層の成長用の原料ガスを交互に所定時間供給
    して井戸層および障壁層を交互に成長させるとともに、
    前記井戸層の成長と前記障壁層の成長との間に所定の待
    機時間を設けることを特徴とする窒化物系半導体発光素
    子の製造方法。
15. 【請求項１５】 前記井戸層の成長用の原料ガスはトリ
    メチルインジウム、トリメチルガリウムおよびアンモニ
    アガスであり、前記障壁層の成長用の原料ガスはトリメ
    チルガリウムおよびアンモニアガスであることを特徴と
    する請求項１４記載の窒化物系半導体発光素子の製造方
    法。
16. 【請求項１６】 基板上に活性層およびこれに隣接する
    多重量子井戸隣接層を含む、六方晶系の結晶構造を有す
    る３元以上のIII −Ｖ族化合物半導体からなる混晶層を
    積層形成した窒化物系半導体発光素子を有機金属を用い
    た気相成長により製造するに際し、前記気相成長の原料
    ガスとして、トリメチルインジウム、トリメチルガリウ
    ムおよびアンモニアガスを用い、成長温度を７００℃以
    上８５０℃以下とし、かつ、すべての原料ガスとキャリ
    アガス流量の総和を標準換算で一分間に１０リットル以
    上５０リットル以下とし、さらにＶ族元素とＩＩＩ族元
    素のモル流量比を１０００以上１５０００以下で、前記
    活性層をエピタキシャル成長させることを特徴とする窒
    化物系半導体発光素子の製造方法。