JPH11238945A

JPH11238945A - 窒化物半導体発光素子

Info

Publication number: JPH11238945A
Application number: JP15139398A
Authority: JP
Inventors: Shinichi Nagahama; 慎一長濱; Shuji Nakamura; 修二中村
Original assignee: Nichia Chemical Industries Ltd
Current assignee: Nichia Chemical Industries Ltd
Priority date: 1997-12-18
Filing date: 1998-06-01
Publication date: 1999-08-31

Abstract

(57)【要約】【目的】クラッド層の光閉じ込め効果を向上させるこ
とにより、窒化物半導体レーザ素子のレーザ光をシング
ルモード化すると共に、発振閾値を低下させて信頼性に
優れたレーザ素子を得る。【構成】ｎ側クラッド層は、少なくともＡｌを含む窒
化物半導体層を有する超格子よりなり、そのｎ側クラッ
ド層全体の厚さが０．５μｍ以上で、かつそのｎ側クラ
ッド層に含まれるＡｌ平均組成を百分率（％）で表した
際に、ｎ側クラッド層全体の厚さ（μｍ）とＡｌ平均組
成（％）との積が４．４以上となるように構成されてい
る。また前記ｎ側とｐ側のクラッド層との間にある活性
層を含んだ窒化物半導体層の厚さを２００オングストロ
ーム以上、１．０μｍ以下の範囲に調整することによ
り、コア部分に光を閉じ込めてレーザ光の垂直横モード
をシングルモード化する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は例えばＬＥＤ（発光ダイ
オード）、ＬＤ（レーザダイオード）等に使用される窒
化物半導体（Ｉｎ_aＡｌ_bＧａ_1-a-bＮ、０≦a、０≦b、a
＋b≦１）発光素子に関する。

【０００２】

【従来の技術】我々は窒化物半導体基板の上に、活性層
を含む窒化物半導体レーザ素子を作製して、世界で初め
て室温での連続発振１万時間以上を達成したことを発表
した（ICNS'97 予稿集,October 27-31,1997,P444-446、
及びJpn.J.Appl.Phys.Vol.36(1997）pp.L1568-1571、Pa
rt2,No.12A,1 December 1997）。図１はそのレーザ素子
の構造を示す模式的な断面図である。基本的な構造とし
てはサファイア基板上に、部分的に形成されたＳｉＯ₂
膜を介して選択成長されたｎ−ＧａＮよりなる窒化物半
導体基板の上に、レーザ素子構造となる窒化物半導体層
が複数積層されてなる。（詳細はJpn.J.Appl.Phys.Vol.
36参照）

【０００３】基本的なレーザ素子構造は、Ｉｎ_0.02Ｇａ
_0.98Ｎよりなる障壁層と、Ｉｎ_0.15Ｇａ_0.85Ｎよりなる
井戸層とが積層された活性層を、膜厚２５オングストロ
ームのｎ−Ａｌ_0.14Ｇａ_0.86Ｎと、同じく膜厚２５オン
グストロームのＧａＮとからなる超格子構造のｎ側クラ
ッド層、及び膜厚２５オングストロームのｐ−Ａｌ_0. ₁₄
Ｇａ_0.86Ｎと、同じく膜厚２５オングストロームのＧａ
Ｎとからなる超格子構造のｐ側クラッド層とで挟んだダ
ブルへテロ構造を有する。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
レーザ素子では両クラッド層による光の閉じ込めが未だ
不十分であり、例えばｎ側クラッド層から漏れた光は、
屈折率が小さいサファイア基板で反射し、基板とｎ側ク
ラッド層の間にある屈折率が大きいＧａＮ層中で共振す
る。そのＧａＮ層中で共振した光は、活性層端面から出
射されるレーザ光のファーフィールドパターン（ＦＦ
Ｐ）、ニアフィールドパターン（ＮＦＰ）等の形状を乱
し、例えば出射されるレーザ光のスポットが複数となっ
て現れ、マルチモードとなって観測される。マルチモー
ドのレーザ素子はピックアップ用光源として使用するに
は非常に使いにくい。

【０００５】また、クラッド層の光閉じ込めが不十分で
あると、レーザ素子の発振閾値を上昇させる。閾値が上
昇すると当然、レーザ素子の寿命が短くなる。

【０００６】従って本発明の目的とするところは、クラ
ッド層の光閉じ込め効果を向上させることにより、窒化
物半導体レーザ素子のレーザ光をシングルモード化する
と共に、発振閾値を低下させて信頼性に優れたレーザ素
子を得ることにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記のように我々は室温
で１万時間を超えるレーザを初めて達成したわけである
が、このレーザ素子のｎ、ｐ両クラッド層について、さ
らに詳細な検討を進めた結果、本発明をなすに至った。

【０００８】即ち、本発明の窒化物半導体発光素子は、
ｎ側とｐ側のクラッド層との間に、活性層が形成されて
なる窒化物半導体発光素子において、前記ｎ側クラッド
層は、少なくともＡｌを含む窒化物半導体層を有する超
格子よりなり、そのｎ側クラッド層全体の厚さが０．５
μｍ以上で、かつそのｎ側クラッド層に含まれる３族元
素に対するＡｌ平均組成を百分率で表した際に、ｎ側ク
ラッド層全体の厚さ（μｍ）と、Ａｌ平均組成（％）と
の積が４．４以上となるように構成されていることを特
徴とする。

【０００９】具体的な構成として、前記ｎ側クラッド層
の全体の厚さを０．８μｍ以上とし、前記ｎ側クラッド
層に含まれる３族元素に対するＡｌ平均組成を５．５％
以上とする。

【００１０】好ましくは、前記ｎ側クラッド層の全体の
厚さを１．０μｍ以上とし、前記ｎ側クラッド層に含ま
れる３族元素に対するＡｌ平均組成を５．０％以上とす
ることを特徴とする。

【００１１】さらに好ましくは、前記ｎ側クラッド層の
全体の厚さを１．２μｍ以上とし、前記ｎ側クラッド層
に含まれる３族元素に対するＡｌ平均組成を４．５％以
上とすることを特徴とする。

【００１２】また本発明の発光素子は、前記ｐ側クラッ
ド層は、少なくともＡｌを含む窒化物半導体層を有する
超格子よりなり、前記ｎ側クラッド層全体の厚さがその
ｐ側クラッド層全体の厚さよりも厚いことを特徴とす
る。ｐ側クラッド層の厚さが２．０μｍよりも薄いこと
が望ましい。

【００１３】また本発明では、前記ｎ側とｐ側のクラッ
ド層との間にある活性層を含んだ窒化物半導体層（コア
部分）の厚さが２００オングストローム以上、１．０μ
ｍ以下の範囲にあることを特徴とする。

【００１４】

【発明の実施の形態】本発明の発光素子において、クラ
ッド層とは、屈折率が活性層の井戸層よりも小さい窒化
物半導体を含む光閉じ込め層である。また超格子とは単
一層の膜厚が１００オングストローム以下で、互いに組
成が異なる窒化物半導体層を積層した多層膜構造を指
し、好ましくは７０オングストローム以下、さらに好ま
しくは４０オングストローム以下の膜厚の窒化物半導体
層を積層する。具体的な構成としては、例えばＡｌ_XＧ
ａ_1-XＮ（０＜X＜１）層と、そのＡｌ_XＧａ_1-XＮ層と組
成が異なる他の窒化物半導体層とを積層した超格子と
し、例えばＡｌ_XＧａ_1-XＮ／ＧａＮ、Ａｌ_XＧａ_1-XＮ／
Ａｌ_YＧａ_1-YＮ（０＜Y＜１、Y＜X）、Ａｌ_XＧａ_1-XＮ
／Ｉｎ_ZＧａ_1-ZＮ（０＜Z＜１）等の３元混晶と３元混
晶、若しくは３元混晶と２元混晶との組み合わせで超格
子とすることができる。その中でも最も好ましくはＡｌ
_XＧａ_1-XＮとＧａＮとからなる超格子とする。

【００１５】本発明の超格子におけるＡｌ平均組成は、
以下のような算出方法で求めるものとする。例えば２５
オングストロームのＡｌ_0.5Ｇａ_0.5Ｎと、２５オングス
トロームのＧａＮとを２００ペア（１．０μｍ）積層し
た超格子の場合、１ペアが５０オングストローム、Ａｌ
を含む層の３族元素に対するＡｌ混晶比が０．５である
ため、０．５・（２５μｍ／５０μｍ）＝０．２５とな
り、超格子全体の３族元素におけるＡｌ平均組成は２５
％である。一方、膜厚が異なる場合、Ａｌ_0.5Ｇａ_0.5Ｎ
を４０オングストロームと、ＧａＮを２０オングストロ
ームとで積層した場合、膜厚の加重平均を行い、０．５
（４０／６０）＝０．３３３となり、Ａｌ平均組成は３
３．３％とする。即ち、Ａｌを含む単一窒化物半導体層
の３族元素に対するＡｌ混晶比を、その窒化物半導体層
が超格子１ペアの膜厚に占める割合に乗じたものを本発
明における超格子のＡｌ平均組成とする。またＡｌを両
方含む場合も同様であり、例えばＡｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎ２０
オングストローム、Ａｌ _0.2Ｇａ_0.8Ｎ３０オングストロ
ームの場合も、０．１（２０／５０）＋０．２（３０／
５０）＝０．１６、即ち１６％をＡｌ平均組成とする。
なお以上の例はＡｌＧａＮ／ＧａＮ、ＡｌＧａＮ／Ａｌ
ＧａＮについて説明したが、ＡｌＧａＮ／ＩｎＧａＮに
ついても同じ算出方法を適用するものとする。従って、
ｎ側クラッド層を成長させる場合には、以上の算出方法
に基づいて成長方法を設計できる。また、ｎ側クラッド
層のＡｌ平均組成は、ＳＩＭＳ（二次イオン質量分析装
置）、オージェ等の分析装置を用いても検出できる。

【００１６】また、活性層の発光を閉じ込めるためｎ側
クラッド層を上記構成とするならば、ｐ側クラッド層を
ｎ側クラッド層と同じ構成とすることも可能である。但
し、ｐ側クラッド層を請求項１のような構成とする場
合、ｐ側クラッド層の膜厚をｎ側クラッド層よりも薄く
することが望ましい。なぜなら、ｐ側クラッド層の３族
元素に対するＡｌ平均組成を大きくするか、若しくは膜
厚を厚くすると、ＡｌＧａＮ層の抵抗値が大きくなる傾
向にあり、ＡｌＧａＮの抵抗値が大きくなると、閾値が
高くなる傾向にあるからである。そのため、ｐ側クラッ
ド層をＡｌを含む窒化物半導体層を含む超格子で構成
し、膜厚とＡｌ平均組成との積を４．４以上としても、
その厚さは２．０μｍよりも薄くすることが望ましい。
低抵抗なｐ側クラッド層を作製するため、好ましい膜厚
は１．５μｍ以下、さらに好ましくは１．０μｍ以下で
ある。下限については特に限定しないが、キャリア閉じ
込めとしてのクラッド層として作用させるためには、５
０オングストーム以上の膜厚があることが望ましい。超
格子とした場合も、Ａｌ平均組成としては５０％以下が
望ましい。なお、ｐ側クラッド層に関してはリッジ形状
としてその上に電極を設けるので、その電極が光を吸収
してしまうため、クラッド層からの光の漏れがあっても
ほとんど無視でき、本発明の請求項１のような構成とす
る必要はないが、同じようにしても良い。即ち、ｐ側ク
ラッド層を、少なくともＡｌを含む窒化物半導体層を有
する超格子とし、そのｐ側クラッド層全体の厚さを２．
０μｍ以下として、かつそのｐ側クラッド層に含まれる
３族元素に対するＡｌ平均組成（％）と、ｐ側クラッド
層全体の厚さ（μｍ）との積が４．４以上となるように
構成してもよい。

【００１７】ｐ側クラッド層をＡｌを含む窒化物半導体
を有する超格子とする場合（但し、この場合、光の漏れ
は関係なく、単にキャリア閉じ込めとしてのクラッド層
として作用させる場合を含む。）、ｎ側クラッド層全体
の厚さがそのｐ側クラッド層全体の厚さよりも厚いこと
が望ましい。ｐ側クラッド層を構成する窒化物半導体層
も、ｎ側クラッド層と同様に、例えばＡｌ_XＧａ_1-XＮ
（０＜X＜１）層と、そのＡｌ_XＧａ_1-XＮ層と組成が異
なる他の窒化物半導体層とを積層した超格子とし、Ａｌ
_XＧａ_1-XＮ／ＧａＮ、Ａｌ_XＧａ_1-XＮ／Ａｌ_YＧａ_1-YＮ
（０＜Y＜１、Y＜X）、Ａｌ_XＧａ_1-XＮ／Ｉｎ_ZＧａ_1-Z
Ｎ（０＜Z＜１）等の３元混晶と３元混晶、若しくは３
元混晶と２元混晶との組み合わせで超格子とし、その中
でも最も好ましくはＡｌ_XＧａ_1-XＮとＧａＮとからなる
超格子とする。

【００１８】本発明の発光素子では、ｎ側クラッド層全
体の厚さを０．５μｍ以上とし、かつそのｎ側クラッド
層に含まれる３族元素に対するＡｌ平均組成（％）と、
ｎ側クラッド層全体の厚さ（μｍ）との積が４．４以上
となるように構成していることを特徴とする。ｎ側クラ
ッド層の厚さが０．５μｍよりも薄く、かつそのｎ側ク
ラッド層全体の厚さ（μｍ）とＡｌ平均組成（％）との
積が４．４よりも少ないと、ｎ側クラッド層としての光
閉じ込めが不十分となり、ｎ側のコンタクト層で再度共
振して、ＦＦＰが乱れ、閾値も上昇する傾向にある。好
ましい積の値としては請求項３に示すように５．０以
上、さらに好ましくは請求項４に示すように５．４以上
にする。ベストモードとしては７以上に調整する。

【００１９】なお、本発明ではｎ側のクラッド層を超格
子で構成しているため、Ａｌ混晶比を大きくしてもクラ
ッド層にクラックが入りにくくなる。従ってｎ側クラッ
ド層全体の膜厚の上限は特に限定しないが、５μｍ以内
の膜厚に調整することが、超格子を構成する窒化物半導
体層の積層回数を減らす上で望ましい。但し前にも述べ
たようにｐ側のクラッド層は、膜厚を厚くするか、ある
いはＡｌ平均組成を大きくすると抵抗が高くなる傾向に
あるので、膜厚としては２μｍ、好ましくは１．５μｍ
以下、Ａｌ平均組成としては５０％以下が望ましい。

【００２０】具体的には、前記ｎ側クラッド層の全体の
厚さを０．８μｍ以上とし、前記ｎ側クラッド層に含ま
れる３族元素に対するＡｌ平均組成を５．５％以上とす
る。この場合の積は４．４以上となる。好ましくはｎ側
クラッド層の全体の厚さを１．０μｍ以上とし、そのｎ
側クラッド層に含まれるＡｌ平均組成を５．０％以上と
する。この場合の積は５．０以上である。さらに好まし
くは、ｎ側クラッド層の全体の厚さを１．２μｍ以上と
し、そのｎ側クラッド層に含まれるＡｌ平均組成を４．
５％以上とする。この場合の積は５．４以上である。こ
れはｎ側クラッド層の膜厚の関係と、超格子よりなるｎ
側クラッド層のＡｌ平均組成の関係を具体的に示すもの
である。Ａｌ_XＧａ_1-XＮはＡｌ混晶比を大きくするに従
い、バンドギャップエネルギーが大きくなり、屈折率も
小さくなることが知られている。理想的にはＡｌ混晶比
Xの大きい、例えば０．５以上のＡｌ_XＧａ_1-XＮ層を、
単一層で例えば数μｍの膜厚で成長させることができれ
ば、工業的にも都合がよいのであるが、Ａｌ_XＧａ_1-XＮ
は厚膜で成長させにくい。単一層で特にＡｌ混晶比が
０．５以上のＡｌ_XＧａ_1-XＮを成長させようとすると、
例えば０．１μｍ以上で結晶中にクラックが入ってしま
う。

【００２１】ところが本発明のようにＡｌ_XＧａ_1-XＮを
超格子を構成するような薄膜とすると、単一膜厚がＡｌ
_XＧａ_1-XＮの臨界限界膜厚以下となるので、クラックが
入りにくい。そのためクラッド層を超格子とするとＡｌ
混晶比の高い層でも厚膜で成長できるようになり、本発
明のように特定のＡｌ混晶比とクラッド層の膜厚との関
係を見出すことができ、それらを組み合わせることによ
り、光をｎ側のクラッド層から基板側に漏れないように
することができる。

【００２２】

【実施例】［実施例１］図１は本発明の一実施例に係る
レーザ素子の形状を示す模式的な斜視図であり、リッジ
ストライプに垂直な方向で切断した際の断面も同時に示
している。以下、この図を基に実施例１について説明す
る。

【００２３】（下地層２）２インチφ、Ｃ面を主面とす
るサファイアよりなる異種基板１をＭＯＶＰＥ反応容器
内にセットし、温度を５００℃にして、トリメチルガリ
ウム（ＴＭＧ）、アンモニア（ＮＨ₃）を用い、ＧａＮ
よりなるバッファ層（図示せず）を２００オングストロ
ームの膜厚で成長させる。バッファ層成長後、温度を１
０５０℃にして、同じくＧａＮよりなる下地層２を４μ
ｍの膜厚で成長させる。この下地層２は保護膜を部分的
に表面に形成して、次に窒化物半導体基板の選択成長を
行うための下地層として作用する。下地層２はＡｌ混晶
比X値が０．５以下のＡｌ_XＧａ_1-XＮ（０≦X≦０．５）
を成長させることが望ましい。０．５を超えると、結晶
欠陥というよりも結晶自体にクラックが入りやすくなっ
てしまうため、結晶成長自体が困難になる傾向にある。
また膜厚はバッファ層よりも厚い膜厚で成長させて、１
０μｍ以下の膜厚に調整することが望ましい。基板はサ
ファイアの他、ＳｉＣ、ＺｎＯ、スピネル、ＧａＡｓ
等、窒化物半導体を成長させるために知られている、窒
化物半導体と異なる材料よりなる基板を用いることがで
きる。

【００２４】（保護膜３）下地層２成長後、ウェーハを
反応容器から取り出し、この下地層２の表面に、ストラ
イプ状のフォトマスクを形成し、ＣＶＤ装置によりスト
ライプ幅１０μｍ、ストライプ間隔（窓部）２μｍのＳ
ｉＯ₂よりなる保護膜３を１μｍの膜厚で形成する。保
護膜の形状としてはストライプ状、ドット状、碁盤目状
等どのような形状でも良いが、窓部よりも保護膜の面積
を大きくする方が、結晶欠陥の少ない第２の窒化物半導
体層３が成長しやすい。保護膜の材料としては、例えば
酸化ケイ素（ＳｉＯ_X）、窒化ケイ素（Ｓｉ_XＮ_Y）、酸
化チタン（ＴｉＯ_X）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ_X）等
の酸化物、窒化物、またこれらの多層膜の他、１２００
℃以上の融点を有する金属等を用いることができる。こ
れらの保護膜材料は、窒化物半導体の成長温度６００℃
〜１１００℃の温度にも耐え、その表面に窒化物半導体
が成長しないか、若しくは成長しにくい性質を有してい
る。

【００２５】（窒化物半導体基板４）保護膜３形成後、
ウェーハを再度ＭＯＶＰＥの反応容器内にセットし、温
度を１０５０℃にして、ＴＭＧ、アンモニアを用い、ア
ンドープＧａＮよりなる窒化物半導体基板４を２０μｍ
の膜厚で成長させる。成長後の窒化物半導体基板４の表
面において、保護膜のストライプ中央部と、窓部のスト
ライプ中央部に当たる部分には、結晶欠陥がほとんど表
出していないが、成長初期においては、多くの結晶欠陥
が窓部上部に発生する傾向にある。従って、後に続くレ
ーザ素子のリッジ形成時に、リッジストライプがこの結
晶欠陥に係らないようにすることにより、活性層に結晶
欠陥が転位せず、素子の信頼性が向上する。窒化物半導
体基板４はハライド気相成長法（ＨＶＰＥ）を用いて成
長させることができるが、このようにＭＯＶＰＥ法によ
り成長させることもできる。窒化物半導体基板はＩｎ、
Ａｌを含まないＧａＮを成長させることが最も好まし
く、成長時のガスとしては、ＴＭＧの他、トリエチルガ
リウム（ＴＥＧ）等の有機ガリウム化合物を用い、窒素
源はアンモニア、若しくはヒドラジンを用いることが最
も望ましい。また、このＧａＮ基板にＳｉ、Ｇｅ等のｎ
型不純物をドープしてキャリア濃度を適当な範囲に調整
してもよい。特に異種基板１、下地層２、保護膜３を除
去する場合には、窒化物半導体基板がコンタクト層とな
るため、この窒化物半導体基板４にｎ型不純物をドープ
することが望ましい。

【００２６】（ｎ側バッファ層１１＝兼ｎ側コンタクト
層）次に、アンモニアとＴＭＧ、不純物ガスとしてシラ
ンガスを用い、第２の窒化物半導体層４の上にＳｉを３
×１０¹⁸／cm³ドープしたＧａＮよりなるｎ側バッファ
層１１を５μｍの膜厚で成長させる。このバッファ層
は、図１のような構造の発光素子を作製した場合にはｎ
電極を形成するためのコンタクト層として作用する。ま
た異種基板１〜保護膜３を除去して、窒化物半導体基板
４に電極を設ける場合には、省略することもできる。こ
のｎ側バッファ層１１は高温で成長させるバッファ層で
あり、例えばサファイア、ＳｉＣ、スピネルのように窒
化物半導体体と異なる材料よりなる基板の上に、９００
℃以下の低温において、ＧａＮ、ＡｌＮ等を、０．５μ
ｍ以下の膜厚で直接成長させるバッファ層とは区別され
る。

【００２７】（クラック防止層１２）次に、ＴＭＧ、Ｔ
ＭＩ（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１２を０．１５μｍの膜厚で成長させる。この
クラック防止層は省略可能である。

【００２８】（ｎ側クラッド層１３＝超格子層）続い
て、１０５０℃でＴＭＡ、ＴＭＧ、アンモニア、シラン
ガスを用い、Ｓｉを１×１０¹⁹／cm³ドープしたｎ型Ａ
ｌ_0.16Ｇａ_0.84Ｎよりなる第１の層を２５オングストロ
ームの膜厚で成長させ、続いてシランガス、ＴＭＡを止
め、アンドープのＧａＮよりなる第２の層を２５オング
ストロームの膜厚で成長させる。そして第１層＋第２層
＋第１層＋第２層＋・・・というように超格子層を構成
し、総膜厚１．２μｍの超格子よりなるｎ側クラッド層
１３を成長させる。この超格子よりなるｎ側クラッド層
は３族元素に対するＡｌ平均組成が８．０％であるの
で、その膜厚との積は９．６となる。なおｎ側クラッド
層に、バンドギャップエネルギーが異なる窒化物半導体
を積層した超格子を作製した場合、不純物はいずれか一
方の層に多くドープして、いわゆる変調ドープを行うと
結晶性が良くなる傾向にあるが、両方に同じようにドー
プしても良い。

【００２９】（ｎ側光ガイド層１４）続いて、シランガ
スを止め、１０５０℃でアンドープＧａＮよりなるｎ側
光ガイド層１４を０．１μｍの膜厚で成長させる。この
ｎ側光ガイド層は、活性層の光ガイド層として作用し、
ＧａＮ、ＩｎＧａＮを成長させることが望ましく、通常
１００オングストローム〜５μｍ、さらに好ましくは２
００オングストローム〜１μｍの膜厚で成長させること
が望ましい。

【００３０】（活性層１５）次に、ＴＭＧ、ＴＭＩ、ア
ンモニアを用い活性層１４を成長させる。活性層は温度
を８００℃に保持して、アンドープＩｎ_0.2Ｇａ_0.8Ｎよ
りなる井戸層を４０オングストロームの膜厚で成長させ
る。次にＴＭＩのモル比を変化させるのみで同一温度
で、アンドープＩｎ_0.01Ｇａ_0.95Ｎよりなる障壁層を１
００オングストロームの膜厚で成長させる。井戸層と障
壁層とを順に積層し、最後に障壁層で終わり、総膜厚４
４０オングストロームの多重量子井戸構造（ＭＱＷ）の
活性層を成長させる。活性層は本実施例のようにアンド
ープでもよいし、またｎ型不純物及び／又はｐ型不純物
をドープしても良い。不純物は井戸層、障壁層両方にド
ープしても良く、いずれか一方にドープしてもよい。

【００３１】（ｐ側キャップ層１６）次に、温度を１０
５０℃に上げ、ＴＭＧ、ＴＭＡ、アンモニア、Ｃｐ2Ｍ
ｇ（シクロペンタジエニルマグネシウム）を用い、ｐ側
光ガイド層１７よりもバンドギャップエネルギーが大き
い、Ｍｇを１×１０²⁰／cm³ドープしたｐ型Ａｌ_0.3Ｇａ
_0.7Ｎよりなるｐ側キャップ層１６を３００オングスト
ロームの膜厚で成長させる。このｐ型キャップ層１６は
０．１μｍ以下の膜厚で形成することにより素子の出力
が向上する傾向にある。膜厚の下限は特に限定しない
が、１０オングストローム以上の膜厚で形成することが
望ましい。

【００３２】（ｐ側光ガイド層１７）続いてＣｐ2Ｍ
ｇ、ＴＭＡを止め、１０５０℃で、バンドギャップエネ
ルギーがｐ側キャップ層１６よりも小さい、アンドープ
ＧａＮよりなるｐ側光ガイド層１７を０．１μｍの膜厚
で成長させる。この層は、活性層の光ガイド層として作
用し、ｎ型光ガイド層１４と同じくＧａＮ、ＩｎＧａＮ
で成長させることが望ましい。

【００３３】（ｐ側クラッド層１８）続いて、１０５０
℃でＭｇを１×１０²⁰／cm³ドープしたｐ型Ａｌ_0.16Ｇ
ａ_0.8 ₄Ｎよりなる第３の層を２５オングストロームの膜
厚で成長させ、続いてＴＭＡのみを止め、アンドープＧ
ａＮよりなる第４の層を２５オングストロームの膜厚で
成長させ、総膜厚０．６μｍの超格子層よりなるｐ側ク
ラッド層１８を成長させる。このｐ側クラッド層もＡｌ
平均組成が８．０％であるので、膜厚との積は４．８と
なる。なお、ｐ側クラッド層も少なくとも一方がＡｌを
含む窒化物半導体層を含み、互いにバンドギャップエネ
ルギーが異なる窒化物半導体層を積層した超格子で作製
した場合、不純物はいずれか一方の層に多くドープし
て、いわゆる変調ドープを行うと結晶性が良くなる傾向
にあるが、両方に同じようにドープしても良い。

【００３４】ここで、クラッド層で挟まれたコア部分
（導波部分）の膜厚について述べる。コア部分とは、ｎ
側光ガイド層１４、活性層１５、ｐ側キャップ層１６、
及びｐ側光ガイド層１７を合わせた領域、即ちｎ側クラ
ッド層と、ｐ側クラッド層との間にある活性層を含む窒
化物半導体層を指し、活性層の発光を導波する領域であ
る。窒化物半導体レーザ素子の場合、ＦＦＰが単一ビー
ムとならないのは、先にも述べたように、クラッド層か
ら漏れた発光がｎ側のコンタクト層内で導波してマルチ
モードになるからである。その他、コア内で共振するこ
とによってマルチモードになる場合がある。本発明では
まずｎ側のクラッド層の膜厚を厚くして、Ａｌ平均組成
を大きくすることにより、屈折率差を設け、コア内の光
をクラッド層で閉じ込めるものである。しかし、コア内
でマルチモードができると、ＦＦＰは乱れる。そのた
め、本発明のｎ側クラッド層との関係において、コア内
でマルチモードにならないようにするために、このコア
部分の厚さも調整する方が望ましい。コア部分にマルチ
モードが発生しないようにするための好ましい厚さとし
ては、２００オングストローム以上、１．０μｍ以下、
さらに望ましくは５００オングストローム〜０．８μ
ｍ、最も望ましくは０．１μｍ〜０．５μｍの範囲に調
整することが望ましい。２００オングストロームよりも
薄いと、コア部分から光が漏れだし、閾値が上昇する傾
向にある。また１．０μｍよりも厚いとマルチモードに
なりやすい傾向にある。

【００３５】（ｐ側コンタクト層１９）最後に、１０５
０℃で、ｐ側クラッド層１８の上に、Ｍｇを２×１０²⁰
／cm³ドープしたｐ型ＧａＮよりなるｐ側コンタクト層
１８を１５０オングストロームの膜厚で成長させる。ｐ
側コンタクト層１９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２１
と最も好ましいオーミック接触が得られる。

【００３６】以上のようにして窒化物半導体を成長させ
たウェーハを反応容器内において、窒素雰囲気中７００
℃でアニーリングを行い、ｐ型不純物をドープした層を
さらに低抵抗化させる。

【００３７】アニーリング後、ウェーハを反応容器から
取り出し、ＲＩＥ装置により最上層のｐ側コンタクト層
１８と、ｐ側クラッド層１７とをエッチングして、図１
に示すように４μｍのストライプ幅を有するリッジ形状
とする。リッジストライプを形成する場合、そのリッジ
ストライプは、窒化物半導体基板の表面に結晶欠陥が現
れていない位置に形成する。図１の場合結晶欠陥は、成
長初期にストライプ状の窓部中央部に多く現れる傾向に
ある。このように結晶欠陥がほとんどない位置にストラ
イプを形成すると、結晶欠陥が活性層まで伸びてこなく
なる傾向にあるため、素子の長寿命とすることができ、
信頼性が向上する。

【００３８】次にリッジ表面にマスクを形成し、ＲＩＥ
にてエッチングを行い、ｎ側バッファ層１１の表面を露
出させる。露出させたこのｎ側バッファ層１１はｎ電極
２３を形成するためのコンタクト層としても作用する。

【００３９】次にｐ側コンタクト層１９のリッジ最表面
にＮｉとＡｕよりなるｐ電極２０をストライプ状に形成
し、一方、ＴｉとＡｌよりなるｎ電極２２を先ほど露出
させたｎ側バッファ層１１の表面にストライプ状に形成
した後、図１に示すようにｐ電極２０と、ｎ電極２２と
の間に露出した窒化物半導体層の表面にＳｉＯ₂よりな
る絶縁膜２３を形成し、この絶縁膜２３を介してｐ電極
２０と電気的に接続したｐパッド電極２１を形成する。

【００４０】以上のようにして、ｎ電極とｐ電極とを形
成したウェーハのサファイア基板を研磨して７０μｍと
した後、ストライプ状の電極に垂直な方向で、基板側か
らバー状に劈開し、劈開面に共振器を作製する。共振器
面にＳｉＯ₂とＴｉＯ₂よりなる誘電体多層膜を形成し、
最後にｐ電極に平行な方向で、バーを切断してレーザ素
子とする。

【００４１】このレーザ素子をヒートシンクに設置し、
それぞれの電極をワイヤーボンディングして、室温でレ
ーザ発振を試みたところ、室温において連続発振を示
し、単レーザ光のＦＦＰは単一で、その形状も楕円形で
形の良いものが得られていた。また、レーザ素子の特性
に関しても、我々がJpn.J.Appl.Phys.Vol.36(1997）に
発表したものに比較して、閾値が１０％以上低下し、寿
命は５０％以上向上した。

【００４２】［実施例２］実施例１において、ｎ側クラ
ッド層１３を成長させる際に、Ｓｉドープｎ型Ａｌ_0.20
Ｇａ_0.80Ｎ２５オングストロームと、アンドープＧａＮ
２５オングストロとを積層し、総膜厚１．０μｍの超格
子よりなるｎ側クラッド層１３を成長させる他は同様に
してレーザ素子を作製した。なおｎ側クラッド層はＡｌ
平均組成が１０．０％であるので、その膜厚との積は１
０．０である。このレーザ素子も実施例１とほぼ同等の
特性を有していた。

【００４３】［実施例３］実施例１において、ｎ側クラ
ッド層１３を成長させる際に、Ｓｉドープｎ型Ａｌ_0.20
Ｇａ_0.80Ｎ２５オングストロームと、アンドープＧａＮ
２５オングストロとを積層し、総膜厚０．７μｍの超格
子よりなるｎ側クラッド層１３を成長させる他は同様に
してレーザ素子を作製した。ｎ側クラッド層はＡｌ平均
組成が１．０％であるので、その膜厚との積は７．０で
ある。このレーザ素子も実施例１とほぼ同等の特性を有
していた。

【００４４】［実施例４］実施例１において、ｎ側クラ
ッド層１３を成長させる際に、Ｓｉドープｎ型Ａｌ_0.12
Ｇａ_0.88Ｎ２５オングストロームと、アンドープＧａＮ
２５オングストロとを積層し、総膜厚０．８μｍの超格
子よりなるｎ側クラッド層１３を成長させる他は同様に
してレーザ素子を作製した。ｎ側クラッド層はＡｌ平均
組成が６．０％であるので、その膜厚との積は４．８で
ある。このレーザ素子はJpn.J.Appl.Phys.Vol.36(199
7）に発表したものに比較して、閾値が５％以上低下
し、寿命は２０％以上向上した。

【００４５】［実施例５］実施例１において、ｎ側クラ
ッド層１８を成長させる際に、Ｓｉドープｎ型Ａｌ_0.07
Ｇａ_0.93Ｎ層２５オングストロームと、アンドープＧａ
Ｎ層２５オングストロームとを、総膜厚１．４μｍで成
長させる他は同様にして、レーザ素子を作製した。ｎ側
クラッド層は、Ａｌ平均組成が３．５％であるので、そ
の膜厚との積は４．９である。このレーザ素子は実施例
４のものとほぼ同等の特性を示した。

【００４６】

【発明の効果】従来では、コア部の光がｎ側クラッド層
を透過して、ＧａＮよりなるｎ側コンタクト層で導波す
ることにより、レーザ光がマルチモードとなって光源と
して不適切なものとなっていたが、本発明により発光が
コア部に閉じ込めることができるようになりシングルモ
ードのレーザ光が得られる。しかも、レーザ光のスポッ
ト形状も単一な楕円となり、一定のＦＦＰが得られる。
従来、窒化物半導体はサファイアという窒化物半導体よ
りも屈折率の小さい材料を使用するため、従来の問題は
避けられないように思われてきたが、本発明によりサフ
ァイアに限らず、窒化物半導体よりも屈折率の小さい、
どのような基板の上にレーザ素子を作製しても、シング
ルモードで、きれいな形状のレーザ光が得られるため、
書き込み、読みとり光源として、その利用価値は非常に
大きい。また本明細書ではレーザ素子について説明した
が、本発明はレーザ素子だけでなく、ＬＥＤ素子、スー
パールミネッセントダイオードのような他の発光素子に
も適用可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例に係るレーザ素子の構造を
示す斜視図。

【図２】従来のレーザ素子の構造を示す模式断面図。

【符号の説明】

１・・・異種基板２・・・ＧａＮ下地層３・・・保護膜４・・・窒化物半導体基板１１・・・ｎ側バッファ層１２・・・クラック防止層１３・・・ｎ側クラッド層１４・・・ｎ側光ガイド層１５・・・活性層１６・・・ｐ側キャップ層１７・・・ｐ側光ガイド層１８・・・ｐ側クラッド層１９・・・ｐ側コンタクト層２０・・・ｐ電極２１・・・ｐパッド電極２２・・・ｎ電極２３・・・絶縁膜

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ｎ側とｐ側のクラッド層との間に、活性
層が形成されてなる窒化物半導体発光素子において、前
記ｎ側クラッド層は、少なくともＡｌを含む窒化物半導
体層を有する超格子よりなり、そのｎ側クラッド層全体
の厚さが０．５μｍ以上で、かつそのｎ側クラッド層に
含まれる３族元素に対するＡｌ平均組成を百分率で表し
た際に、ｎ側クラッド層全体の厚さ（μｍ）と、Ａｌ平
均組成（％）との積が４．４以上となるように構成され
ていることを特徴とする窒化物半導体発光素子。
【請求項２】前記ｎ側クラッド層の全体の厚さが０．
８μｍ以上であり、前記ｎ側クラッド層に含まれる３族
元素に対するＡｌ平均組成が５．５％以上あることを特
徴とする請求項１に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項３】前記ｎ側クラッド層の全体の厚さが１．
０μｍ以上であり、前記ｎ側クラッド層に含まれる３族
元素に対するＡｌ平均組成が５．０％以上あることを特
徴とする請求項１に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項４】前記ｎ側クラッド層の全体の厚さが１．
２μｍ以上であり、前記ｎ側クラッド層に含まれる３族
元素に対するＡｌ平均組成が４．５％以上あることを特
徴とする請求項１に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項５】前記ｐ側クラッド層は、少なくともＡｌ
を含む窒化物半導体層を有する超格子よりなり、前記ｎ
側クラッド層全体の厚さがそのｐ側クラッド層全体の厚
さよりも厚いことを特徴とする請求項１に記載の窒化物
半導体発光素子。
【請求項６】前記ｎ側とｐ側のクラッド層との間にあ
る活性層を含んだ窒化物半導体層の厚さが２００オング
ストローム以上、１．０μｍ以下の範囲にあることを特
徴とする請求項１〜６の内のいずれか１項に記載の窒化
物半導体発光素子。