WO2023238531A1 - 半導体素子 - Google Patents

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WO2023238531A1
WO2023238531A1 PCT/JP2023/016127 JP2023016127W WO2023238531A1 WO 2023238531 A1 WO2023238531 A1 WO 2023238531A1 JP 2023016127 W JP2023016127 W JP 2023016127W WO 2023238531 A1 WO2023238531 A1 WO 2023238531A1
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layer
composition
compositionally graded
formula
semiconductor element
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PCT/JP2023/016127
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English (en)
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真生 川口
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パナソニックホールディングス株式会社
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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L33/00—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L33/02—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor bodies
    • H01L33/26—Materials of the light emitting region
    • H01L33/30—Materials of the light emitting region containing only elements of Group III and Group V of the Periodic Table
    • H01L33/32—Materials of the light emitting region containing only elements of Group III and Group V of the Periodic Table containing nitrogen
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/30—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region
    • H01S5/34—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising quantum well or superlattice structures, e.g. single quantum well [SQW] lasers, multiple quantum well [MQW] lasers or graded index separate confinement heterostructure [GRINSCH] lasers
    • H01S5/343—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising quantum well or superlattice structures, e.g. single quantum well [SQW] lasers, multiple quantum well [MQW] lasers or graded index separate confinement heterostructure [GRINSCH] lasers in AIIIBV compounds, e.g. AlGaAs-laser, InP-based laser

Definitions

  • the present invention relates to a semiconductor device, and specifically relates to a semiconductor device used in a GaN-based semiconductor laser device.
  • Semiconductor lasers have excellent characteristics such as small size, low cost, and high output, so they are used in a wide range of technical fields, including IT technology such as communications and optical disks, as well as medical care and some lighting.
  • IT technology such as communications and optical disks, as well as medical care and some lighting.
  • high-output semiconductor lasers have been used particularly as light sources for processing various materials such as metals, resins, and composite carbon materials (CFRP). Processing machine systems with large optical outputs ranging from 100 watts to several kilowatts have been developed and put into practical use.
  • CFRP composite carbon materials
  • a GaAs-based near-infrared laser with a wavelength of about 1 ⁇ m and using GaAs as a semiconductor substrate has been mainly used. This is based on the fact that the technology for forming GaAs-based semiconductors has reached a high level of maturity.
  • such near-infrared wavelength lasers have the problem that processing copper materials, which are often used in EV motors, is difficult because the material reflects the laser light and no energy is input. be.
  • a light source for processing with a wavelength of 405 nm to 540 nm uses a GaN-based semiconductor laser that emits light in the blue wavelength region where copper material has a high absorption rate (low reflectance). ) is attracting attention. Against this background, there is a demand for high output operation of GaN-based semiconductor lasers.
  • the n-side nitride semiconductor layer is doped with n-type impurities at a high concentration. (about 10 19 cm -3 ) is known (Patent Document 1).
  • One embodiment of the present invention includes a substrate, two or more electron conductive layers that are sequentially stacked on the substrate, contain a group III nitride semiconductor, and have mutually different compositions, and at least one pair of adjacent electron conductive layers.
  • the composition is relatively arranged from the composition of the one electron conductive layer to the composition of the other electron conductive layer from the one electron conductive layer side to the other electron conductive layer side. and a composition gradient layer that changes toward , the composition gradient layer including a doped n-type impurity.
  • a plan view showing a semiconductor device according to an embodiment of the present invention A cross-sectional view taken along line A-B in Figure 1 and perpendicular to the paper surface.
  • Cross-sectional view of a comparative example for comparison with this embodiment Graph showing calculation results of conduction band structure in comparative example Graph showing the doping concentration dependence of the potential spike appearing in the conduction band in a comparative example Graph showing doping concentration dependence of internal optical loss of a laser device in a comparative example Graph showing calculation results of conductor band structure in this embodiment Graph showing the thickness dependence of a compositionally graded layer of potential spikes Graph showing doping concentration dependence of potential spike Graph showing the thickness dependence of a compositionally graded layer of potential spikes
  • the present invention solves the above problems, and aims to provide a semiconductor laser device that eliminates potential spikes and operates at high output and low voltage without increasing optical loss.
  • FIG. 1 and 2 are diagrams of a semiconductor device 100 according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 is a plan view of the semiconductor element 100 viewed from above.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view of the semiconductor device 100, including the optical waveguide 20, taken along line AB in FIG. 1 in a direction perpendicular to the plane of the paper.
  • the semiconductor device 100 according to this embodiment is a pn junction semiconductor device, particularly a semiconductor laser.
  • the semiconductor element 100 has a structure in which the n-side layer has a composition gradient and an n-type dopant, thereby reducing potential spikes on the conduction band side at the interfaces between layers having different compositions.
  • a semiconductor element 100 includes a semiconductor substrate 1, an n-type cladding layer 2 disposed on the semiconductor substrate 1, and an n-side first compositionally graded layer 2-2 disposed on the n-type cladding layer 2. , an n-side first optical guide layer 3 disposed on the n-side first compositionally graded layer 2-2, an n-side second compositionally graded layer 3-2 disposed on the n-side first optically guide layer 3, n An n-side second optical guide layer 4 disposed on the second compositionally graded layer 3-2, an active layer 5 disposed on the n-side second optical guide layer 4, and an electron barrier disposed on the active layer 5.
  • the semiconductor substrate 1 is, for example, an n-type hexagonal GaN substrate having a (0001) plane.
  • the n-type cladding layer 2 includes, for example, n-AlGaN.
  • the n-side first compositionally graded layer 2-2 is laminated so that, for example, the composition of Al gradually decreases, and is doped with an n-type impurity.
  • the n-side first optical guide layer 3 contains, for example, n-GaN.
  • the n-side second compositionally graded layer 3-2 is stacked so that the composition of In, for example, gradually increases, and is doped with an n-type impurity.
  • the n-side second optical guide layer 4 includes, for example, n-InGaN.
  • the active layer 5 includes, for example, an InGaN layer.
  • the p-side optical guide layer 6 contains, for example, i-GaN.
  • the electron barrier layer 7 contains, for example, p-Al 0.35 GaN.
  • the p-type cladding layer 8 includes, for example, a p-AlGaN/GaN superlattice.
  • P-type contact layer 9 contains, for example, p-GaN.
  • the semiconductor device 100 includes an insulating film 10 for insulating both sides of the optical waveguide 20 of the semiconductor device 100.
  • the insulating film 10 is, for example, SiO 2 .
  • the semiconductor device 100 includes a predetermined pattern of electrodes located on the top surface of the optical waveguide 20 .
  • the electrodes include a p-electrode 11, for example Pd/Pt, a wiring electrode 12, for example Ti/Pt/Au, and a pad electrode 13, for example Ti/Au.
  • the semiconductor device 100 includes a rear coat layer 15 disposed on the rear surface of the optical waveguide 20 and a front coat layer 14 disposed on the front surface of the optical waveguide 20.
  • the rear coat layer 15 is made of, for example, a dielectric multilayer film for reflecting light within the optical waveguide 20.
  • the front coat layer 14 is made of, for example, a dielectric multilayer film for emitting light.
  • Semiconductor element 100 includes an n-electrode 16 made of, for example, Ti/Au, disposed on the opposite surface of semiconductor substrate 1 .
  • the n-type cladding layer 2 (first layer), the n-side first optical guide layer 3 (second layer), and the n-side second optical guide layer 4 (third layer) are arranged so that electrons are emitted in the stacking direction.
  • It is an electronically conductive layer that has the function of conducting.
  • the p-side optical guide layer 6, the electron barrier layer 7, and the p-type cladding layer 8 are hole-conducting layers that have a function of conducting holes. Then, while electrons are injected from the n-electrode 16, holes are injected from the p-electrode 11. Electrons and holes are conducted through each of the above layers, recombined in the active layer 5, and converted into light.
  • Different compositions mean, for example, that group III (Al, Ga, In, B) compositions are different and/or n-type impurity doping concentrations are different, preferably group III (Al, Ga, In, , B) have different compositions.
  • the composition of group III refers to, for example, the ratio (ratio of the number of atoms) of each element constituting group III.
  • Examples of different Group III compositions include a difference in Al or In composition between adjacent electron conductive layers of 0.5% or more, and a more effective configuration of 3%.
  • a first compositionally graded layer 2-2 doped with n-type impurities is arranged between the n-type cladding layer 2 and the n-side first optical guide layer 3.
  • a second compositionally graded layer 3-2 doped with n-type impurities is arranged between the n-side first optical guide layer 3 and the n-side second optical guide layer 4.
  • the first compositionally graded layer 2-2 is arranged between the n-type cladding layer 2 and the n-side first optical guide layer 3, and extends from the n-type cladding layer 2 side toward the n-side first optical guide layer 3 side. Therefore, the composition changes relatively from the composition of the n-type cladding layer 2 to the composition of the n-side first optical guide layer 3.
  • the composition relatively changes from the composition of the n-type cladding layer 2 to the composition of the n-side first optical guide layer 3 means that in the first compositionally graded layer 2-2, the n-type This means that the composition gradually changes from a composition close to that of the cladding layer 2 to a composition close to that of the n-side first optical guide layer 3.
  • the composition change may be positive, negative, or zero in the second order differential value of the composition change amount with respect to the film thickness, but it is preferable that the composition change decreases monotonically. By monotonically decreasing the composition, it is possible to spatially distribute the fixed charges caused by the tensile strain of AlGaN, which is the source of spikes.
  • the Al composition of the first compositionally graded layer 2-2 decreases from the n-type cladding layer 2 side toward the n-side first optical guide layer 3 side.
  • the composition of Al indicates the ratio of the number of atoms occupied by Al atoms in the group III elements.
  • the composition near the boundary between the first compositionally graded layer 2-2 and the adjacent layer may be the same (continuous) or different (discontinuous) from the composition of the adjacent layer.
  • the Al composition near the boundary between the first compositionally graded layer 2-2 and the n-type cladding layer 2 may be the same as the Al composition of the n-type cladding layer 2, or may be greater than that. It may be good or it may be less, and it is preferably the same as the composition of Al in the n-type cladding layer 2 or less than that.
  • composition of Al near the boundary between the first compositionally graded layer 2-2 and the n-side first optical guide layer 3 may be the same as the Al composition of the n-side first optical guide layer 3, or may be more It may be more or less, and it is preferably the same as or less than the composition of Al of the n-side first optical guide layer 3.
  • n-type impurities doped into the first compositionally graded layer 2-2 include Group IVB and Group VIB elements such as Si, Ge, Se, S, and O. Among these, Si, Ge, and O are preferable, and Si is more preferable.
  • the doping concentration of n-type impurities in the n-side first compositionally graded layer 2-2 depends on the thickness of the first compositionally graded layer 2-2, but is preferably 2 ⁇ 10 18 cm ⁇ 3 or less, for example, 1 ⁇ It is best to set it to about 10 18 cm -3 .
  • the thickness of the first compositionally graded layer 2-2 is preferably 15 nm or more, more preferably 50 nm or more, although it depends on the doping concentration of the n-type impurity.
  • the upper limit of the thickness of the first compositionally graded layer 2-2 is not particularly limited, and is, for example, 100 nm.
  • the second compositionally graded layer 3-2 is disposed between the n-side first optical guide layer 3 and the n-side second optical guide layer 4, and is arranged from the n-side first optical guide layer 3 side to the n-side second optical guide layer.
  • the composition changes from the composition of the n-side first optical guide layer 3 to the composition of the n-side second optical guide layer 4 toward the fourth side.
  • the composition relatively changes from the composition of the n-side first optical guide layer 3 to the composition of the n-side second optical guide layer 4" means that in the second compositionally graded layer 3-2, , means that the composition gradually changes from a composition close to the composition of the n-side first optical guide layer 3 to a composition close to the composition of the n-side second optical guide layer 4.
  • the composition change may be a positive, negative, or zero second-order differential value of the composition change amount (in this embodiment, the composition change amount of In) with respect to the thickness, but in this embodiment, it is negative, that is, monotonous. It is preferable to increase it to .
  • the In composition of the second compositionally graded layer 3-2 increases from the n-side first optical guide layer 3 side toward the n-side second optical guide layer 4 side.
  • the composition of In (In composition) refers to the ratio of the number of atoms occupied by In atoms in group III elements.
  • the composition near the boundary between the second compositionally graded layer 3-2 and the adjacent layer may be the same as or different from the composition of the adjacent layer.
  • the In composition near the boundary between the second compositionally graded layer 3-2 and the n-side first optical guide layer 3 may be the same as the In composition of the n-side first optical guide layer 3, It may be more or less than that; it is preferably the same as or less than the In composition of the n-side first optical guide layer 3.
  • the In composition near the boundary between the second compositionally graded layer 3-2 and the n-side second optical guide layer 4 may be the same as the In composition of the n-side second optical guide layer 4, or may be lower than that. It may be more or less; it is preferably the same as or less than the In composition of the n-side second optical guide layer 4.
  • the doping concentration and thickness of the second compositionally graded layer 3-2 may be the same as or similar to the doping concentration and thickness of the first compositionally graded layer 2-2.
  • the composition is graded by providing a compositionally graded region as described above, it becomes possible to make the fixed charge spatially nearly uniformly distributed, and the electric field strength becomes smaller. Furthermore, by doping the compositionally gradient region with n-type doping, it becomes possible to assist electron conduction, and the electric field strength can be effectively reduced. That is, by providing the compositionally graded layer doped with n-type impurities, the optical output can be increased without increasing the internal optical loss of the semiconductor element 100.
  • compositional change is defined as a monotonically increasing or decreasing composition, but if the composition as a whole is substantially increasing or decreasing monotonically, the composition will remain constant or the composition will slightly increase within the composition. It does not matter if it has a region.
  • compositionally graded layers the specific configurations of the first compositionally graded layer 2-2 and the second compositionally graded layer 3-2 (hereinafter also collectively referred to as “compositionally graded layers") in this embodiment will be compared with a comparative example. I will explain while doing so.
  • FIG. 3 shows, as a comparative example, a structure in which the composition gradient layer shown in 2-2 and 3-2 is not included in the embodiment shown in FIG. Note that the top view of the semiconductor device of the comparative example is the same as that in FIG. 1, and therefore will be omitted.
  • the structure is the same as the embodiment shown in FIG. 1 except for the presence or absence of the doped compositionally graded layer, so description of the layer structure and the like will be omitted.
  • the Al and In compositions in this application refer to the ratio (atomic %) of the number of atoms occupied by Al and In atoms in the group III elements of each layer.
  • FIG. 4 shows a band structure diagram on the conduction band side between CD in FIG. 3 when 4V is applied as a bias voltage to the pn junction in the comparative example shown in FIG.
  • the notations such as n-AlGaN in FIG. corresponds to the two optical guide layers 4.
  • the figure shows an example in which the Al composition in group III of the AlGaN layer is 2.6%, the In composition in group III of the InGaN layer is 3%, and the Si doping concentration of the AlGaN layer and the GaN layer is 1 ⁇ 10 18 This is the calculation result when cm ⁇ 3 is used.
  • the upper part of FIG. 4 shows the location dependence of Al and In compositions and Si doping concentration.
  • spike A the spike at the n-AlGaN/n-GaN interface
  • spike B the n-GaN/n-InGaN interface
  • electrons are injected from the n-electrode 16 and holes are injected from the p-electrode 11, which traverse each layer on the way, recombine in the active layer 5, and are converted into light.
  • the n-type cladding layer 2 made of n-AlGaN and the n-side first optical guide layer 3 made of n-GaN is effective to increase the doping concentration of the n-type cladding layer 2 made of n-AlGaN and the n-side first optical guide layer 3 made of n-GaN.
  • the Si doping concentration of the n-type cladding layer 2 made of n-AlGaN and the n-side first optical guide layer 3 made of n-GaN is set to 1 ⁇ 10 18 cm ⁇ 3 to 1 ⁇ 10 19 cm.
  • the results of the inventors' calculations of the values of potential spikes A and B when the value is changed to -3 are shown. It can be seen that the potential spike decreases with the doping concentration, and when doping is 5 ⁇ 10 18 cm -3 or more, the spike becomes sufficiently low at about 0.05 eV. However, such high concentration doping also has problems.
  • FIG. 5B shows the inside of the laser element when the doping concentrations of the n-type cladding layer 2 made of n-AlGaN and the n-side first optical guide layer 3 made of n-GaN are changed in the comparative example shown in FIG. Shows the calculated value of optical loss.
  • the internal optical loss was determined by measuring the refractive index and optical extinction coefficient of each layer using spectroscopic ellipsometry, and applying this to the scalar wave equation.
  • the transfer matrix method is used to easily solve the wave equation.
  • the internal optical loss increases significantly when the Si doping concentration exceeds 2 ⁇ 10 18 cm -3 , and at 1 ⁇ 10 19 cm -3 it is twice as large as that at 1 ⁇ 10 18 cm -3 . increase to a certain degree.
  • the optical output of the laser decreases due to internal optical loss, it is preferable to set it to about less than 3 cm ⁇ 1 .
  • the doping concentration is preferably about 5 ⁇ 10 18 cm ⁇ 3 or less, more preferably about 2 ⁇ 10 18 cm ⁇ 3 or less.
  • FIG. 6 shows calculation results of the band structure and potential spike in an example of this embodiment.
  • the upper part of FIG. 6 shows the location dependence of Al, In composition, and Si doping concentration.
  • the solid line shows the composition and concentration profile without the composition gradient layer (comparative example), and the dotted line shows the composition and concentration profile in the case where the composition gradient layer was doped (example). Note that the example is a calculation result when the thickness of the compositionally graded layer is 50 nm and the Si doping concentration is 1 ⁇ 10 18 cm ⁇ 3 , and other conditions (bias voltage, etc.) are the same as in the comparative example.
  • the potential spike is reduced due to the composition gradient of the composition gradient layer and Si doping, and a reduction in the operating voltage is expected. Specifically, spikes A are reduced by the first compositionally graded layer 2-2, and spikes B are reduced by the second compositionally graded layer 3-2.
  • FIG. 7 summarizes the results of calculations of potential spikes A and B when the thickness and Si doping concentration of the compositionally graded layer shown in FIG. 6 were variously changed in the example.
  • the potential spike is reduced when the compositionally graded layer has a high doping concentration and a thick thickness.
  • the potential spike is 0.2 eV or less (approximately 0.2 V increase in operating voltage).
  • the thickness of the compositionally graded layer is 40 nm or more, and when the doping concentration is 1.0 ⁇ 10 18 cm -3 , the thickness is 20 nm or more, 2.0 ⁇ 10 18 cm. -3 , it is desirable to set it to 10 nm or more.
  • the thickness of the compositionally graded layer is preferably 50 nm or more.
  • the doping concentration is preferably 2 ⁇ 10 18 cm ⁇ 3 or less from the doping concentration dependence of the internal optical loss of the laser element shown in FIG. 5B.
  • the lower limit of the doping concentration may be, for example, about 5 ⁇ 10 17 cm ⁇ 3 , although it depends on the group III composition.
  • FIG. 8A and 8B are redrawn contour maps of the dependence of the potential spike amount on the thickness of the compositionally graded layer and doping concentration in FIG. 7, divided into potential spikes A (FIG. 8A) and B (FIG. 8B). It is.
  • the two dotted lines in each figure correspond to lines with spike amounts of 0.1 eV and 0.2 eV, respectively.
  • each spike is preferably 0.2 eV or less, more preferably 0.1 eV or less. From FIGS. 8A and 8B, a combination of doping concentration and compositionally graded layer thickness that can reduce potential spikes can be visually confirmed. The upper right region in each figure is a region with small spikes. When the doping concentration is high and the thickness of the compositionally graded layer is large, the spikes are reduced.
  • the spike is 0.2 eV or less in the upper right region of the figure surrounded by the following two straight lines (the region where d and c take values larger than the following straight line equations). ) is the case where the thickness d and doping concentration c of the first compositionally graded layer 2-2 are set.
  • the spike is 0.1 eV or less in the upper right region of the figure surrounded by the following three straight lines (values where d and c are larger than the equation of the following straight lines). This is a case where the thickness d and doping concentration c of the first compositionally graded layer 2-2 are set in the region where .
  • the thickness d and doping concentration c of the first compositionally graded layer 2-2 are set to satisfy formula (1) or (2). , it is more preferable to set it to satisfy any one of formulas (3) to (5).
  • the spike is 0.2 eV or less in the upper right region of the figure surrounded by the following four straight lines (the region where d and c take values larger than the following straight line equations). ) is the case where the thickness d and doping concentration c of the second compositionally graded layer 3-2 are set.
  • the spike becomes 0.1 eV or less in the upper right region of the figure surrounded by the following three straight lines (values where d and c are larger than the equation of the following straight lines). This is a case where the thickness d and doping concentration c of the second compositionally graded layer are set in the region where .
  • the thickness d and doping concentration c of the second compositionally graded layer 3-2 are set to satisfy any one of formulas (6) to (9). is preferable, and more preferably set to satisfy any one of formulas (10) to (12).
  • the wurtzite GaN-based materials (AlGaN, GaN, InGaN, etc.) constituting the GaN-based semiconductor laser device are characterized by a large polarization charge determined by the symmetry of the crystal.
  • AlGaN is stacked on GaN
  • negative fixed charges are formed on the front surface
  • positive fixed charges are formed on the back surface of the C(0001) plane.
  • Polarization is the sum of the spontaneous polarization determined by the film composition and the piezo polarization determined by the strain in the film, but since AlGaN is formed on GaN with strain, the fixed charge is higher in AlGaN than in GaN. growing.
  • the semiconductor device 100 in the semiconductor device 100 according to the present embodiment, at least some of the adjacent electron conductive layers (between the n-type cladding layer 2 and the n-side first optical guide layer 3, the n-side first optical guide layer 3 and the n-side second optical guide layer 4), and compositionally graded layers (first compositionally graded layer 2-2 and second compositionally graded layer 3-2) containing doped n-type impurities; has.
  • the spatial distribution of fixed charges can be distributed and the distribution of free electrons/holes can be distributed.
  • the band potential can be effectively reduced or eliminated.
  • a compositionally graded layer doped with n-type impurities it is possible to reduce potential spikes and lower the operating voltage, thereby increasing optical output without having to perform high-concentration doping that causes laser light absorption. It can be improved.
  • an n-type hexagonal GaN substrate 1 whose main surface is a (0001) plane is prepared.
  • films from an n-type cladding layer 2 to a p-type contact layer 9 are continuously formed using, for example, a metalorganic chemical vapor deposition (MOCVD) method.
  • MOCVD metalorganic chemical vapor deposition
  • an n-type cladding layer 2 containing Al 0.03 GaN is laminated to a thickness of, for example, 0.5 to 5 ⁇ m, preferably about 3 ⁇ m.
  • trimethyl gallium (TMG), trimethyl indium (TMI), trimethyl aluminum (TMA) is used as a group III raw material
  • silane is used as an n-type impurity
  • ammonia is used as a group V raw material.
  • the Si doping concentration of the n-type cladding layer 2 containing n-AlGaN is preferably about 1 ⁇ 10 18 cm ⁇ 3 , for example.
  • the first compositionally graded layer 2-2 containing n-AlGaN is laminated while decreasing the Al composition from 3% to 0% over about 50 nm, for example.
  • the amount of Al raw material (TMA) supplied may be gradually reduced.
  • the TMA supply amount may be kept constant and the Ga raw material (TMG) supply amount may be gradually increased.
  • the composition may be substantially reduced in a synchronized manner by supplying the Al raw material in a pulsed manner and gradually decreasing the DUTY.
  • the compositional changes, the composition of Al near the boundary with adjacent layers, and the doping concentration of n-type impurities are as described above.
  • n-GaN constituting the n-side first optical guide layer 3 is grown to a thickness of, for example, 0.05 to 0.5 ⁇ m, preferably about 0.25 ⁇ m.
  • the Si doping concentration of the n-side first optical guide layer 3 containing n-GaN is preferably about 1 ⁇ 10 18 cm ⁇ 3 .
  • n-InGaN constituting the second compositionally graded layer 3-2 is laminated while gradually increasing the In composition from the n-GaN layer side of the n-side first optical guide layer 3.
  • a method for increasing the composition may be to gradually increase the amount of In raw material (TMI) supplied.
  • the supply amount of Ga raw material (TMG) may be gradually decreased while the TMIn supply amount is kept constant.
  • the composition may be substantially continuously increased by supplying In raw materials in a pulsed manner and gradually increasing the DUTY.
  • the In composition may be increased by gradually lowering the growth temperature while keeping the TMI and TMG supply amounts constant. In the temperature range of 800° C., the composition changes, the In composition near the boundary with the adjacent layer, and the doping concentration of the n-type impurity are as described above at a low temperature of about 20° C.
  • n-side second optical guide layer 4 containing n-InGaN is formed on the second compositionally graded layer 3-2.
  • the thickness of the n-side second optical guide layer 4 is, for example, 10 to 500 nm, preferably about 200 nm.
  • a quantum well active layer consisting of two periods of an In 0.03 GaN barrier layer and an In 0.18 GaN quantum well layer is grown.
  • a first In 0.03 GaN barrier layer is grown to a thickness of 20 nm.
  • a first In 0.18 GaN quantum well layer is grown to a thickness of about 3.0 nm.
  • a second In 0.08 GaN barrier layer is grown to a thickness of about 10 nm, and then a second InGaN well layer is grown to a thickness of 3.0 nm.
  • a third second In 0.03 GaN barrier layer is grown to a thickness of 10 nm.
  • the thickness of each barrier layer be limited to about 40 nm at most. Further, in the above example, the thickness is constant at 10 nm, but from the viewpoint of uniformity of carrier injection, the thicknesses of the first to third barrier layers may be different.
  • a layer consisting of an i-InGaN layer, i-GaN or i-AlGaN, or a combination of these layers constituting the p-side optical guide layer 6 is laminated to a thickness of about 0.2 ⁇ m.
  • the refractive index decreases from the active layer 5 side to the n-type cladding layer 2 side. That is, by configuring the guide layer in the order of InGaN, GaN, and AlGaN from the side closest to the active layer 5, optical confinement can be increased.
  • p-Al 0.35 GaN (Mg concentration 5 ⁇ 10 19 cm ⁇ 3 ) constituting the electron barrier layer 7 is laminated.
  • p-AlGaN layer for example, cyclopentadienylmagnesium (Cp2Mg) is preferably used so that the Mg concentration is 5 ⁇ 10 19 cm ⁇ 3 .
  • a p-type cladding layer 8 consisting of a p-Al 0.03 GaN layer with a thickness of 600 nm is laminated, for example, with an Mg concentration of 1 ⁇ 10 19 cm ⁇ 3 .
  • a p-contact layer 9 containing p-GaN having a thickness of 10 nm is laminated with an Mg concentration of 1 ⁇ 10 20 cm ⁇ 3 .
  • the grown wafer is processed into a ridge stripe type laser.
  • the upper part of the stacked structure is etched to a depth of 1.0 ⁇ m using the SiO 2 insulating film, and the upper part of the p-type contact layer 9 and the p-type cladding layer 8 is etched. From this, a ridge stripe portion constituting the optical waveguide 20 is formed. Thereafter, the second mask film is removed using hydrofluoric acid, and a layer of SiO 2 with a thickness of 200 nm is deposited over the entire surface of the exposed p-type cladding layer 8, including the ridge stripe portion, by thermal CVD again. The insulating film 10 is formed again.
  • ICP inductively coupled plasma
  • a resist pattern having an opening having a width of 15.5 ⁇ m along the ridge stripe portion is formed on the upper surface of the ridge stripe portion (optical waveguide 20) in the insulating film 10 by a lithography method.
  • the SiO 2 insulating film is etched using the resist pattern as a mask by reactive ion etching (RIE) using, for example, trifluoromethane (CHF 3 ) gas, and the upper surface of the ridge stripe portion is etched.
  • RIE reactive ion etching
  • CHF 3 trifluoromethane
  • palladium (Pd) with a thickness of 40 nm and palladium (Pd) with a thickness of 35 nm are deposited on the p-type contact layer 9 exposed from at least the upper surface of the ridge stripe portion.
  • a metal laminated film constituting the p-electrode 11 made of platinum (Pt) is formed.
  • the p-electrode 11 is formed by removing the metal laminated film in the area other than the upper part of the ridge stripe by a lift-off method for removing the resist pattern.
  • wiring electrodes 12 are selectively formed using a lithography method and a lift-off method.
  • the wiring electrode 12 covers the p-electrode 11 above the ridge stripe portion on the insulating film 10 .
  • the wiring electrode 12 has, for example, a plane dimension of 750 ⁇ m in a direction parallel to the ridge stripe portion, and a plane dimension of 150 ⁇ m in a direction perpendicular to the ridge stripe portion.
  • the wiring electrode 12 is made of, for example, Ti/Pt/Au.
  • the wiring electrodes 12 are formed of metal laminated films of titanium (Ti)/platinum (Pt)/gold (Au) with thicknesses of 50 nm, 200 nm, and 100 nm, respectively. Note that, generally, a plurality of laser devices are formed in a matrix on the main surface of a wafer. Therefore, if the wiring electrode 12 is cut when dividing the substrate in a wafer state into individual laser chips, there is a risk that the p-electrode 11 that is in close contact with the wiring electrode 12 may be peeled off from the p-type contact layer 9. Therefore, as shown in FIG. 1, it is desirable that the wiring electrodes 12 are not connected between adjacent chips.
  • an Au layer having a thickness of, for example, 10 ⁇ m is formed on the wiring electrode 12 by electrolytic plating to form the pad electrode 13.
  • the laser chip can be mounted by wire bonding, and the heat generated in the active layer 5 can be effectively dissipated, so that the reliability of the semiconductor element 100 can be improved.
  • the back surface of the semiconductor element 100 in wafer state, on which the Au pad electrodes have been formed is polished with diamond slurry to reduce the thickness of the semiconductor substrate 1 to about 100 ⁇ m.
  • Ti with a thickness of 5 nm, platinum with a thickness of 10 nm, and Au with a thickness of 1000 nm are deposited on the back surface of the semiconductor substrate 1 (the surface opposite to the surface on which the optical waveguide 20 is formed).
  • the n-electrode 16 is formed by forming a metal laminated film consisting of the following.
  • the semiconductor element 100 in a wafer state is cleaved along the m-plane (primary cleavage) so that the length in the m-axis direction is, for example, 1200 ⁇ m.
  • a front coat film 14 is formed on the cleavage plane from which the laser beam is emitted, and a rear coat film 15 is formed on the opposite cleavage plane.
  • a dielectric film such as a SiO 2 single layer film is used as the material for the front coat film 14.
  • a dielectric film such as a ZrO 2 /SiO 2 laminated film is used, for example.
  • a highly efficient semiconductor element 100 can be configured. I can do it.
  • the semiconductor device 100 that has been subjected to the primary cleavage is cleaved along the a-plane (secondary cleavage) between the optical waveguides 20 whose lengths in the a-axis direction are formed at a pitch of 200 ⁇ m, for example, to perform laser cleavage.
  • the chip is completed.
  • the semiconductor element 100 has the layer structure shown in FIG. 2, but the structure is not limited to this.
  • the number of electron conductive layers is two, but it may be one, or three or more.
  • the semiconductor device 100 includes a substrate 1, an n-type cladding layer 2, a doped first compositionally graded layer 2-2, an n-side first optical guide layer 3, an active layer 5, a p-side optical guide layer 6, and a p-type It suffices if it has at least the cladding layer 8.
  • the number of compositionally graded layers is two, but it may be set according to the layer configuration of the semiconductor element 100, and the number may be one, or there may be three or more. .
  • the second compositionally graded layer 3-2 may not be provided.
  • the first compositionally graded layer 2-2 is arranged between the n-type cladding layer 2 containing AlGaN and the n-side first optical guide layer 3 containing GaN.
  • a second compositionally graded layer 3-2 is disposed between the n-side first optical guide layer 3 containing GaN and the n-side second optical guide layer 4 containing InGaN.
  • the present invention is not limited to this, and a compositionally graded layer may be disposed, for example, between a layer containing AlInGaN and a layer containing GaN. The In composition or Al composition of the compositionally graded layer may decrease toward the GaN interface.
  • the present embodiment describes a GaN-based material
  • other material systems that generate polarization by stacking layers with different compositions, such as AlGaAs/InGaAs on GaAs, InGaAsP on InP, AlGaAsP on GaSb, etc. It may be GaInSb or the like. That is, the type of group V of the group III-group V semiconductor, the type of group III, their combination, and their ratio may be changed.
  • n-type impurity doping and compositional gradient are performed in the n-side layer, but similar p-type impurity doping and compositional gradient may be performed in the p-side layer.
  • the chip is divided into widths of 200 ⁇ m, but an array element in which a plurality of light emitting elements are successively formed may also be used.
  • a pn junction type semiconductor laser has been described, but if it has a structure in which electron conduction occurs in the stacking direction and has potential in layers with different compositions, a pn junction type semiconductor LED or a unipolar electron conduction type laser can be used. A quantum cascade laser may also be used.
  • the MOCVD method is used as the crystal growth method when forming the layered structure, but for example, molecular beam epitaxy (MBE) is used.
  • MBE molecular beam epitaxy
  • a growth method capable of growing a GaN-based blue-violet semiconductor laser structure may be used, such as a chemical beam epitaxy (CBE) method or a chemical beam epitaxy (CBE) method.

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Abstract

本発明の半導体素子は、基板と、前記基板上で順に積層され、ＩＩＩ族窒化物半導体を含み、互いに組成が異なる２以上の電子伝導性層と、少なくとも一対の隣り合う前記電子伝導性層の間に配置され、一方の前記電子伝導性層側から他方の前記電子伝導性層側に向かって、組成が相対的に前記一方の電子伝導性層の組成から前記他方の電子伝導性層の組成へと近づくように変化する組成傾斜層とを有する。組成傾斜層は、ドーピングされたｎ型不純物をさらに含む。

Description

半導体素子
　本発明は、半導体素子に関し、詳細には、ＧａＮ系半導体レーザ装置に使用される半導体素子に関する。
　半導体レーザは、小型、安価、高出力などの優れた特徴をもつことから、通信、光ディスクなどのＩＴ技術のほか、医療、一部照明など、幅広い技術分野で用いられている。近年では特に、金属、樹脂、複合炭素材（ＣＦＲＰ）といった様々な材料の加工光源用途に高出力半導体レーザが用いられ、とりわけ、複数のレーザ発光点を束ねて高出力化する光合成技術により、数百ワットから数キロワットといった大光出力を有する加工機システムが開発され、実用に供されている。
　ここで、従来、加工用半導体レーザ光源は、波長１μｍ程度の、ＧａＡｓを半導体基板に用いるＧａＡｓ系近赤外レーザが主に用いられてきた。これは、ＧａＡｓ系半導体の形成技術が高いレベルで成熟していること依拠している。ところが、このような近赤外波長のレーザには、ＥＶモータ等に多用される銅材料の加工が、材料がレーザ光を反射してしまい、エネルギーが入熱しないために困難であるという問題がある。このことから、銅材料の吸収率が大きい（反射率が低い）青色波長域で発光する、ＧａＮ系半導体レーザを用いた波長４０５ｎｍ～５４０ｎｍの加工用光源（「半導体素子」、「半導体発光素子」ともいう）が注目されている。このような背景から、ＧａＮ系半導体レーザを高出力動作させることが求められている。
　このような高出力動作時には、低出力動作時に比べて電力消費量が大きくなるが、環境負荷を低減するためには、低消費電力化（エネルギー効率の向上）がことのほか重要になる。半導体レーザを低消費電力かつ高出力化するためには、投入した電力を効率よく光に変換する必要がある。そこで、投入したエネルギーのうちレーザ光に変換された割合を示す、電力光変換効率を高めることが肝要である。これは、投入電力を高効率に光に変換することで、光出力を増すことができるだけでなく、余剰エネルギーが熱に変わることを防ぐことも可能となり、発熱に起因する光出力低下や、長期信頼性特性に対する悪影響を低減することが出来るためである。
　これに対し、高出力化を実現する方法として、ｎ側窒化物半導体層、活性層およびｐ側窒化物半導体層を有する窒化物半導体素子において、ｎ側窒化物半導体層にｎ型不純物を高濃度（１０１９ｃｍ－３程度）にドーピングする技術が知られている（特許文献１）。
特開２００４－２４４０１３号公報
　本発明の一態様は、基板と、前記基板上で順に積層され、ＩＩＩ族窒化物半導体を含み、互いに組成が異なる２以上の電子伝導性層と、少なくとも一対の隣り合う前記電子伝導性層の間に配置され、一方の前記電子伝導性層側から他方の前記電子伝導性層側に向かって、組成が相対的に前記一方の電子伝導性層の組成から前記他方の電子伝導性層の組成へと近づくように変化する組成傾斜層とを有し、前記組成傾斜層は、ドーピングされたｎ型不純物を含む、半導体素子に関する。
本発明の一実施形態に係る半導体素子を示す平面図 図１のＡ－Ｂ線に切って紙面に垂直な方向に切って見た断面図 本実施形態と対比するための比較例の断面図 比較例における伝導帯バンド構造の計算結果を示すグラフ 比較例における伝導帯バンドに現れるポテンシャルスパイクのドーピング濃度依存性を示すグラフ 比較例におけるレーザ素子の内部光損失のドーピング濃度依存性を示すグラフ 本実施形態における伝導体バンド構造の計算結果を示すグラフ ポテンシャルスパイクの組成傾斜層の厚み依存性を示すグラフ ポテンシャルスパイクのドーピング濃度依存性を示すグラフ ポテンシャルスパイクの組成傾斜層の厚み依存性を示すグラフ
　発明者らの検討によれば、ＧａＮ系半導体レーザにおいて、ｎ側層を構成する各層の界面、具体的には、ｎ側ＡｌＧａＮクラッド層とｎ側ＧａＮガイド層との間、ｎ側ＧａＮガイド層とｎ側ＩｎＧａＮガイド層との間に、電子注入の妨げとなることで動作電圧を上昇させる、ポテンシャルスパイクが生じることが明らかとなった。このようなポテンシャルスパイクは、上記特許文献１のように、ｎ側層を高濃度（１０１９ｃｍ－３程度）にドーピングすることで減少させることができると考えられる。ところが、発明者らの検討によれば、このような高濃度のドーピングをレーザ素子に実施すると、光とキャリアの相互作用により、光損失の起源となり、光出力を減じてしまう。このように、動作電圧を低減するためには、高濃度のドーピングが必要であるが、高濃度のドーピングをすると、光出力が低下してしまうというトレードオフの問題がある。
　本発明は前記課題を解決するものであり、光損失を増加させることなく、ポテンシャルスパイクを解消して、高出力かつ低電圧動作する半導体レーザ素子を提供することを目的とする。
　以下、具体的に本発明の好ましい実施形態について説明する。
　（実施形態１）
　１．半導体素子
　以下、本発明の一実施形態にかかる半導体素子１００について説明する。本実施形態においては、半導体素子１００の実施例として、六方晶ＩＩＩ族窒化物半導体を用いる青色（波長４４５ｎｍ）半導体レーザを用いて説明する。以下、図を参照しながら説明する。
　図１および図２は、本発明の一実施形態にかかる半導体素子１００の図である。図１は、半導体素子１００を上面方向から見た平面図である。図２は、半導体素子１００を、光導波路２０を含んで、図１のＡ－Ｂに沿って紙面に垂直な方向に切って見た断面図である。本実施形態にかかる半導体素子１００は、ｐｎ接合半導体素子、特に半導体レーザである。半導体素子１００は、ｎ側層に組成傾斜およびｎ型ドーパントを有することで、組成が相違する各層の界面における、伝導帯側のポテンシャルスパイクを低減する構造を有する。
　まず、半導体素子１００の簡単な構成について説明する。
　図１および図２において、半導体素子１００は、半導体基板１、半導体基板１上に配されたｎ型クラッド層２、ｎ型クラッド層２上に配されたｎ側第１組成傾斜層２－２、ｎ側第１組成傾斜層２－２上に配されたｎ側第１光ガイド層３、ｎ側第１光ガイド層３上に配されたｎ側第２組成傾斜層３－２、ｎ側第２組成傾斜層３－２上に配されたｎ側第２光ガイド層４、ｎ側第２光ガイド層４上に配された活性層５、活性層５上に配された電子障壁層７、電子障壁層７上に配されたｐ型クラッド層８、および、ｐ型クラッド層８上に配されたｐ型コンタクト層９を含む。半導体基板１は、例えば（０００１）面であるｎ型六方晶ＧａＮ基板である。ｎ型クラッド層２は、例えばｎ－ＡｌＧａＮを含む。ｎ側第１組成傾斜層２－２は、例えばＡｌの組成が徐々に低下するように積層され、ｎ型不純物でドーピングされている。ｎ側第１光ガイド層３は、例えばｎ－ＧａＮを含む。ｎ側第２組成傾斜層３－２は、例えばＩｎの組成が徐々に上昇するように積層され、ｎ型不純物でドーピングされている。ｎ側第２光ガイド層４は、例えばｎ－ＩｎＧａＮを含む。活性層５は、例えばＩｎＧａＮ層を含む。ｐ側光ガイド層６は、例えばｉ－ＧａＮを含む。電子障壁層７は、例えばｐ－Ａｌ０．３５ＧａＮを含む。ｐ型クラッド層８は、例えばｐ－ＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子を含む。ｐ型コンタクト層９は、例えばｐ－ＧａＮを含む。
　半導体素子１００は、半導体素子１００の光導波路２０の両側を絶縁するための絶縁膜１０を含む。絶縁膜１０は、例えばＳｉＯ２である。半導体素子１００は、光導波路２０の最上面に位置する所定パターンの電極を含む。電極は、例えばＰｄ／Ｐｔであるｐ電極１１、例えばＴｉ／Ｐｔ／Ａｕである配線電極１２、例えばＴｉ／Ａｕであるパッド電極１３を含む。半導体素子１００は、光導波路２０の後面に配されたリアコート層１５と、光導波路２０の前面に配されたフロントコート層１４とを含む。リアコート層１５は、光導波路２０内の光を反射するための例えば誘電体多層膜で構成されている。フロントコート層１４は、光を放射するための、例えば誘電体多層膜で構成されている。半導体素子１００は、半導体基板１の反対側の面に配された、例えばＴｉ／Ａｕであるｎ電極１６を含む。
　上記半導体素子１００において、ｎ型クラッド層２（第１層）、ｎ側第１光ガイド層３（第２層）およびｎ側第２光ガイド層４（第３層）は、積層方向に電子を伝導する機能を担う電子伝導性層である。一方、ｐ側光ガイド層６、電子障壁層７およびｐ型クラッド層８は、正孔を伝導する機能を担う正孔伝導性層である。そして、ｎ電極１６から電子が注入される一方、ｐ電極１１から正孔が注入される。電子および正孔は、上記各層を伝導されて、活性層５において再結合し、光に変換される。
　２以上の電子伝導性層であるｎ型クラッド層２、ｎ側第１光ガイド層３およびｎ側第２光ガイド層４は、ＩＩＩ族窒化物半導体を含み、かつ組成は互いに異なっている。組成が互いに異なるとは、例えばＩＩＩ族（Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ、Ｂ）の組成が互いに異なること、および／またはｎ型不純物ドーピング濃度が異なることをいい、好ましくはＩＩＩ族（Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ、Ｂ）の組成が互いに異なることをいう。ＩＩＩ族の組成とは、例えばＩＩＩ族を構成する各元素の比率（原子数の割合）をいう。ＩＩＩ族の組成が異なる例には、隣り合う電子伝導性層間のＡｌまたはＩｎ組成の差が０．５％以上、より効果を発揮する構成として３％であることが含まれる。ｎ型クラッド層２とｎ側第１光ガイド層３との間には、ｎ型不純物がドーピングされた第１組成傾斜層２－２が配置されている。ｎ側第１光ガイド層３とｎ側第２光ガイド層４との間には、ｎ型不純物がドーピングされた第２組成傾斜層３－２が配置されている。
　第１組成傾斜層２－２について：
　第１組成傾斜層２－２は、ｎ型クラッド層２とｎ側第１光ガイド層３の間に配置されており、ｎ型クラッド層２側からｎ側第１光ガイド層３側に向かって、組成が相対的にｎ型クラッド層２の組成からｎ側第１光ガイド層３の組成へと近づくように変化している。
　ここで、「組成が相対的にｎ型クラッド層２の組成からｎ側第１光ガイド層３の組成へと近づくように変化する」とは、第１組成傾斜層２－２において、ｎ型クラッド層２の組成に近い組成からｎ側第１光ガイド層３の組成に近い組成へと徐々に変化することを意味する。組成変化は、膜厚に対する組成変化量の二階微分値が正、負、ゼロの何れであってもかまわないが、単調に減少することが好ましい。単調に組成減少させることで、スパイクの起源となる、ＡｌＧａＮの伸張歪に起因する固定電荷を空間的により分配しやすくすることができる。本実施形態では、第１組成傾斜層２－２のＡｌの組成は、ｎ型クラッド層２側からｎ側第１光ガイド層３側に向かって減少している。本願明細書において、Ａｌの組成（Ａｌ組成）とは、ＩＩＩ族元素においてＡｌ原子が占める原子数の割合を示す。
　第１組成傾斜層２－２の隣接する層との境界付近の組成は、当該隣接する層の組成と同じであってもよいし（連続的）、異なってもよい（非連続的）。例えば、第１組成傾斜層２－２のｎ型クラッド層２との境界付近のＡｌの組成は、ｎ型クラッド層２のＡｌの組成と同じであってもよいし、それよりも多くてもよいし、少なくてもよく、ｎ型クラッド層２のＡｌの組成と同じであるか、それよりも少ないことが好ましい。
　第１組成傾斜層２－２のｎ側第１光ガイド層３との境界付近のＡｌの組成は、ｎ側第１光ガイド層３のＡｌの組成と同じであってもよいし、それよりも多くてもよいし、少なくてもよく、ｎ側第１光ガイド層３のＡｌの組成と同じであるか、それよりも少ないことが好ましい。
　第１組成傾斜層２－２にドーピングされるｎ型不純物の例には、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｅ、Ｓ、Ｏなどの第ＩＶＢ族、ＶＩＢ族元素が含まれる。中でも、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｏが好ましく、Ｓｉがより好ましい。ｎ側第１組成傾斜層２－２のｎ型不純物のドーピング濃度は、第１組成傾斜層２－２の厚みにもよるが、好ましくは２×１０１８ｃｍ－３以下であり、例えば１×１０１８ｃｍ－３程度にすると良い。
　第１組成傾斜層２－２の厚みは、ｎ型不純物のドーピング濃度にもよるが、好ましくは１５ｎｍ以上、より好ましくは５０ｎｍ以上である。第１組成傾斜層２－２の厚みの上限値は、特に制限されず、例えば１００ｎｍである。
　第２組成傾斜層３－２について：
　第２組成傾斜層３－２は、ｎ側第１光ガイド層３とｎ側第２光ガイド層４の間に配置され、ｎ側第１光ガイド層３側からｎ側第２光ガイド層４側に向かって、組成が相対的にｎ側第１光ガイド層３の組成からｎ側第２光ガイド層４の組成に近づくように組成が変化している。
　ここで、「組成が相対的にｎ側第１光ガイド層３の組成からｎ側第２光ガイド層４の組成へと近づくように変化する」とは、第２組成傾斜層３－２において、ｎ側第１光ガイド層３の組成に近い組成からｎ側第２光ガイド層４の組成に近い組成へと徐々に変化することを意味する。組成変化は、厚みに対する組成変化量（本実施形態ではＩｎの組成の変化量）の二階微分値が正、負、ゼロの何れであってもかまわないが、本実施形態では、負、すなわち単調に増加することが好ましい。単調に組成を増加させることで、スパイクの起源となる、ＩｎＧａＮの圧縮歪に起因する固定電荷を空間的に分配することができる。本実施形態では、第２組成傾斜層３－２のＩｎの組成は、ｎ側第１光ガイド層３側からｎ側第２光ガイド層４側に向かって増加している。本願明細書において、Ｉｎの組成（Ｉｎ組成）とは、ＩＩＩ族元素においてＩｎ原子が占める原子数の割合を示す。
　第２組成傾斜層３－２の隣接する層との境界付近の組成は、当該隣接する層の組成と同じであってもよいし、異なってもよい。例えば、第２組成傾斜層３－２のｎ側第１光ガイド層３との境界付近のＩｎの組成は、ｎ側第１光ガイド層３のＩｎの組成と同じであってもよいし、それよりも多くてもよいし、少なくてもよく；ｎ側第１光ガイド層３のＩｎの組成と同じであるか、それよりも少ないことが好ましい。
　第２組成傾斜層３－２のｎ側第２光ガイド層４との境界付近のＩｎの組成は、ｎ側第２光ガイド層４のＩｎの組成と同じであってもよいし、それよりも多くてもよいし、少なくてもよく；ｎ側第２光ガイド層４のＩｎの組成と同じであるか、それよりも少ないことが好ましい。
　第２組成傾斜層３－２のドーピング濃度や厚みは、第１組成傾斜層２－２のドーピング濃度や厚みと同一または同様としうる。
　上記のような組成傾斜領域がなく、組成が急峻に変化する場合、相対する界面において、分極に起因する正負の固定電荷が生じる。薄い界面の相対する面に正負電荷が生じるため、巨大な電界強度が生じる。このような巨大な電界がバンドスパイクを生じる。界面を通過する電子からみると、このような電界は静止力として機能するため、付加的な電圧を印加して加速しないと通過できない。この付加的な電圧分だけ動作電圧が増加することとなる。また、組成傾斜領域を設けても、ｎ型不純物のドーピングがされていない場合、ポテンシャルスパイクの発生を十分には抑制できない。
　これに対し、上記のような組成傾斜領域を設けて組成を傾斜させると、固定電荷を空間的に一様分布に近い様態とすることが可能となり、電界強度が小さくなる。さらに、組成傾斜領域をｎ型ドーピングすることで、電子伝導を補助することが可能となり、効果的に電界強度を減じることができる。すなわち、ｎ型不純物がドーピングされた組成傾斜層を設けることで、半導体素子１００の内部光損失を増大させることなく、光出力を高めることができる。
　なお、組成変化を、組成が単調に増加または減少することと定義したが、全体として実質的に組成が単調に増加、減少していれば、その内部に組成一定、ないしはわずかに組成が上昇する領域を有してもかまわない。
　他の層について：
　上記以外の他の層については、後述する半導体素子１００の製造方法において説明する。
　以下、本実施形態における第１組成傾斜層２－２および第２組成傾斜層３－２（以下、これらを総称して「組成傾斜層」ともいう）の具体的な構成について、比較例と対比しながら説明する。
　図３に、図２に示す実施形態において、２－２および３－２に示す組成傾斜層がない構造を、比較例として示す。なお、比較例の半導体素子の上面図は図１と同様であるため省略する。また、図３の比較例において、ドーピングされた組成傾斜層の有無以外は図１の実施形態と同一であるため、層構成などの記載は省略する。また、本願におけるＡｌおよびＩｎ組成とは、各層のＩＩＩ族元素において、ＡｌおよびＩｎ原子が占める原子数の割合（原子％）を示す。
　図４に、図３に示す比較例において、ｐｎ接合にバイアス電圧として４Ｖを印加した際の、図３のＣ－Ｄ間の伝導帯側のバンド構造図を示す。図４中のｎ－ＡｌＧａＮ等の標記は積層構造を表し、ｎ－ＡｌＧａＮ、ｎ－ＧａＮ、ｎ－ＩｎＧａＮは、図３のｎ型クラッド層２、ｎ側第１光ガイド層３、ｎ側第２光ガイド層４に相当する。なお、同図は、ＡｌＧａＮ層のＩＩＩ族中のＡｌ組成を２．６％、ＩｎＧａＮ層のＩＩＩ族中のＩｎ組成を３％とし、かつＡｌＧａＮ層とＧａＮ層のＳｉドーピング濃度を１×１０１８ｃｍ－３とした場合の計算結果である。また、図４上側に、Ａｌ、Ｉｎ組成およびＳｉドーピング濃度の場所依存性を示す。
　図４において、ｎ－ＡｌＧａＮとｎ－ＧａＮの界面、およびｎ－ＧａＮとｎ－ＩｎＧａＮの界面に、伝導帯側バンドに２つの正方向のポテンシャル飛び（スパイク）が発生する。ここで、ｎ－ＡｌＧａＮ／ｎ－ＧａＮ界面のスパイクをスパイクＡ、ｎ－ＧａＮ／ｎ－ＩｎＧａＮ界面をスパイクＢと表記する。図３において、ｎ電極１６から電子が、ｐ電極１１から正孔が注入され、途中各層を縦断して活性層５において再結合して光に変換される。ここで、電子が活性層５に向けて伝導帯上を伝導するためには、電子がスパイクＡ、スパイクＢを乗り越えるためのポテンシャル（電圧）を図３のＣ－Ｄ間に印加する必要がある。言い換えると、同一の電子流を得るために必要な駆動電圧が上昇することとなり、これは、素子抵抗の上昇と等価であるということができる。このような素子抵抗の増加は、同一の光出力を得るために必要な駆動電圧、すなわち駆動電力の増加をもたらし、消費電力の増加、素子温度の増大に伴う光出力の低下および故障に繋がるため好ましくない。
　このようなポテンシャルスパイクを解消できる構造として、ｎ－ＡｌＧａＮであるｎ型クラッド層２およびｎ－ＧａＮであるｎ側第１光ガイド層３のドーピング濃度を増加させることが効果的である。
　図５Ａに、図４において、ｎ－ＡｌＧａＮであるｎ型クラッド層２およびｎ－ＧａＮであるｎ側第１光ガイド層３のＳｉドーピング濃度を１×１０１８ｃｍ－３～１×１０１９ｃｍ－３に変えた時のポテンシャルスパイクＡ、Ｂの値を発明者らが計算した結果を示す。ドーピング濃度とともにポテンシャルスパイクは低下し、５×１０１８ｃｍ－３以上のドーピングではスパイクが０．０５ｅＶ程度と十分に低くなっていることがわかる。ところが、このような高濃度ドーピングにも問題がある。
　図５Ｂに、図３に示す比較例において、ｎ－ＡｌＧａＮであるｎ型クラッド層２およびｎ－ＧａＮであるｎ側第１光ガイド層３のドーピング濃度を変化させたときの、レーザ素子の内部光損失を計算した値を示す。ここで、内部光損失は、各層の屈折率と光消衰係数を分光エリプソメトリーで測定し、これを、スカラー波動方程式に適用することで求めた。波動方程式を簡易に解くために、転送行列法を用いている。
　図５Ｂに示すように、Ｓｉドーピング濃度が２×１０１８ｃｍ－３を超えると内部光損失は大きく上昇し、１×１０１９ｃｍ－３では、１×１０１８ｃｍ－３と比較して倍程度に増加する。一方、レーザの光出力は内部光損失により低下することから、３ｃｍ－１未満程度とするとよい。このことから、ドーピング濃度は５×１０１８ｃｍ－３以下、より好ましくは２×１０１８ｃｍ－３以下程度とするとよい。ところが、ドーピング濃度を低下させると、図５Ａに示すポテンシャルスパイクが増加するというトレードオフの関係にある。
　図６は、本実施形態の実施例におけるバンド構造とポテンシャルスパイクの計算結果である。図６上側に、Ａｌ、Ｉｎ組成およびＳｉドーピング濃度の場所依存性を示す。実線が組成傾斜層なし（比較例）、点線がドーピングを実施した組成傾斜層あり（実施例）場合の組成および濃度プロファイルである。なお、実施例は、組成傾斜層の厚みを５０ｎｍ、Ｓｉドーピング濃度を１×１０１８ｃｍ－３とした場合の計算結果であり、その他の条件（バイアス電圧など）は比較例と同様である。
　図６に示されるように、組成傾斜層の組成傾斜とＳｉドーピングによって、ポテンシャルスパイクが低減しており、動作電圧の低減が見込まれる。具体的には、第１組成傾斜層２－２によりスパイクＡが低減され、第２組成傾斜層３－２によりスパイクＢが低減されている。
　図７は、実施例において、図６に記載の組成傾斜層の厚みとＳｉドーピング濃度を様々に変えた時のポテンシャルスパイクＡおよびＢを計算した結果をまとめたものである。
　図７に示されるように、組成傾斜層のドーピング濃度を高く、厚みを厚くした場合に、ポテンシャルスパイクが低減される。レーザ素子においては、ポテンシャルスパイクを０．２ｅＶ（動作電圧で概ね０．２Ｖの上昇）以下とすることが好ましい。このことから、ドーピング濃度７．５×１０１７ｃｍ－３のとき、組成傾斜層の厚みは４０ｎｍ以上、ドーピング濃度１．０×１０１８ｃｍ－３のとき２０ｎｍ以上、２．０×１０１８ｃｍ－３のときは１０ｎｍ以上とすることが望ましい。これらのことから、ドーピング濃度７．５×１０１７ｃｍ－３以下のとき、組成傾斜層の厚みは５０ｎｍ以上であることが好ましい。
　なお、本実施例においても、図５Ｂに示したレーザ素子の内部光損失のドーピング濃度依存性から、ドーピング濃度は２×１０１８ｃｍ－３以下とすることが望ましい。ドーピング濃度の下限値は、ＩＩＩ族組成にもよるが、例えば５×１０１７ｃｍ－３程度としうる。
　図８Ａおよび図８Ｂは、図７におけるポテンシャルスパイク量の、組成傾斜層の厚みおよびドーピング濃度依存性を、ポテンシャルスパイクＡ（図８Ａ）、Ｂ（図８Ｂ）に分けてコンターマップとして再描画したものである。各図中２本の点線は、それぞれスパイク量０．１ｅＶおよび０．２ｅＶの線に対応する。
　デバイスの動作電圧を低減するためには、スパイクはそれぞれ０．２ｅＶ以下、より好ましくは０．１ｅＶ以下とするとよい。図８Ａおよび図８Ｂからは、ポテンシャルスパイクを低減できるドーピング濃度と組成傾斜層の厚みの組み合わせが視覚的に確認できる。各図中右上の領域が、スパイクが小さい領域である。ドーピング濃度が高く、組成傾斜層の厚みが大きいとき、スパイクが減少する。
　図８ＡのポテンシャルスパイクＡにおいて、スパイクが０．２ｅＶ以下となるのは、以下の２つの直線で囲まれる、図中右上の領域（ｄおよびｃが以下の直線の式よりも大きい値をとる領域）に第１組成傾斜層２－２の厚みｄとドーピング濃度ｃを設定した場合である。
　式（１）：ｄ≧ａ１・ｃ＋ｂ１（５．９×１０１７ｃｍ－３≦ｃ≦６．２×１０１７ｃｍ－３）、ａ１＝－１．７３×１０－１５、ｂ＝１１２２．７
　式（２）：ｄ≧ａ２・ｃ＋ｂ２（６．２×１０１７ｃｍ－３≦ｃ≦２．０３×１０１８ｃｍ－３）、ａ１＝－３．４×１０－１７、ｂ＝６９．１
　同様に、図８ＡのポテンシャルスパイクＡにおいて、スパイクが０．１ｅＶ以下となるのは、以下の３つの直線で囲まれる、図中右上の領域（ｄおよびｃが以下の直線の式よりも大きい値をとる領域）に第１組成傾斜層２－２の厚みｄとドーピング濃度ｃを設定した場合である。
　式（３）：ｄ≧ａ１・ｃ＋ｂ１（７．２５×１０１７ｃｍ－３≦ｃ≦７．５×１０１７ｃｍ－３）、ａ１＝－２．０８×１０－１５、ｂ＝１６０８．７
　式（４）：ｄ≧ａ２・ｃ＋ｂ２（７．５×１０１７ｃｍ－３≦ｃ≦１．０３×１０１８ｃｍ－３）、ａ１＝－１．５１×１０－１６、ｂ＝１６１．２
　式（５）：ｄ≧ａ２・ｃ＋ｂ２（１．０３×１０１８ｃｍ－３≦ｃ≦１．６５×１０１８ｃｍ－３）、ａ１＝－１．０４×１０－１８、ｂ＝１７．２
　これらのことから、スパイクＡを一層低減しやすくする観点では、第１組成傾斜層２－２の厚みｄおよびドーピング濃度ｃは、式（１）または（２）を満たすように設定することが好ましく、式（３）～（５）のいずれかを満たすように設定することがより好ましい。
　図８ＢのポテンシャルスパイクＢにおいて、スパイクが０．２ｅＶ以下となるのは、以下の４つの直線で囲まれる、図中右上の領域（ｄおよびｃが以下の直線の式よりも大きい値をとる領域）に第２組成傾斜層３－２の厚みｄとドーピング濃度ｃを設定した場合である。
　式（６）：ｄ≧ａ１・ｃ＋ｂ１（６．０×１０１７ｃｍ－３≦ｃ≦７．２７×１０１７ｃｍ－３）、ａ１＝－４．８×１０－１６、ｂ＝３８８．２
　式（７）：ｄ≧ａ２・ｃ＋ｂ２（７．２７×１０１７ｃｍ－３≦ｃ≦８．８６×１０１８ｃｍ－３）、ａ１＝－１．２３×１０－１６、ｂ＝１２８．２
　式（８）：ｄ≧ａ２・ｃ＋ｂ２（８．８６×１０１７ｃｍ－３≦ｃ≦１×１０１８ｃｍ－３）、ａ１＝－１．５８×１０－１６、ｂ＝１５９．４
　式（９）：ｄ≧ａ２・ｃ＋ｂ２（１×１０１８ｃｍ－３≦ｃ≦１．２５×１０１８ｃｍ－３）、ａ１＝－６×１０－１８、ｂ＝７．５
　同様に、図８ＢのポテンシャルスパイクＢにおいて、スパイクが０．１ｅＶ以下となるのは、以下の３つの直線で囲われる、図中右上の領域（ｄおよびｃが以下の直線の式よりも大きい値をとる領域）に第２組成傾斜層の厚みｄとドーピング濃度ｃを設定した場合である。
　式（１０）：ｄ≧ａ１・ｃ＋ｂ１（７．２５×１０１７ｃｍ－３≦ｃ≦９．３８×１０１７ｃｍ－３）、ａ１＝－３．７８×１０－１６、ｂ＝３７４
　式（１１）：ｄ≧ａ２・ｃ＋ｂ２（９．３８×１０１７ｃｍ－３≦ｃ≦１×１０１８ｃｍ－３）、ａ１＝－１．２１×１０－１６、ｂ＝１３３
　式（１２）：ｄ≧ａ２・ｃ＋ｂ２（１×１０１８ｃｍ－３≦ｃ≦２×１０１８ｃｍ－３）、ａ１＝－６×１０－１８、ｂ＝１８
　これらのことから、スパイクＢを一層低減しやすくする観点では、第２組成傾斜層３－２の厚みｄおよびドーピング濃度ｃは、式（６）～（９）のいずれかを満たすように設定することが好ましく、式（１０）～（１２）のいずれかを満たすように設定することがより好ましい。
　２．作用
　上記の通り、ＧａＮ系半導体レーザ素子を構成するウルツ鉱ＧａＮ系材料（ＡｌＧａＮ、ＧａＮ、ＩｎＧａＮなど）では、結晶の対称性から規定される分極電荷が大きいという特徴がある。たとえば、ＧａＮ上にＡｌＧａＮを積層した場合、Ｃ（０００１）面では表面側に負の、裏面側に正の固定電荷がそれぞれ形成される。分極は、膜組成により決まる自発分極と、膜中の歪によって決まるピエゾ分極との和となるが、ＡｌＧａＮはＧａＮ上に歪を有する形で形成されることから、固定電荷はＡｌＧａＮでＧａＮよりも大きくなる。したがって、ＡｌＧａＮ／ＧａＮヘテロ界面では、正の固定電荷が負の固定電荷よりも多いため、電荷のバランスをとるためにその界面に多くの自由電子／正孔が形成されることになる。この自由電子がバンドポテンシャルを変形させ、電子注入を阻害するポテンシャルスパイクの起源となる。
　これに対し、上記本実施形態にかかる半導体素子１００は、少なくとも一部の隣り合う電子伝導性層間（ｎ型クラッド層２とｎ側第１光ガイド層３との間、ｎ側第１光ガイド層３とｎ側第２光ガイド層４との間）に配置され、ドーピングされたｎ型不純物を含む組成傾斜層（第１組成傾斜層２－２および第２組成傾斜層３－２）とを有する。
　上記実施形態にかかる構成によれば、例えばｎ－ＡｌＧａＮを含むｎ型クラッド層２とｎ－ＧａＮを含むｎ側第１光ガイド層３との間に組成を傾斜させた領域を設けることにより、固定電荷の空間的分布を分散させ、自由電子／正孔の分布を分散させうる。さらに、傾斜領域をｎ型不純物で適切にドーピングすることにより、効果的にバンドポテンシャルを低減ないしは消失させうる。すなわち、ｎ型不純物でドーピングされた組成傾斜層を設けることで、レーザの光吸収を生じる程度の高濃度ドーピングを施さずとも、ポテンシャルスパイクを低減し、動作電圧を低くすることで、光出力を改善することができる。
　３．半導体素子の製造方法
　続いて、半導体素子１００の製造方法について、詳細な構成と合わせて説明する。
　まず、主面が（０００１）面であるｎ型六方晶ＧａＮ基板１を準備する。ｎ型六方晶ＧａＮ基板１上に、例えば有機金属気層成長法（Ｍｅｔａｌｏｒｇａｎｉｃ　Ｃｈｅｍｉｃａｌ　Ｖａｐｏｒ　Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ；ＭＯＣＶＤ法）を用いてｎ型クラッド層２からｐ型コンタクト層９までを連続的に成膜する。まず、Ａｌ０．０３ＧａＮを含むｎ型クラッド層２を、例えば０．５～５μｍ、好ましくは３μｍ程度積層する。
　ここで、成膜のためのガス原料としては、たとえばＩＩＩ族原料にトリメチルガリウム（ＴＭＧ）、トリメチルインジウム（ＴＭＩ）、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）、ｎ型不純物にシラン、Ｖ族原料にアンモニアなどを用いればよい。ｎ－ＡｌＧａＮを含むｎ型クラッド層２のＳｉドーピング濃度は、例えば１×１０１８ｃｍ－３程度にすると良い。
　次に、Ａｌの組成を、例えば５０ｎｍ程度にわたって３％から０％に低下させながら、ｎ－ＡｌＧａＮを含む第１組成傾斜層２－２を積層する。組成変化させる手法としては、Ａｌ原料（ＴＭＡ）供給量を徐々に低下させればよい。あるいは、ＴＭＡ供給量は一定として、Ｇａ原料（ＴＭＧ）供給量を徐々に増加させてもよい。この場合、Ｓｉドーピング濃度を実質的に一定値に保つために、ＳｉＨ４原料供給量をＴＭＧ供給量の増加に応じて増加させると良い。さらに、ＡｌやＧａ原料の供給量を徐々に変化させるのではなく、Ａｌ原料をパルス的に供給し、ＤＵＴＹを徐々に低下させることで、実質的に組成を連像的に減少させてもよい。ここで、組成変化や隣接する層との境界付近のＡｌの組成、ｎ型不純物のドーピング濃度は、上記した通りである。
　次に、ｎ側第１光ガイド層３を構成するｎ－ＧａＮを、例えば０．０５～０．５μｍ、好ましくは０．２５μｍ程度成長させる。ここで、ｎ－ＧａＮを含むｎ側第１光ガイド層３のＳｉドーピング濃度は１×１０１８ｃｍ－３程度とすることが好ましい。
　さらに、第２組成傾斜層３－２を構成するｎ－ＩｎＧａＮを、ｎ側第１光ガイド層３のｎ－ＧａＮ層側から徐々にＩｎの組成を上昇させながら積層する。組成増加させる手法としては、Ｉｎ原料（ＴＭＩ）供給量を徐々に増加させればよい。あるいは、ＴＭＩｎ供給量は一定として、Ｇａ原料（ＴＭＧ）供給量を徐々に減少させてもよい。この場合、Ｓｉドーピング濃度を実質的に一定値に保つために、ＳｉＨ４原料供給量をＴＭＧ供給量の増加に応じて増加させると良い。さらに、ＩｎやＧａ原料の供給量を徐々に変化させるのではなく、Ｉｎ原料をパルス的に供給し、ＤＵＴＹを徐々に増加させることで、実質的に組成を連続的に増加させてもよい。あるいは、Ｉｎの取り込み量が温度を下げると増加することから、ＴＭＩとＴＭＧ供給量は一定としつつ、成長温度を徐々に低下させることで、Ｉｎの組成を増加させてもよい。８００℃の温度域であれば、２０℃程度の低温下によって、ここで、組成変化や隣接する層との境界付近のＩｎの組成、ｎ型不純物のドーピング濃度は、上記した通りである。
　第２組成傾斜層３－２上に、ｎ－ＩｎＧａＮを含むｎ側第２光ガイド層４を形成する。ｎ側第２光ガイド層４の厚みは、例えば１０～５００ｎｍ、好ましくは２００ｎｍ程度である。
　以下に、活性層５の積層方法について説明する。Ｉｎ０．０３ＧａＮバリア層とＩｎ０．１８ＧａＮ量子井戸層２周期からなる量子井戸活性層を成長させる。まず、第一のＩｎ０．０３ＧａＮバリア層を２０ｎｍ成長させる。次に、第一のＩｎ０．１８ＧａＮ量子井戸層を約３．０ｎｍ成長させる。続いて、第二のＩｎ０．０８ＧａＮバリア層を約１０ｎｍ成長させたのち、第二のＩｎＧａＮ井戸層を３．０ｎｍ成長させる。最後に、第三の第二のＩｎ０．０３ＧａＮバリア層を１０ｎｍ成長させる。
　ここで、ＩｎＧａＮバリア層の膜厚が厚いと、バリア層における発光性再結合によって内部量子効率が低下してしまう。そこで、各バリア層の厚みは最大でも４０ｎｍ程度にとどめることが好ましい。また、上記例では１０ｎｍ一定としたが、キャリア注入の均一性などの観点から、第一から第三のバリア層の膜厚が異なっていてもかまわない。
　次に、ｐ側光ガイド層６を構成するｉ－ＩｎＧａＮ層、ｉ－ＧａＮまたはｉ－ＡｌＧａＮ、もしくはそれらの層の組み合わせからなる層を０．２μｍ程度積層する。ここで、素子内部への光閉じ込めの観点から、活性層５側からｎ型クラッド層２側へと屈折率が低下する構成とするとよい。すなわち、活性層５に近い側から、ＩｎＧａＮ、ＧａＮ、ＡｌＧａＮの順にガイド層を構成することで、光閉じ込めを増加させることができる。
　次に、電子障壁層７を構成するｐ－Ａｌ０．３５ＧａＮ（Ｍｇ濃度５×１０１９ｃｍ－３）を５ｎｍ積層する。ｐ－ＡｌＧａＮ層は、たとえばシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ２Ｍｇ）用いてＭｇ濃度が５×１０１９ｃｍ－３となるようにすると良い。
　次に、ｐ－Ａｌ０．０３ＧａＮ層６００ｎｍからなるｐ型クラッド層８を、例えばＭｇ濃度を１×１０１９ｃｍ－３として積層する。さらに、膜厚１０ｎｍからなるｐ－ＧａＮを含むｐコンタクト層９を、Ｍｇ濃度を１×１０２０ｃｍ－３として積層する。
　次に、成長したウェハをリッジストライプ型レーザに加工する。
　まず、例えば熱ＣＶＤ法により、ｐ型コンタクト層９の上に、膜厚が０．３μｍのＳｉＯ２からなるＳｉＯ２絶縁膜（図示なし）を成膜する。さらに、フォトリソグラフィ法及びフッ化水素酸を用いるエッチング法により、ＳｉＯ２絶縁膜を幅１６μｍのストライプ状に残して他の領域をエッチングする。このとき、六方晶窒化物半導体の自然へき開面（ｍ面）を利用してレーザの端面を形成することを考慮して、ストライプの向きは六方晶ＧａＮのｍ軸方向に平行とする。
　次に、誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）エッチング法により、ＳｉＯ２絶縁膜を用いて積層構造体の上部を１．０μｍの深さにエッチングして、ｐ型コンタクト層９及びｐ型クラッド層８の上部から、光導波路２０を構成するリッジストライプ部を形成する。その後、フッ化水素酸を用いて第２のマスク膜を除去し、再度、熱ＣＶＤ法により、露出したｐ型クラッド層８上にリッジストライプ部を含む全面にわたって、膜厚が２００ｎｍのＳｉＯ２からなる絶縁膜１０を再度形成する。
　次に、リソグラフィ法により、絶縁膜１０におけるリッジストライプ部（光導波路２０）の上面に、該リッジストライプ部に沿って幅が１５．５μｍの開口部を有するレジストパターンを形成する。続いて、例えば三フッ化メタン（ＣＨＦ３）ガスを用いた反応性イオンエッチング（Ｒｅａｃｔｉｖｅ　Ｉｏｎ　Ｅｔｃｈｉｎｇ：ＲＩＥ）により、レジストパターンをマスクとしてＳｉＯ２絶縁膜をエッチングすることにより、リッジストライプ部の上面からｐ型コンタクト層９を露出させる。
　次に、例えば電子ビーム（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ　Ｂｅａｍ：ＥＢ）蒸着法により、少なくともリッジストライプ部の上面から露出したｐ型コンタクト層９の上に、例えば厚さが４０ｎｍのパラジウム（Ｐｄ）と厚さが３５ｎｍの白金（Ｐｔ）とからなるｐ電極１１を構成する金属積層膜を形成する。その後、レジストパターンを除去するリフトオフ法により、リッジストライプ上部以外の領域の金属積層膜を除去して、ｐ電極１１を形成する。
　次に、図１に示すように、リソグラフィ法及びリフトオフ法により、配線電極１２を選択的に形成する。配線電極１２は、絶縁膜１０の上にリッジストライプ部の上部のｐ電極１１を覆う。配線電極１２は、例えばリッジストライプ部に平行な方向の平面寸法が７５０μｍで、且つリッジストライプ部に垂直な方向の平面寸法が１５０μｍである。配線電極１２は、例えばＴｉ／Ｐｔ／Ａｕからなる。ここで、配線電極１２は、それぞれ厚さが５０ｎｍ、２００ｎｍ及び１００ｎｍのチタン（Ｔｉ）／白金（Ｐｔ）／金（Ａｕ）の金属積層膜により形成する。なお、一般に、複数のレーザ装置はウェハの主面上に行列状に形成される。従って、ウェハ状態にある基板から個々のレーザチップに分割する際に、配線電極１２を切断すると、該配線電極１２に密着したｐ電極１１がｐ型コンタクト層９から剥がれるおそれがある。そこで、図１に示すように、配線電極１２は互いに隣接するチップ同士でつながっていないことが望ましい。続いて、電解めっき法により、配線電極１２の上部に、例えば厚み１０μｍのＡｕ層を形成し、パッド電極１３を形成する。このようにすると、ワイヤボンディングによるレーザチップの実装が可能となると共に、活性層５における発熱を効果的に放熱させることができるため、半導体素子１００の信頼性を向上することができる。
　次に、Ａｕパッド電極まで形成されたウェハ状態の半導体素子１００の裏面を、ダイヤモンドスラリにより研磨して、半導体基板１の厚さが１００μｍ程度になるまで薄膜化する。その後、例えばＥＢ蒸着法により、半導体基板１の裏面（光導波路２０が形成された面と反対の面）に、例えば厚さが５ｎｍのＴｉ、厚さが１０ｎｍの白金及び厚さが１０００ｎｍのＡｕからなる金属積層膜を形成することでｎ電極１６を形成する。
　次に、ウェハ状態の半導体素子１００を、ｍ軸方向の長さが例えば１２００μｍとなるようにｍ面に沿って劈開（１次劈開）する。続いて、たとえば電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ）スパッタ法を用いて、レーザ光が出射する劈開面に対してフロントコート膜１４を、反対の劈開面に対してリアコート膜１５を形成する。ここでフロントコート膜１４の材料としては、たとえばＳｉＯ２単層膜などの誘電体膜を用いる。また、リアコート膜１５の材料としては、例えばＺｒＯ２／ＳｉＯ２積層膜などの誘電体膜を用いる。なお、半導体素子１００のフロント側（光出射側）の反射率を例えば６％、リア側（光出射側と反対側）を例えば９５％とすることで、高効率な半導体素子１００を構成することができる。
　続いて、１次劈開された半導体素子１００を、例えばａ軸方向の長さが２００μｍピッチで形成されている光導波路２０の間を、ａ面に沿って劈開（２次劈開）することでレーザチップが完成される。
　なお、上記本実施形態では、半導体素子１００が図２に示される層構成を有しているが、これに限らない。例えば、本実施形態では、電子伝導性層の数が２つであるが、１つであってもよいし、３つ以上であってもよい。例えば、半導体素子１００は、基板１、ｎ型クラッド層２、ドープされた第１組成傾斜層２－２、ｎ側第１光ガイド層３、活性層５、ｐ側光ガイド層６およびｐ型クラッド層８を少なくとも有していればよい。
　また、本実施形態では、組成傾斜層の数が２つであるが、半導体素子１００の層構成に応じて設定されればよく、１つであってもよいし、３つ以上あってもよい。例えば、本実施形態においてｎ側第２光ガイド層４がない場合、第２組成傾斜層３－２はなくてもよい。
　また、本実施形態では、第１組成傾斜層２－２がＡｌＧａＮを含むｎ型クラッド層２とＧａＮを含むｎ側第１光ガイド層３の間に配される。さらに、第２組成傾斜層３－２がＧａＮを含むｎ側第１光ガイド層３とＩｎＧａＮを含むｎ側第２光ガイド層４との間に配される。これに限らず、組成傾斜層が例えばＡｌＩｎＧａＮを含む層とＧａＮを含む層の間に配されてもよい。組成傾斜層のＩｎの組成またはＡｌの組成がＧａＮの界面に向けて低下してもよい。
　また、本実施形態では、ＧａＮ系材料について記載したが、組成の異なる層を積層することで分極を生じる他の材料系、例えばＧａＡｓ上のＡｌＧａＡｓ／ＩｎＧａＡｓ、ＩｎＰ上のＩｎＧａＡｓＰ、ＡｌＧａＡｓＰ、ＧａＳｂ上のＧａＩｎＳｂ等であってもかまわない。すなわち、ＩＩＩ族－Ｖ族半導体のＶ族の種類や、ＩＩＩ族の種類、それらの組み合わせ、およびそれらの比率を変えたものであってもよい。
　また、本実施形態では、ｎ側層においてｎ型不純物のドーピングおよび組成傾斜する場合について記載したが、ｐ側層において同様のｐ型不純物のドーピングおよび組成傾斜を施してもかまわない。
　また、本実施形態において、チップを幅２００μｍに分割したが、複数の発光素子が連続して形成されたアレイ素子としてもかまわない。
　また、本実施形態において、ｐｎ接合型半導体レーザについて記載したが、積層方向に電子伝導し、組成が相違する層におけるポテンシャルを有する構造であれば、ｐｎ接合型半導体ＬＥＤ、ないしは単極性の電子伝導型量子カスケードレーザであってもかまわない。
　また、上記本実施形態では、半導体素子１００の製造方法において、積層構造を形成する際の結晶成長法には、ＭＯＣＶＤ法を用いる場合について記述したが、例えば分子ビーム成長（Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ　Ｂｅａｍ　Ｅｐｉｔａｘｙ：ＭＢＥ）法又は化学ビーム成長（Ｃｈｅｍｉｃａｌ　Ｂｅａｍ　Ｅｐｉｔａｘｙ：ＣＢＥ）法等の、ＧａＮ系青紫色半導体レーザ構造が成長可能な成長方法を用いてもよい。
　本発明によれば、光損失を増加させることなく、ポテンシャルスパイクを解消して、高出力かつ低電圧動作する半導体レーザ素子を実現することができる。
　１　半導体基板
　２　ｎ型クラッド層
　２－２　第１組成傾斜層
　３　ｎ側第１光ガイド層
　３－２　第２組成傾斜層
　４　ｎ側第２光ガイド層
　５　活性層
　６　ｐ側光ガイド層
　７　電子障壁層
　８　ｐ型クラッド層
　９　ｐ型コンタクト層
　１０　絶縁膜
　１１　ｐ電極
　１２　配線電極
　１３　パッド電極
　１４　フロントコート膜
　１５　リアコート膜
　１６　ｎ電極

Claims (9)

  1. 　基板と、
    　前記基板上で順に積層され、ＩＩＩ族窒化物半導体を含み、互いに組成が異なる２以上の電子伝導性層と、
    　少なくとも一対の隣り合う前記電子伝導性層の間に配置され、一方の前記電子伝導性層側から他方の前記電子伝導性層側に向かって、組成が相対的に前記一方の電子伝導性層の組成から前記他方の電子伝導性層の組成へと近づくように変化する組成傾斜層と
    　を有し、
    　前記組成傾斜層は、ドーピングされたｎ型不純物を含む、
    　半導体素子。
  2. 　請求項１に記載の半導体素子であって、
    　前記２以上の電子伝導性層は、
    　ＡｌＧａＮを含む第１層と、
    　ＧａＮを含む第２層と、
    　ＩｎＧａＮを含む第３層と
    　を含み、
    　前記組成傾斜層は、
    　前記第１層と前記第２層との間に配置され、前記第１層から前記第２層に向かってＡｌの組成が減少する、前記ドーピングされたｎ型不純物を含む第１組成傾斜層と、
    　前記第２層と前記第３層との間に配置され、前記第２層から前記第３層に向かってＩｎの組成が増加する、前記ドーピングされたｎ型不純物を含む第２組成傾斜層と、
    　の少なくとも一方を含む、
    　半導体素子。
  3. 　請求項２に記載の半導体素子であって、
    　前記第１組成傾斜層と前記第２組成傾斜層の少なくとも一方の前記ｎ型不純物のドーピング濃度は２×１０１８ｃｍ－３以下である、
    　半導体素子。
  4. 　請求項２に記載の半導体素子であって、
    　前記第１組成傾斜層と前記第２組成傾斜層の少なくとも一方の厚みは５０ｎｍ以上であり、前記ｎ型不純物のドーピング濃度は７．５×１０１７ｃｍ－３以下である、
    　半導体素子。
  5. 　請求項３に記載の半導体素子であって、
    　前記第１組成傾斜層の厚みをｄ、前記ｎ型不純物のドーピング濃度をｃとしたとき、ｄおよびｃが下記式（１）または（２）を満たす、
    　半導体素子。
    　式（１）：ｄ≧ａ１・ｃ＋ｂ１（５．９×１０１７ｃｍ－３≦ｃ≦６．２×１０１７ｃｍ－３）、ａ１＝－１．７３×１０－１５、ｂ＝１１２２．７
    　式（２）：ｄ≧ａ２・ｃ＋ｂ２（６．２×１０１７ｃｍ－３≦ｃ≦２．０３×１０１８ｃｍ－３）、ａ１＝－３．４×１０－１７、ｂ＝６９．１
  6. 　請求項３に記載の半導体素子であって、
    　前記第１組成傾斜層の厚みをｄ、前記ｎ型不純物のドーピング濃度をｃとしたとき、ｄおよびｃが下記式（３）～（５）のいずれかを満たす、
    　半導体素子。
    　式（３）：ｄ≧ａ１・ｃ＋ｂ１（７．２５×１０１７ｃｍ－３≦ｃ≦７．５×１０１７ｃｍ－３）、ａ１＝－２．０８×１０－１５、ｂ＝１６０８．７
    　式（４）：ｄ≧ａ２・ｃ＋ｂ２（７．５×１０１７ｃｍ－３≦ｃ≦１．０３×１０１８ｃｍ－３）、ａ１＝－１．５１×１０－１６、ｂ＝１６１．２
    　式（５）：ｄ≧ａ２・ｃ＋ｂ２（１．０３×１０１８ｃｍ－３≦ｃ≦１．６５×１０１８ｃｍ－３）、ａ１＝－１．０４×１０－１８、ｂ＝１７．２
  7. 　請求項３に記載の半導体素子であって、
    　前記第２組成傾斜層の厚みをｄ、前記ｎ型不純物のドーピング濃度をｃとしたとき、ｄおよびｃが下記式（６）～（９）のいずれかを満たす、
    　半導体素子。
    　式（６）：ｄ≧ａ１・ｃ＋ｂ１（６．０×１０１７ｃｍ－３≦ｃ≦７．２７×１０１７ｃｍ－３）、ａ１＝－４．８×１０－１６、ｂ＝３８８．２
    　式（７）：ｄ≧ａ２・ｃ＋ｂ２（７．２７×１０１７ｃｍ－３≦ｃ≦８．８６×１０１８ｃｍ－３）、ａ１＝－１．２３×１０－１６、ｂ＝１２８．２
    　式（８）：ｄ≧ａ２・ｃ＋ｂ２（８．８６×１０１７ｃｍ－３≦ｃ≦１×１０１８ｃｍ－３）、ａ１＝－１．５８×１０－１６、ｂ＝１５９．４
    　式（９）：ｄ≧ａ２・ｃ＋ｂ２（１×１０１８ｃｍ－３≦ｃ≦１．２５×１０１８ｃｍ－３）、ａ１＝－６×１０－１８、ｂ＝７．５
  8. 　請求項３に記載の半導体素子であって、
    　前記第２組成傾斜層の厚みをｄ、前記ｎ型不純物のドーピング濃度をｃとしたとき、ｄおよびｃが下記式（１０）～（１２）のいずれかを満たす、
    　半導体素子。
    　式（１０）：ｄ≧ａ１・ｃ＋ｂ１（７．２５×１０１７ｃｍ－３≦ｃ≦９．３８×１０１７ｃｍ－３）、ａ１＝－３．７８×１０－１６、ｂ＝３７４
    　式（１１）：ｄ≧ａ２・ｃ＋ｂ２（９．３８×１０１７ｃｍ－３≦ｃ≦１×１０１８ｃｍ－３）、ａ１＝－１．２１×１０－１６、ｂ＝１３３
    　式（１２）：ｄ≧ａ２・ｃ＋ｂ２（１×１０１８ｃｍ－３≦ｃ≦２×１０１８ｃｍ－３）、ａ１＝－６×１０－１８、ｂ＝１８
  9. 　請求項１～８のいずれか１項に記載の半導体素子であって、
    　ｐｎ接合型半導体発光素子である、
    　半導体素子。
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