ＧａＮ系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体発光素子及びその製造方法
【課題】４４０ｎｍ以上の発光波長で、高発光効率かつ高信頼性のＧａＮ系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体発光素子を提供する。
【解決手段】本ＧａＮ系半導体レーザ素子１０は、サファイア基板１２の表層、バッファ層１４、及び第１のＧａＮ層１６からなるストライプ状の凸部１８、及びサファイア基板上に、第２のＧａＮ層２０、ｎ側クラッド層２２、ｎ側ガイド層２４、活性層２６、劣化防止層２８、ｐ側ガイド層３０、ｐ側クラッド層３２、及びｐ側コンタクト層３４の積層構造を備える。活性層は、ＧａＩｎＮ障壁層３６と、ＧａＩｎＮ井戸層３８との量子井戸構造として構成されて、障壁層と井戸層の上面もしくは下面もしくはその双方との間にＡｌＧａＮ層からなる面状結晶欠陥抑制層４０を介在させている。
【解決手段】本ＧａＮ系半導体レーザ素子１０は、サファイア基板１２の表層、バッファ層１４、及び第１のＧａＮ層１６からなるストライプ状の凸部１８、及びサファイア基板上に、第２のＧａＮ層２０、ｎ側クラッド層２２、ｎ側ガイド層２４、活性層２６、劣化防止層２８、ｐ側ガイド層３０、ｐ側クラッド層３２、及びｐ側コンタクト層３４の積層構造を備える。活性層は、ＧａＩｎＮ障壁層３６と、ＧａＩｎＮ井戸層３８との量子井戸構造として構成されて、障壁層と井戸層の上面もしくは下面もしくはその双方との間にＡｌＧａＮ層からなる面状結晶欠陥抑制層４０を介在させている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＧａＮ系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体発光素子及びその製造方法に関し、更に詳細には、高発光効率で信頼性の高い、発光波長が４４０ｎｍ以上のＧａＮ系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体発光素子、及びその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ＧａＮ系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体は、直接遷移半導体であって、その禁制帯幅は１．９ｅＶから６．２ｅＶにわたっているので、可視領域から紫外領域までの発光を得ることができる化合物半導体である。
そのような半導体特性を有するＧａＮ系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体は、青色や緑色の半導体レーザダイオード（ＬＤ）や発光ダイオード（ＬＥＤ）などの半導体発光素子の材料として注目され、ＧａＮ系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を使った青色や緑色の半導体発光素子の開発が、近年、活発に行われている。
青色や緑色のＬＥＤはすでに実用化されており、また、ＬＤについても、光ディスクなどの光記録媒体の記録密度を向上させるために、発光波長４００ｎｍ程度の光が得られる青紫色半導体ＬＤの実用化が目前である。
そして、発光波長４００ｎｍより長波長の純青色、或いは緑色半導体レーザ素子は、レーザディスプレイ装置の光源として、また医療用機器への応用に対する期待から、その開発が求められている。
【０００３】
これら発光波長４００ｎｍから４６０ｎｍのＧａＮ系化合物半導体発光素子では、活性層を構成する量子井戸構造の井戸層として、主として、ＧａＩｎＮ層が用いられている。
青紫色から長波長化させるためには、井戸層を構成するＧａＩｎＮ層のＩｎ組成を増加させなければならないものの、Ｉｎ組成を増加させることによって、ＧａＩｎＮ層の結晶性が悪化し、その結果、ＧａＮ系化合物半導体発光素子の発光効率が低下する。
【０００４】
ＬＥＤは、注入電流密度が低いので、青紫色より長波長のＬＥＤを実用化する際にも、結晶性の悪化がさほど問題にならないこともあるが、注入電流密度の高い半導体レーザ素子では、結晶性の悪化により、半導体レーザ素子の発光効率が低下し、閾値が高まり、信頼性が悪化するという問題が生じる。
このため、発光波長４００ｎｍより長波長の純青色或いは緑色半導体レーザ素子の開発を進展させるには、Ｉｎ組成を増大させたときのＧａＩｎＮ層の結晶性の改善が望まれている。
【０００５】
そこで、例えば特開２０００−３４９３９８号公報は、高出力で、かつ素子信頼性の高い窒化物半導体発光素子を提供するために、以下のような構成を提案している。即ち、前掲公報で提案されている窒化物半導体発光素子は、ｎ型窒化物半導体からなるｎ型クラッド層、ＩｎcＧａ1-cＮ（０≦ｃ＜１）からなる井戸層を有する多重量子井戸構造からなる活性層、及びｐ型窒化物半導体からなるｐ型クラッド層とを備えた窒化物半導体発光素子であって、活性層とｐ型クラッド層との間に、ＡｌaＧａ1-aＮ（０＜ａ＜１）からなりかつｐ型クラッド層よりエネルギーギャップの大きい第１のｐ型窒化物半導体層と、ＡｌbＧａ1-bＮ（０＜ｂ＜１）からなる第２のｐ型窒化物半導体層とを介在させている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０００−３４９３９８号公報（第５頁、図１）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、上述の公報に開示されている構成は、青色半導体レーザ素子に適用することを意図したものであって、４００ｎｍより長波長のＧａＮ系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体レーザ素子で効果を奏するとは考えられない。
以上の説明から判る通り、発光波長４００ｎｍより長波長の純青色或いは緑色のＧａＮ系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体レーザ素子の実現が求められているものの、従来の技術では、活性層を構成するＧａＩｎＮ層のＩｎ組成を増大させて、発光波長を４００ｎｍより長波長化させようとしても、ＧａＩｎＮ層の結晶性が悪化して半導体レーザ素子の信頼性が低下するために、長波長化を実現することが難しかった。
そこで、本発明の課題は、発光波長が４４０ｎｍ以上であって、発光効率及び信頼性が高いＧａＮ系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体発光素子、及びその製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明者らは、Ｉｎ組成が増大すると、ＧａＩｎＮ層の結晶性が悪化する原因について、以下のように解析した。
ＧａＩｎＮ層の結晶性の悪化は、主として、２種類に分類される結晶欠陥の発生に起因する。一つは主に井戸層と障壁層との格子不整合に起因して活性層から結晶成長方向に延伸する線状結晶欠陥（転位）であり、もう一つは過剰なＩｎ−Ｉｎ結合に起因して活性層面内で発生する面状結晶欠陥である。
面状結晶欠陥とは、結晶欠陥が面状に生成する逆位相境界欠陥、積層欠陥等の結晶欠陥をいう。面状結晶欠陥は非発光中心となりうるので、面状結晶欠陥が存在すると、注入電流対光出力効率が低下する。
そこで、面状結晶欠陥の発生を抑制する対策を開発するために、以下の実験を行った。
【０００９】
実験例１
本発明者は、図９に示すように、Ｇａ1-xＩｎxＮ（ｘ＝０．０３）層からなる膜厚５ｎｍの障壁層６２とＧａ1-zＩｎzＮ（ｚ＝０．１４）層からなる厚さ２．５ｎｍ程度の井戸層６４との３重量子井戸構造６０を形成し、結晶欠陥の発生状況を調べたところ、面状結晶欠陥が、障壁層６２と井戸層６４との界面に発生していることがわかった。また、この結晶欠陥の面内密度は、１０９／ｃｍ２台以上であった。図９中、６６及び６８は、それぞれ、ｎ側光ガイド層及びｐ側光ガイド層である。尚、図９は実験例１の試料の活性層構造を示す断面図である。
障壁層６２としてＧａＮ層を用いても、結果はＧａ1-xＩｎxＮ（ｘ＝０．０３）層と同じであった。
【００１０】
実験例２
本発明者らは、障壁層６２の上面と井戸層６４の下面との間に面状結晶欠陥の発生を抑制する仕組みが必要と考えた。
そこで、本発明者は、図１０に示すように、実験例１と同じ障壁層６２の上面と井戸層６４の下面との間に、Ａｌを含み、Ｉｎを含まない厚さ１ｎｍ程度のＡｌyＧａ1-yＮ （y＝０．０２）層７２を面状結晶欠陥抑制層として介在させた３重量子井戸構造７０を形成した。つまり、実験例２の試料は、障壁層６２の上面と井戸層６４の下面との間に厚さ１ｎｍ程度のＡｌyＧａ1-yＮ （y＝０．０２）層７２を介在させたことを除いて、実験例１の試料と同じである。尚、図１０は実験例２の試料の活性層構造を示す断面図である。
結晶欠陥の発生状況を調べたところ、面状結晶欠陥の発生密度は１〜２桁以上、抑制されていた。面状結晶欠陥が発生すると、周囲に過剰な歪み場を生じることがあるため、面状結晶欠陥から転位などの線状結晶欠陥が発生することがあった。しかし、これらの線状結晶欠陥の発生も殆ど観察されなかった。
障壁層としてＧａＮ層を用いても、結果はＧａ1-xＩｎxＮ（ｘ＝０．０３）層と同じであった。
【００１１】
実験例３
さらに、本発明者は、図１１に示すように、実験例１と同じ障壁層６２の上面と井戸層６４の下面との間、並びに井戸層６２の上面と障壁層６２の下面との間に、Ａｌを含み、Ｉｎを含まない厚さ１ｎｍ程度のＡｌyＧａ1-yＮ（ｙ＝０．０２）層を面状結晶欠陥抑制層７２として介在させた３重量子井戸構造８０を形成した。つまり、実験例３の試料は、障壁層６２と井戸層６４の上下の間に厚さ１ｎｍ程度のＡｌyＧａ1-yＮ（ｙ＝０．０２）層７２を介在させたことを除いて、実験例１の試料と同じである。尚、図１１は実験例３の試料の活性層構造を示す断面図である。
結晶欠陥の発生状況を調べたところ、面状結晶欠陥の発生密度はさらに抑制されていた。
障壁層としてＧａＮ層を用いても、結果はＧａ1-xＩｎxＮ（ｘ＝０．０３）層と同じであった。
【００１２】
実験例４
また、本発明者は、障壁層６２としてＡｌzＧａ1-zＮ（ｚ＝０．０２）層を採用し、面状結晶欠陥抑制層７２として、厚さ０．５ｎｍ程度のＡｌyＧａ1-yＮ（ｙ＝０．０２５）層を採用した他は、実験例３と同様にして、図１１に断面図を示すような３重量子井戸構造８０を形成した。結晶欠陥の発生状況を調べたところ、実験例３と同様に、面状結晶欠陥の発生は抑制されていた。
【００１３】
実験例５
さらに、本発明者は、障壁層６２としてＡｌzＧａ1-zＮ（ｚ＝０．０２）層を採用し、面状結晶欠陥抑制層７２として、厚さ０．５ｎｍ程度のＡｌy1Ｉｎy2Ｇａ1-y1-y2Ｎ層７２を採用した他は、実験例３と同様にして、図１１に断面図を示すような３重量子井戸構造８０を形成した。ただし、面状結晶欠陥抑制層７２は、障壁層６２と同一の組成から井戸層６４と同一の組成へと、直線的に傾斜する組成分布を有する構成（すなわち０≦ｙ１≦０．０２、０≦ｙ２≦０．１４）とした。結晶欠陥の発生状況を調べたところ、面状結晶欠陥の発生密度は１０６／ｃｍ２以下と大きく抑制されていた。
【００１４】
上記課題を解決するために、上述の知見に基づいて、本発明に係るＧａＮ系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体発光素子は、ＧａＮ系化合物半導体からなる障壁層とＧａＩｎＮ層からなる井戸層との量子井戸構造の活性層を有し、発光波長が４４０ｎｍ以上のＧａＮ系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体発光素子において、障壁層がＧａ1-xＩｎxＮ（０≦ｘ＜０．１）層もしくは、Ａｌz1Ｉｎz2Ｇａ1-z1-z2Ｎ層（Ａｌ組成ｚ１が０≦ｚ１＜０．２、Ｉｎ組成ｚ２が０≦ｚ２＜０．１）であり、障壁層とＧａＩｎＮ井戸層の上面もしくは下面もしくはその双方との間に、膜厚０．２５ｎｍ以上３ｎｍ以下のＡｌxＧａ1-xＮ層（０．０２＜ｘ＜０．４）、からなる面状結晶欠陥抑制層が介在していることを特徴としている。
また、本発明に係る他のＧａＮ系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体発光素子は、ＧａＮ系化合物半導体からなる障壁層とＧａＩｎＮ層からなる井戸層との量子井戸構造の活性層を有し、発光波長が４４０ｎｍ以上のＧａＮ系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体発光素子において、Ａｌz1Ｉｎz2Ｇａ1-z1-z2Ｎ障壁層（Ａｌ組成ｚ１が０＜ｚ１＜０．２、Ｉｎ組成ｚ２が０＜ｚ２＜０．１）とＧａ1-yＩｎyＮ井戸層（Ｉｎ組成ｙが０＜ｙ＜０．２５）の下面もしくは上面もしくはその双方との間に、膜厚０．２５ｎｍ以上３ｎｍ以下のＡｌx1Ｉｎx2Ｇａ1-x1-x2Ｎ層（０＜ｘ１＜０．４、０＜ｘ２＜ｙ）からなる面状結晶欠陥抑制層が介在していることを特徴としている。
【００１５】
本発明で、ＧａＮ系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体とは、Ｖ族として窒素（Ｎ）を有し、組成がＡｌaＢbＧａcＩｎdＮxＰyＡｓz（ａ＋ｂ＋ｃ＋ｄ＝１、０≦ａ、ｂ、ｄ≦１、０＜ｃ≦１、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１、０＜ｘ≦１、０≦ｙ、ｚ≦１）で表示される化合物半導体である。
本発明で、障壁層の上面とは障壁層の基板と反対側の面を言い、井戸層の下面とは井戸層の基板側の面を言う。
本発明は、ＧａＮ系化合物半導体からなる障壁層とＧａＩｎＮ層からなる井戸層との量子井戸構造の活性層を有し、発光波長が４４０ｎｍ以上のＧａＮ系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体発光素子であるかぎり、活性層の構成に制約無く適用できる。また、リッジ形状、電流狭窄構造の構成を問わず、適用することができる。更には、半導体レーザ素子及び発光ダイオードの区別無く適用できる。
【００１６】
本発明の実施態様では、井戸層を構成するＧａ1-ｚＩｎｚＮ層のＩｎ組成ｚが０＜ｚ＜０．２５である。
【００１７】
本発明に係るＧａＮ系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体発光素子の製造方法は、ＧａＮ系化合物半導体からなる障壁層とＧａＩｎＮ層からなる井戸層との量子井戸構造の活性層を有し、発光波長が４４０ｎｍ以上のＧａＮ系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体発光素子の製造方法において、活性層の形成に際して、ＧａＩｎＮ井戸層の上面もしくは下面に、膜厚０．２５ｎｍ以上３ｎｍ以下のＡｌxＧａ1-xＮ層（０．０２＜ｘ＜０．４）からなる面状結晶欠陥抑制層を介在させる工程を有し、井戸層としてＧａ1-zＩｎzＮ（Ｉｎ組成ｚが０＜ｚ＜０．２５）層を成膜し、障壁層としてＧａ1-xＩｎxＮ（０≦ｘ＜０．１）層もしくはＡｌz1Ｉｎz2Ｇａ1-z1-z2Ｎ（Ａｌ組成ｚ１が０≦ｚ１＜０．２、Ｉｎ組成ｚ２が０≦ｚ２＜０．１）層を成膜することを特徴としている。
【００１８】
本発明の構成によれば、ＧａＩｎＮ井戸層の上面もしくは下面もしくはその双方の間に、Ａｌを含む膜厚３ｎｍ以下のＡｌxＧａ1-xＮ層（０．０２＜ｘ＜０．４）もしくは、Ａｌx1Ｉｎx2Ｇａ1-x1-x2Ｎ層を製膜させることにより、これらの層が面状結晶欠陥抑制層として機能する。これにより、井戸層のＩｎ組成増加に伴って生じる、ＧａＩｎＮ井戸層上面および下面の境界面での面状結晶欠陥の発生が抑制され、同時に、この井戸層より結晶成長方向に延伸する線状結晶欠陥（転位）の発生が抑制される。
本発明に係るＧａＮ系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体発光素子の構成を適用することにより、面状及び線状の結晶欠陥の発生を抑制し、発光波長が４４０ｎｍ以上であって、高発光効率で信頼性の高いＧａＮ系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体発光素子を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】実施例の半導体レーザ素子の構成を示す断面図である。
【図２】活性層の構成を示す層構造図である。
【図３】活性層の各構成層のバンドギャップ・エネルギー図である。
【図４】Ａ、Ｂ それぞれ、本実施例の方法に従って半導体レーザ素子を製造する際の主要工程の断面図である。
【図５】活性層の構成を示す層構造図である。
【図６】活性層の各構成層のバンドギャップ・エネルギー図である。
【図７】活性層の各構成層のバンドギャップ・エネルギー図である。
【図８】活性層の各構成層のバンドギャップ・エネルギー図である。
【図９】実験例１の試料の活性層構造を示す断面図である。
【図１０】実験例２の試料の活性層構造を示す断面図である。
【図１１】実験例３〜実験例５の試料の活性層構造を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下に、実施例を挙げ、添付図面を参照して、本発明を具体的かつ詳細に説明する。尚、以下の実施例で示す半導体発光素子の種類、化合物半導体層の成膜方法、組成、及び膜厚、プロセス条件等は、本発明の理解を容易にするための一つの例示であって、本発明はこの例示に限定されるものではない。
【実施例１】
【００２１】
（ＧａＮ系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体発光素子の実施例）
本実施例は、本発明に係るＧａＮ系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体発光素子を半導体レーザ素子に適用した実施例である。図１は本実施例の半導体レーザ素子の構成を示す断面図、図２は活性層の構成を示す層構造図、及び図３は活性層の各構成層のバンドギャップ・エネルギー図である。
本実施例のＧａＮ系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体レーザ素子（以下、半導体レーザ素子という）１０は、発振波長が４５０ｎｍの半導体レーザ素子であって、図１に示すように、積層方向の膜厚（以下、単に膜厚さという）３０ｎｍのＧａＮ系半導体よりなるバッファ層１４を介してサファイア基板１２のｃ面上に積層された厚さ１μｍの第１のＧａＮ層１６を有し、サファイア基板１２の表層、バッファ層１４、及び第１のＧａＮ層１６はストライプ状にエッチングされて、残部がストライプ状の凸部１８として形成されている。
【００２２】
半導体レーザ素子１０は、ストライプ状の凸部１８上を含めて基板１２上に、ＥＬＯ（Epitaxial Lateral Overgrowth）法によって積層された第２のＧａＮ層２０を有し、続いて第２のＧａＮ層２０の上に、ｎ側クラッド層２２、ｎ側ガイド層２４、活性層２６、劣化防止層２８、ｐ側ガイド層３０、ｐ側クラッド層３２、及びｐ側コンタクト層３４の積層構造を備えている。図１中、１９は基板１２上に第２のＧａＮ層２０を横成長させた際に基板１２と第２のＧａＮ層２０との間に生じる空隙部を示す。
バッファ層１４及び第１のＧａＮ層１６はアンドープ層であり、第２のＧａＮ層２０及びｎ側ガイド層２４は、ｎ型不純物としてケイ素（Ｓｉ）を添加したｎ型ＧａＮにより形成され、ｎ側クラッド層２２はｎ型不純物としてＳｉを添加したｎ型ＡｌＧａＮ混晶（Ａｌ組成が０．０７）層により構成されている。
【００２３】
活性層２６は、図２に示すように、厚さ５ｎｍのＧａＩｎＮ層からなる障壁層３６と、厚さ２．５ｎｍのＧａＩｎＮ層からなる井戸層３８とからなる量子井戸構造として構成され、障壁層３６の上面と井戸層３８の下面との間に厚さ１ｎｍのＡｌＧａＮ層からなる面状結晶欠陥抑制層４０を介在させた組み合わせを１回〜数回積層し、最上層を障壁層４１で終端させた構造(本実施例では、３重量子井戸構造)を有する。最上層の障壁層４１は組成が下部の障壁層３６と同じで、膜厚が下部の障壁層３６と同じか、又はより厚く設定されている。
例えば発光波長４５０ｎｍの半導体レーザでは、障壁層３６としてＧａＩｎＮを選択したときには、障壁層３６のＧａＩｎＮ層のＩｎ組成を０．０２に、井戸層３８のＩｎ組成を０．１６に、面状結晶欠陥抑制層４０のＡｌ組成を０．０２にする。尚、障壁層３６としてＧａＮ層を設けても良い。この場合も、井戸層３８のＩｎ組成は０．１６で、面状結晶欠陥抑制層４０のＡｌ組成は０．０２で良い。
これにより、活性層２６の各構成層は、図３に示すようなバンドギャップ・エネルギーを示す。
【００２４】
劣化防止層２８は、例えば厚さが２０ｎｍのＡｌＧａＮ（Ａｌ組成０．２）層により構成されている。ｐ側ガイド層３０及びｐ側コンタクト層３４はｐ型不純物としてマグネシウム（Ｍｇ）を添加したｐ型ＧａＮにより構成されている。ｐ側クラッド層３２はｐ型不純物としてＭｇを添加したｐ型ＡｌＧａＮ混晶（Ａｌ組成０．０７）層により構成されている。
【００２５】
ｐ側コンタクト層３４及びｐ側クラッド層３２の上部は、ストライプ状リッジ４２として形成されていて、電流狭窄構造として機能する。
また、ｐ側クラッド層３２の下部、ｐ側ガイド層３０、劣化防止層２８、活性層２６、ｎ側ガイド層２４、及びｎ側クラッド層２２は、エッチングされ、リッジ４２に平行なメサ４４として形成されると共に、第２のＧａＮ層２０の一部をメサ４４脇に露出させている。
【００２６】
リッジ４２の側面及びリッジ脇のｐ側クラッド層３２上には、二酸化ケイ素（ＳｉＯ2）などの絶縁材料よりなる絶縁膜４６が成膜され、絶縁膜４６のリッジ４２上のストライプ状開口を介してｐ側コンタクト層３４とオーミック接触するようにｐ側電極４８が形成されている。ｐ側電極４８は、ｐ側コンタクト層３４の上面からパラジウム（Ｐｄ）、白金（Ｐｔ）、及び金（Ａｕ）が順次積層された金属積層膜となっている。なお、このｐ側電極４８は、電流狭窄するために細い帯状（図１では、図面に対して垂直方向に延長された帯状、ストライプ状）に形成されている。
また、メサ４４脇に露出している第２のＧａＮ層２０の上には、チタン（Ｔｉ）、アルミニウム（Ａｌ）、及び金（Ａｕ）が順次積層された金属積層膜からなるｎ側電極５０が設けられている。
本実施例の半導体レーザ素子１０では、図示はしないが、反射鏡層が、ｐ側電極４８の長さ方向（すなわち共振器長方向）と垂直な一対の端面に、それぞれ設けられていて、共振器構造を構成している。
【００２７】
本実施例の半導体レーザ素子１０は、活性層２６を構成する障壁層３６の上面と井戸層３８の下面との間に厚さ１ｎｍのＡｌＧａＮ層からなる面状結晶欠陥抑制層４０を介在させているので、井戸層３８のＩｎ組成が０．１６という高いＩｎ組成であっても、面状結晶欠陥及び線状結晶欠陥が発生していない。
よって、本実施例の半導体レーザ素子１０を適用することにより、波長４４０ｎｍ以上のレーザ光を高出力、高発光効率で、しかも高い信頼性で出射する半導体レーザ素子を実現することができる。
【実施例２】
【００２８】
（ＧａＮ系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体発光素子の製造方法の実施例）
本実施例は、本発明に係るＧａＮ系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体発光素子の製造方法を上述の実施例の半導体レーザ素子１０の作製に適した実施例の一例である。図４Ａ及び図４Ｂは、それぞれ、本実施例の方法に従って半導体レーザ素子を製造する際の主要工程の断面図である。
本実施例の製造方法では、先ず、基本的には、図４Ａに示すように、従来の方法と同様にして、予めサーマルクリーニングなどにより表面を清浄化したｃ面サファイア基板１２上に、ＭＯＣＶＤ法により５２０℃程度の温度でアンドープのＧａＮバッファ層１４を成長させる。続いて、ＭＯＣＶＤ法により１０００℃程度の成長温度でＧａＮバッファ層１４上にアンドープの第１のＧａＮ層１６を成長させる。
次いで、ＭＯＣＶＤ装置から基板を取りだし、一定方向に延在するストライプ状のＳｉＯ2膜からなる保護マスク（図示せず）を第１のＧａＮ層１６上に形成し、保護マスクから露出している領域の第１のＧａＮ層１６、ＧａＮバッファ層１４、及びサファイア基板１２の表層をＲＩＥによってエッチングし、ストライプ状の凸部１８を形成する。
【００２９】
再び、ＭＯＣＶＤ装置に基板を搬入し、横方向成長が生じる条件で、ｎ型の第２のＧａＮ層２０をエピタキシャル成長させ、続いて第２のＧａＮ層２０上に、順次、ＭＯＣＶＤ法によりｎ側ＡｌＧａＮクラッド層２２、ｎ側ＧａＮ光ガイド層２４、活性層２６、劣化防止層２８、ｐ側ＧａＮ光ガイド層３０、ｐ側ＡｌＧａＮクラッド層３２、及びｐ側ＧａＮコンタクト層３４を成膜して、図４Ｂに示すように、積層構造を形成する。
【００３０】
本実施例では、活性層２６の形成に際して、障壁層３６として厚さ５ｎｍのＧａＩｎＮ（Ｉｎ組成は０．０２）層を、面状結晶欠陥抑制層４０として厚さ１ｎｍのＡｌＧａＮ（Ａｌ組成は０．０２）層を、井戸層３８として厚さ２．５ｎｍのＧａＩｎＮ（Ｉｎ組成は０．１６）層を順次成膜し、障壁層３６、面状結晶欠陥抑制層４０、及び井戸層３８の組み合わせを所定回数(本実施例では３回)積層させ、最上層を障壁層４１で終端させる。
【００３１】
上述のＧａＮ系半導体層の成長原料は、例えば、ＩＩＩ族元素のＧａの原料としてトリメチルガリウム（（ＣＨ3）3Ｇａ、ＴＭＧ）を、ＩＩＩ族元素のＡｌの原料としてトリメチルアルミニウム（（ＣＨ3）3Ａｌ、ＴＭＡｌ）を、ＩＩＩ族原料のＩｎの原料としてトリメチルインジウム（（ＣＨ3）3Ｉｎ、ＴＭＩｎ）を、Ｖ族元素のＮの原料としてアンモニア（ＮＨ3）を用いる。
また、キャリアガスは、例えば水素（Ｈ2）と窒素（Ｎ2）との混合ガスを用いる。
ドーパントは、ｎ型ドーパントとして例えばモノシラン（ＳｉＨ4）を、ｐ型ドーパントとして例えばビス＝メチルシクロペタジエニルマグネシウム（ＣＨ3Ｃ5Ｈ4）2Ｍｇ；ＭｅＣｐ2Ｍｇ）、又はビス＝シクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃ5Ｈ5）2Ｍｇ；Ｃｐ2Ｍｇ）を用いる。
【００３２】
次に、積層構造を形成した基板をＭＯＣＶＤ装置から再び取りだし、フォトリソグラフィ処理とエッチング加工により、ｐ側ＧａＮコンタクト層３４及びｐ側クラッド層３２の上部をエッチングして、図４Ｂに示すように、隣り合う凸部１８の間の領域にストライプ状リッジ４２を形成すると共にリッジ脇にｐ側クラッド層３２を露出させる。
【００３３】
続いて、リッジ４２のｐ側ＧａＮコンタクト層３４上、リッジ４２の側面、及びｐ側クラッド層３２上に連続して、例えばＣＶＤ法によりＳｉＯ2 よりなる絶縁膜４６を形成する。
次いで、絶縁膜４６の上に、図示しないレジスト膜を塗布し、フォトリソグラフィ処理によってｐ側電極４８の形成位置に対応したマスクパターンを形成し、続いてこれをマスクとして絶縁膜４６を選択的にエッチング除去して、図４Ｂに示すように、ｐ側電極４８の形成位置に対応した開口を形成する。
【００３４】
次いで、図示しないが、基板全面に、すなわち絶縁膜４６が選択的に除去されたｐ側ＧａＮコンタクト層３４上及び図示しないレジスト膜上に、例えばパラジウム（Ｐｄ）、白金（Ｐｔ）、及び金（Ａｕ）を順次蒸着し、次いでリフトオフ法により図示しないレジスト膜及びこのレジスト膜の上に蒸着されたパラジウム、白金及び金の積層膜を共に除去して、図１に示すように、ｐ側電極４８を形成する。
【００３５】
ｐ側電極４８を形成したのち、ｎ側電極５０の形成位置に対応して、絶縁膜４６、ｐ側クラッド層３２、ｐ側光ガイド層３０、劣化防止層２８、活性層２６、ｎ側光ガイド層２４、及びｎ側クラッド層２２を順次選択的に除去して、メサ４４を形成すると共に第２のＧａＮ層２０を露出させる。
次いで、第２のＧａＮ層２０の上にチタン、アルミニウム、及び金を選択的に順次蒸着してｎ側電極５０を形成する。
ｎ側電極５０を形成したのち、基板１２をｐ側電極４８の長さ方向（共振器長方向）と垂直に所定の幅で劈開し、その劈開面に反射鏡層を形成する。これにより、図１に示した半導体レーザ素子が形成される。
【００３６】
上述の実施例では、成長方法をＭＯＣＶＤ法に限定して説明したが、ハライド気相成長法や分子線エピタキシー（Molecular Beam Epitaxy；ＭＢＥ）法などの他の気相成長法により成長させるようにしてもよい。
【００３７】
このようにして製造した本実施例のＧａＮ系半導体レーザ素子１０では、活性層２６の障壁層３６の上面と井戸層３８の下面との間にＡｌＧａＮからなる面状結晶欠陥抑制層４０が挿入されているので、井戸層３８のＩｎ組成増加に伴って生じる面状結晶欠陥の発生が抑制され、良好な結晶性の井戸層３８を成膜することができる。また、井戸層３８との格子不整合が大きい面状結晶欠陥抑制層４０は井戸層３８の下面にのみ配置されているので、高いデバイス設計マージンを維持しつつ、井戸層３８から結晶成長方向へと延伸する転位の発生を抑制することができる。
このように、本実施例では、井戸層のＩｎ組成が高くなるにつれて生じる２種類の結晶欠陥、即ち面状及び線状の結晶欠陥の発生を抑制することができるので、４４０ｎｍ以上の発光波長で、高発光効率かつ高信頼性のＧａＮ系半導体レーザ素子を製造することができる。
【００３８】
（ＧａＮ系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体発光素子のその他の実施例）
図１〜図３に示した実施例の他にも、本発明に係るＧａＮ系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体発光素子は、様々な構成が可能である。本発明に係るＧａＮ系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体発光素子のその他の実施例を以下に示す。
【実施例３】
【００３９】
本実施例では、実施例１の図２に示した活性層の代わりに、図５に示す活性層の構成として、図１に示した半導体レーザ素子１０を構成する。
活性層２６は、図５に示すように、厚さ５ｎｍのＧａＩｎＮ層からなる障壁層３６と、厚さ２．５ｎｍのＧａＩｎＮ層からなる井戸層３８とからなる量子井戸構造として構成され、障壁層３６の上面と井戸層３８の下面との間、並びに井戸層３８の上面と障壁層３６の下面との間に、それぞれ厚さ１ｎｍのＡｌＧａＮ層からなる面状結晶欠陥抑制層４０を介在させた組み合わせを１回〜数回積層し、最上層を障壁層４１で終端させた構造(本実施例では、３重量子井戸構造)を有する。最上層の障壁層４１は組成が下部の障壁層３６と同じで、膜厚が下部の障壁層３６と同じか、又はより厚く設定されている。
【００４０】
例えば発光波長４５０ｎｍの半導体レーザでは、障壁層３６としてＧａＩｎＮを選択したときには、障壁層３６のＧａＩｎＮ層のＩｎ組成を０．０２に、井戸層３８のＩｎ組成を０．１６に、面状結晶欠陥抑制層４０のＡｌ組成を０．０２にする。尚、障壁層３６としてＧａＮ層を設けても良い。この場合も、井戸層３８のＩｎ組成は０．１６で、面状結晶欠陥抑制層４０のＡｌ組成は０．０２で良い。
これにより、活性層２６の各構成層は、図６に示すようなバンドギャップ・エネルギーを示す。
【実施例４】
【００４１】
本実施例では、実施例１の図２に示した活性層の代わりに、図５に示す活性層の構成として、図１に示した半導体レーザ素子１０を構成する。また、障壁層３６の材料を、実施例３のＧａＩｎＮの代わりにＡｌＧａＮとする。
活性層２６は、図５に示すように、厚さ５ｎｍのＡｌＧａＮ層からなる障壁層３６と、厚さ２．５ｎｍのＧａＩｎＮ層からなる井戸層３８とからなる量子井戸構造として構成され、障壁層３６の上面と井戸層３８の下面との間、並びに井戸層３８の上面と障壁層３６の下面との間に、それぞれ厚さ０．５ｎｍのＡｌＧａＮ層からなる面状結晶欠陥抑制層４０を介在させた組み合わせを１回〜数回積層し、最上層を障壁層４１で終端させた構造(本実施例では、３重量子井戸構造)を有する。最上層の障壁層４１は組成が下部の障壁層３６と同じで、膜厚が下部の障壁層３６と同じか、又はより厚く設定されている。
尚、障壁層３６としてＧａＮ層を設けても良い。
これにより、活性層２６の各構成層は、図７に示すようなバンドギャップ・エネルギーを示す。図７では、障壁層３６と面状結晶欠陥抑制層４０とのバンドギャップの差が小さくなっている。
【実施例５】
【００４２】
本実施例では、実施例１の図２に示した活性層の代わりに、図５に示す活性層の構成として、図１に示した半導体レーザ素子１０を構成する。また、障壁層３６の材料を、実施例４と同様にＡｌＧａＮとする。さらに、面状結晶欠陥抑制層４０を、直線的に傾斜する組成分布を有する構成とする。
活性層２６は、図５に示すように、厚さ５ｎｍのＡｌＧａＮ層からなる障壁層３６と、厚さ２．５ｎｍのＧａＩｎＮ層からなる井戸層３８とからなる量子井戸構造として構成され、障壁層３６の上面と井戸層３８の下面との間、並びに井戸層３８の上面と障壁層３６の下面との間に、それぞれ厚さ０．５ｎｍのＡｌＩｎＧａＮ層からなる面状結晶欠陥抑制層４０を介在させた組み合わせを１回〜数回積層し、最上層を障壁層４１で終端させた構造(本実施例では、３重量子井戸構造)を有する。最上層の障壁層４１は組成が下部の障壁層３６と同じで、膜厚が下部の障壁層３６と同じか、又はより厚く設定されている。
ＡｌＩｎＧａＮ層からなる面状結晶欠陥抑制層４０は、障壁層と同一の組成から井戸層３８と同一の組成へと、直線的に傾斜する組成分布を有する。
【００４３】
例えば発光波長４５０ｎｍの半導体レーザでは、障壁層３６としてＧａＩｎＮを選択したときには、障壁層３６のＧａＩｎＮ層のＩｎ組成を０．０２に、井戸層３８のＩｎ組成を０．１６にする。そして、面状結晶欠陥抑制層４０のＡｌy1Ｉｎy2Ｇａ1-y1-y2Ｎ層のＡｌ組成ｙ１を０≦ｙ１≦０．０２、Ｉｎ組成ｙ２を０≦ｙ２≦０．１６にする。尚、障壁層３６としてＧａＮ層を設けても良い。
これにより、活性層２６の各構成層は、図８に示すようなバンドギャップ・エネルギーを示す。図８では、面状結晶欠陥抑制層４０が直線的に傾斜する組成分布を有するため、面状結晶欠陥抑制層４０のバンドギャップが傾斜面になっている。
【実施例６】
【００４４】
本実施例では、実施例１の図２に示した活性層の代わりに、図５に示す活性層の構成として、図１に示した半導体レーザ素子１０を構成する。また、障壁層３６の材料を、実施例３のＧａＩｎＮの代わりにＡｌＩｎＧａＮとする。
活性層２６は、図５に示すように、厚さ５ｎｍのＡｌＩｎＧａＮ層からなる障壁層３６と、厚さ２．５ｎｍのＧａＩｎＮ層からなる井戸層３８とからなる量子井戸構造として構成され、障壁層３６の上面と井戸層３８の下面との間、並びに井戸層３８の上面と障壁層３６の下面との間に、それぞれ厚さ０．５ｎｍのＡｌＩｎＧａＮ層からなる面状結晶欠陥抑制層４０を介在させた組み合わせを１回〜数回積層し、最上層を障壁層４１で終端させた構造(本実施例では、３重量子井戸構造)を有する。最上層の障壁層４１は組成が下部の障壁層３６と同じで、膜厚が下部の障壁層３６と同じか、又はより厚く設定されている。なお、面状結晶欠陥層４０のＡｌＩｎＧａＮ層は、障壁層３６のＡｌＩｎＧａＮ層と比較して、Ａｌ組成を多く、Ｉｎ組成を少なくする。
これにより、活性層２６の各構成層は、実施例４と同様に、図７に示すようなバンドギャップ・エネルギーを示す。
【実施例７】
【００４５】
本実施例では、実施例１の図２に示した活性層の代わりに、図５に示す活性層の構成として、図１に示した半導体レーザ素子１０を構成する。また、障壁層３６の材料を、実施例６と同様にＡｌＩｎＧａＮとする。さらに、面状結晶欠陥抑制層４０を、直線的に傾斜する組成分布を有する構成とする。
活性層２６は、図５に示すように、厚さ５ｎｍのＡｌＩｎＧａＮ層からなる障壁層３６と、厚さ２．５ｎｍのＧａＩｎＮ層からなる井戸層３８とからなる量子井戸構造として構成され、障壁層３６の上面と井戸層３８の下面との間、並びに井戸層３８の上面と障壁層３６の下面との間に、それぞれ厚さ０．５ｎｍのＡｌＩｎＧａＮ層からなる面状結晶欠陥抑制層４０を介在させた組み合わせを１回〜数回積層し、最上層を障壁層４１で終端させた構造(本実施例では、３重量子井戸構造)を有する。最上層の障壁層４１は組成が下部の障壁層３６と同じで、膜厚が下部の障壁層３６と同じか、又はより厚く設定されている。
ＡｌＩｎＧａＮ層からなる面状結晶欠陥抑制層４０は、障壁層と同一の組成から井戸層３８と同一の組成へと、直線的に傾斜する組成分布を有する。
これにより、活性層２６の各構成層は、実施例５と同様に、図８に示すようなバンドギャップ・エネルギーを示す。
【００４６】
そして、活性層２６を、上述の実施例３〜実施例７のいずれかの構成として半導体レーザ１０を構成した場合において、井戸層３８が高いＩｎ組成としても面状結晶欠陥及び線状結晶欠陥を発生しないようにすることが可能である。これにより、波長４４０ｎｍのレーザ光を高出力、高発光効率で、かつ高い信頼性で出射する半導体レーザ素子を実現することができる。
【００４７】
本発明は、４４０ｎｍ以上の発光波長で、高発光効率かつ高信頼性のＧａＮ系半導体発光素子の実現を目的としているものの、発光波長の別なく適用することができる。
【符号の説明】
【００４８】
１０ ＧａＮ系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体レーザ素子、１２ サファイア基板、１４ バッファ層、１６ 第１のＧａＮ層、１８ ストライプ状の凸部、２０ 第２のＧａＮ層、２２ ｎ側クラッド層、２４ ｎ側ガイド層、２６ 活性層、２８ 劣化防止層、３０ ｐ側ガイド層、３２ ｐ側クラッド層、３４ ｐ側コンタクト層、３６，６２ 障壁層、３８，６４ 井戸層、４０，７２ 面状結晶欠陥抑制層、４１ 最上層の障壁層、４２ ストライプ状リッジ、４４ メサ、４６ 絶縁膜、４８ ｐ側電極、５０ ｎ側電極、６０，７０，８０ ３重量子井戸構造
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＧａＮ系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体発光素子及びその製造方法に関し、更に詳細には、高発光効率で信頼性の高い、発光波長が４４０ｎｍ以上のＧａＮ系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体発光素子、及びその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ＧａＮ系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体は、直接遷移半導体であって、その禁制帯幅は１．９ｅＶから６．２ｅＶにわたっているので、可視領域から紫外領域までの発光を得ることができる化合物半導体である。
そのような半導体特性を有するＧａＮ系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体は、青色や緑色の半導体レーザダイオード（ＬＤ）や発光ダイオード（ＬＥＤ）などの半導体発光素子の材料として注目され、ＧａＮ系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を使った青色や緑色の半導体発光素子の開発が、近年、活発に行われている。
青色や緑色のＬＥＤはすでに実用化されており、また、ＬＤについても、光ディスクなどの光記録媒体の記録密度を向上させるために、発光波長４００ｎｍ程度の光が得られる青紫色半導体ＬＤの実用化が目前である。
そして、発光波長４００ｎｍより長波長の純青色、或いは緑色半導体レーザ素子は、レーザディスプレイ装置の光源として、また医療用機器への応用に対する期待から、その開発が求められている。
【０００３】
これら発光波長４００ｎｍから４６０ｎｍのＧａＮ系化合物半導体発光素子では、活性層を構成する量子井戸構造の井戸層として、主として、ＧａＩｎＮ層が用いられている。
青紫色から長波長化させるためには、井戸層を構成するＧａＩｎＮ層のＩｎ組成を増加させなければならないものの、Ｉｎ組成を増加させることによって、ＧａＩｎＮ層の結晶性が悪化し、その結果、ＧａＮ系化合物半導体発光素子の発光効率が低下する。
【０００４】
ＬＥＤは、注入電流密度が低いので、青紫色より長波長のＬＥＤを実用化する際にも、結晶性の悪化がさほど問題にならないこともあるが、注入電流密度の高い半導体レーザ素子では、結晶性の悪化により、半導体レーザ素子の発光効率が低下し、閾値が高まり、信頼性が悪化するという問題が生じる。
このため、発光波長４００ｎｍより長波長の純青色或いは緑色半導体レーザ素子の開発を進展させるには、Ｉｎ組成を増大させたときのＧａＩｎＮ層の結晶性の改善が望まれている。
【０００５】
そこで、例えば特開２０００−３４９３９８号公報は、高出力で、かつ素子信頼性の高い窒化物半導体発光素子を提供するために、以下のような構成を提案している。即ち、前掲公報で提案されている窒化物半導体発光素子は、ｎ型窒化物半導体からなるｎ型クラッド層、ＩｎcＧａ1-cＮ（０≦ｃ＜１）からなる井戸層を有する多重量子井戸構造からなる活性層、及びｐ型窒化物半導体からなるｐ型クラッド層とを備えた窒化物半導体発光素子であって、活性層とｐ型クラッド層との間に、ＡｌaＧａ1-aＮ（０＜ａ＜１）からなりかつｐ型クラッド層よりエネルギーギャップの大きい第１のｐ型窒化物半導体層と、ＡｌbＧａ1-bＮ（０＜ｂ＜１）からなる第２のｐ型窒化物半導体層とを介在させている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０００−３４９３９８号公報（第５頁、図１）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、上述の公報に開示されている構成は、青色半導体レーザ素子に適用することを意図したものであって、４００ｎｍより長波長のＧａＮ系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体レーザ素子で効果を奏するとは考えられない。
以上の説明から判る通り、発光波長４００ｎｍより長波長の純青色或いは緑色のＧａＮ系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体レーザ素子の実現が求められているものの、従来の技術では、活性層を構成するＧａＩｎＮ層のＩｎ組成を増大させて、発光波長を４００ｎｍより長波長化させようとしても、ＧａＩｎＮ層の結晶性が悪化して半導体レーザ素子の信頼性が低下するために、長波長化を実現することが難しかった。
そこで、本発明の課題は、発光波長が４４０ｎｍ以上であって、発光効率及び信頼性が高いＧａＮ系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体発光素子、及びその製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明者らは、Ｉｎ組成が増大すると、ＧａＩｎＮ層の結晶性が悪化する原因について、以下のように解析した。
ＧａＩｎＮ層の結晶性の悪化は、主として、２種類に分類される結晶欠陥の発生に起因する。一つは主に井戸層と障壁層との格子不整合に起因して活性層から結晶成長方向に延伸する線状結晶欠陥（転位）であり、もう一つは過剰なＩｎ−Ｉｎ結合に起因して活性層面内で発生する面状結晶欠陥である。
面状結晶欠陥とは、結晶欠陥が面状に生成する逆位相境界欠陥、積層欠陥等の結晶欠陥をいう。面状結晶欠陥は非発光中心となりうるので、面状結晶欠陥が存在すると、注入電流対光出力効率が低下する。
そこで、面状結晶欠陥の発生を抑制する対策を開発するために、以下の実験を行った。
【０００９】
実験例１
本発明者は、図９に示すように、Ｇａ1-xＩｎxＮ（ｘ＝０．０３）層からなる膜厚５ｎｍの障壁層６２とＧａ1-zＩｎzＮ（ｚ＝０．１４）層からなる厚さ２．５ｎｍ程度の井戸層６４との３重量子井戸構造６０を形成し、結晶欠陥の発生状況を調べたところ、面状結晶欠陥が、障壁層６２と井戸層６４との界面に発生していることがわかった。また、この結晶欠陥の面内密度は、１０９／ｃｍ２台以上であった。図９中、６６及び６８は、それぞれ、ｎ側光ガイド層及びｐ側光ガイド層である。尚、図９は実験例１の試料の活性層構造を示す断面図である。
障壁層６２としてＧａＮ層を用いても、結果はＧａ1-xＩｎxＮ（ｘ＝０．０３）層と同じであった。
【００１０】
実験例２
本発明者らは、障壁層６２の上面と井戸層６４の下面との間に面状結晶欠陥の発生を抑制する仕組みが必要と考えた。
そこで、本発明者は、図１０に示すように、実験例１と同じ障壁層６２の上面と井戸層６４の下面との間に、Ａｌを含み、Ｉｎを含まない厚さ１ｎｍ程度のＡｌyＧａ1-yＮ （y＝０．０２）層７２を面状結晶欠陥抑制層として介在させた３重量子井戸構造７０を形成した。つまり、実験例２の試料は、障壁層６２の上面と井戸層６４の下面との間に厚さ１ｎｍ程度のＡｌyＧａ1-yＮ （y＝０．０２）層７２を介在させたことを除いて、実験例１の試料と同じである。尚、図１０は実験例２の試料の活性層構造を示す断面図である。
結晶欠陥の発生状況を調べたところ、面状結晶欠陥の発生密度は１〜２桁以上、抑制されていた。面状結晶欠陥が発生すると、周囲に過剰な歪み場を生じることがあるため、面状結晶欠陥から転位などの線状結晶欠陥が発生することがあった。しかし、これらの線状結晶欠陥の発生も殆ど観察されなかった。
障壁層としてＧａＮ層を用いても、結果はＧａ1-xＩｎxＮ（ｘ＝０．０３）層と同じであった。
【００１１】
実験例３
さらに、本発明者は、図１１に示すように、実験例１と同じ障壁層６２の上面と井戸層６４の下面との間、並びに井戸層６２の上面と障壁層６２の下面との間に、Ａｌを含み、Ｉｎを含まない厚さ１ｎｍ程度のＡｌyＧａ1-yＮ（ｙ＝０．０２）層を面状結晶欠陥抑制層７２として介在させた３重量子井戸構造８０を形成した。つまり、実験例３の試料は、障壁層６２と井戸層６４の上下の間に厚さ１ｎｍ程度のＡｌyＧａ1-yＮ（ｙ＝０．０２）層７２を介在させたことを除いて、実験例１の試料と同じである。尚、図１１は実験例３の試料の活性層構造を示す断面図である。
結晶欠陥の発生状況を調べたところ、面状結晶欠陥の発生密度はさらに抑制されていた。
障壁層としてＧａＮ層を用いても、結果はＧａ1-xＩｎxＮ（ｘ＝０．０３）層と同じであった。
【００１２】
実験例４
また、本発明者は、障壁層６２としてＡｌzＧａ1-zＮ（ｚ＝０．０２）層を採用し、面状結晶欠陥抑制層７２として、厚さ０．５ｎｍ程度のＡｌyＧａ1-yＮ（ｙ＝０．０２５）層を採用した他は、実験例３と同様にして、図１１に断面図を示すような３重量子井戸構造８０を形成した。結晶欠陥の発生状況を調べたところ、実験例３と同様に、面状結晶欠陥の発生は抑制されていた。
【００１３】
実験例５
さらに、本発明者は、障壁層６２としてＡｌzＧａ1-zＮ（ｚ＝０．０２）層を採用し、面状結晶欠陥抑制層７２として、厚さ０．５ｎｍ程度のＡｌy1Ｉｎy2Ｇａ1-y1-y2Ｎ層７２を採用した他は、実験例３と同様にして、図１１に断面図を示すような３重量子井戸構造８０を形成した。ただし、面状結晶欠陥抑制層７２は、障壁層６２と同一の組成から井戸層６４と同一の組成へと、直線的に傾斜する組成分布を有する構成（すなわち０≦ｙ１≦０．０２、０≦ｙ２≦０．１４）とした。結晶欠陥の発生状況を調べたところ、面状結晶欠陥の発生密度は１０６／ｃｍ２以下と大きく抑制されていた。
【００１４】
上記課題を解決するために、上述の知見に基づいて、本発明に係るＧａＮ系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体発光素子は、ＧａＮ系化合物半導体からなる障壁層とＧａＩｎＮ層からなる井戸層との量子井戸構造の活性層を有し、発光波長が４４０ｎｍ以上のＧａＮ系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体発光素子において、障壁層がＧａ1-xＩｎxＮ（０≦ｘ＜０．１）層もしくは、Ａｌz1Ｉｎz2Ｇａ1-z1-z2Ｎ層（Ａｌ組成ｚ１が０≦ｚ１＜０．２、Ｉｎ組成ｚ２が０≦ｚ２＜０．１）であり、障壁層とＧａＩｎＮ井戸層の上面もしくは下面もしくはその双方との間に、膜厚０．２５ｎｍ以上３ｎｍ以下のＡｌxＧａ1-xＮ層（０．０２＜ｘ＜０．４）、からなる面状結晶欠陥抑制層が介在していることを特徴としている。
また、本発明に係る他のＧａＮ系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体発光素子は、ＧａＮ系化合物半導体からなる障壁層とＧａＩｎＮ層からなる井戸層との量子井戸構造の活性層を有し、発光波長が４４０ｎｍ以上のＧａＮ系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体発光素子において、Ａｌz1Ｉｎz2Ｇａ1-z1-z2Ｎ障壁層（Ａｌ組成ｚ１が０＜ｚ１＜０．２、Ｉｎ組成ｚ２が０＜ｚ２＜０．１）とＧａ1-yＩｎyＮ井戸層（Ｉｎ組成ｙが０＜ｙ＜０．２５）の下面もしくは上面もしくはその双方との間に、膜厚０．２５ｎｍ以上３ｎｍ以下のＡｌx1Ｉｎx2Ｇａ1-x1-x2Ｎ層（０＜ｘ１＜０．４、０＜ｘ２＜ｙ）からなる面状結晶欠陥抑制層が介在していることを特徴としている。
【００１５】
本発明で、ＧａＮ系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体とは、Ｖ族として窒素（Ｎ）を有し、組成がＡｌaＢbＧａcＩｎdＮxＰyＡｓz（ａ＋ｂ＋ｃ＋ｄ＝１、０≦ａ、ｂ、ｄ≦１、０＜ｃ≦１、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１、０＜ｘ≦１、０≦ｙ、ｚ≦１）で表示される化合物半導体である。
本発明で、障壁層の上面とは障壁層の基板と反対側の面を言い、井戸層の下面とは井戸層の基板側の面を言う。
本発明は、ＧａＮ系化合物半導体からなる障壁層とＧａＩｎＮ層からなる井戸層との量子井戸構造の活性層を有し、発光波長が４４０ｎｍ以上のＧａＮ系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体発光素子であるかぎり、活性層の構成に制約無く適用できる。また、リッジ形状、電流狭窄構造の構成を問わず、適用することができる。更には、半導体レーザ素子及び発光ダイオードの区別無く適用できる。
【００１６】
本発明の実施態様では、井戸層を構成するＧａ1-ｚＩｎｚＮ層のＩｎ組成ｚが０＜ｚ＜０．２５である。
【００１７】
本発明に係るＧａＮ系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体発光素子の製造方法は、ＧａＮ系化合物半導体からなる障壁層とＧａＩｎＮ層からなる井戸層との量子井戸構造の活性層を有し、発光波長が４４０ｎｍ以上のＧａＮ系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体発光素子の製造方法において、活性層の形成に際して、ＧａＩｎＮ井戸層の上面もしくは下面に、膜厚０．２５ｎｍ以上３ｎｍ以下のＡｌxＧａ1-xＮ層（０．０２＜ｘ＜０．４）からなる面状結晶欠陥抑制層を介在させる工程を有し、井戸層としてＧａ1-zＩｎzＮ（Ｉｎ組成ｚが０＜ｚ＜０．２５）層を成膜し、障壁層としてＧａ1-xＩｎxＮ（０≦ｘ＜０．１）層もしくはＡｌz1Ｉｎz2Ｇａ1-z1-z2Ｎ（Ａｌ組成ｚ１が０≦ｚ１＜０．２、Ｉｎ組成ｚ２が０≦ｚ２＜０．１）層を成膜することを特徴としている。
【００１８】
本発明の構成によれば、ＧａＩｎＮ井戸層の上面もしくは下面もしくはその双方の間に、Ａｌを含む膜厚３ｎｍ以下のＡｌxＧａ1-xＮ層（０．０２＜ｘ＜０．４）もしくは、Ａｌx1Ｉｎx2Ｇａ1-x1-x2Ｎ層を製膜させることにより、これらの層が面状結晶欠陥抑制層として機能する。これにより、井戸層のＩｎ組成増加に伴って生じる、ＧａＩｎＮ井戸層上面および下面の境界面での面状結晶欠陥の発生が抑制され、同時に、この井戸層より結晶成長方向に延伸する線状結晶欠陥（転位）の発生が抑制される。
本発明に係るＧａＮ系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体発光素子の構成を適用することにより、面状及び線状の結晶欠陥の発生を抑制し、発光波長が４４０ｎｍ以上であって、高発光効率で信頼性の高いＧａＮ系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体発光素子を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】実施例の半導体レーザ素子の構成を示す断面図である。
【図２】活性層の構成を示す層構造図である。
【図３】活性層の各構成層のバンドギャップ・エネルギー図である。
【図４】Ａ、Ｂ それぞれ、本実施例の方法に従って半導体レーザ素子を製造する際の主要工程の断面図である。
【図５】活性層の構成を示す層構造図である。
【図６】活性層の各構成層のバンドギャップ・エネルギー図である。
【図７】活性層の各構成層のバンドギャップ・エネルギー図である。
【図８】活性層の各構成層のバンドギャップ・エネルギー図である。
【図９】実験例１の試料の活性層構造を示す断面図である。
【図１０】実験例２の試料の活性層構造を示す断面図である。
【図１１】実験例３〜実験例５の試料の活性層構造を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下に、実施例を挙げ、添付図面を参照して、本発明を具体的かつ詳細に説明する。尚、以下の実施例で示す半導体発光素子の種類、化合物半導体層の成膜方法、組成、及び膜厚、プロセス条件等は、本発明の理解を容易にするための一つの例示であって、本発明はこの例示に限定されるものではない。
【実施例１】
【００２１】
（ＧａＮ系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体発光素子の実施例）
本実施例は、本発明に係るＧａＮ系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体発光素子を半導体レーザ素子に適用した実施例である。図１は本実施例の半導体レーザ素子の構成を示す断面図、図２は活性層の構成を示す層構造図、及び図３は活性層の各構成層のバンドギャップ・エネルギー図である。
本実施例のＧａＮ系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体レーザ素子（以下、半導体レーザ素子という）１０は、発振波長が４５０ｎｍの半導体レーザ素子であって、図１に示すように、積層方向の膜厚（以下、単に膜厚さという）３０ｎｍのＧａＮ系半導体よりなるバッファ層１４を介してサファイア基板１２のｃ面上に積層された厚さ１μｍの第１のＧａＮ層１６を有し、サファイア基板１２の表層、バッファ層１４、及び第１のＧａＮ層１６はストライプ状にエッチングされて、残部がストライプ状の凸部１８として形成されている。
【００２２】
半導体レーザ素子１０は、ストライプ状の凸部１８上を含めて基板１２上に、ＥＬＯ（Epitaxial Lateral Overgrowth）法によって積層された第２のＧａＮ層２０を有し、続いて第２のＧａＮ層２０の上に、ｎ側クラッド層２２、ｎ側ガイド層２４、活性層２６、劣化防止層２８、ｐ側ガイド層３０、ｐ側クラッド層３２、及びｐ側コンタクト層３４の積層構造を備えている。図１中、１９は基板１２上に第２のＧａＮ層２０を横成長させた際に基板１２と第２のＧａＮ層２０との間に生じる空隙部を示す。
バッファ層１４及び第１のＧａＮ層１６はアンドープ層であり、第２のＧａＮ層２０及びｎ側ガイド層２４は、ｎ型不純物としてケイ素（Ｓｉ）を添加したｎ型ＧａＮにより形成され、ｎ側クラッド層２２はｎ型不純物としてＳｉを添加したｎ型ＡｌＧａＮ混晶（Ａｌ組成が０．０７）層により構成されている。
【００２３】
活性層２６は、図２に示すように、厚さ５ｎｍのＧａＩｎＮ層からなる障壁層３６と、厚さ２．５ｎｍのＧａＩｎＮ層からなる井戸層３８とからなる量子井戸構造として構成され、障壁層３６の上面と井戸層３８の下面との間に厚さ１ｎｍのＡｌＧａＮ層からなる面状結晶欠陥抑制層４０を介在させた組み合わせを１回〜数回積層し、最上層を障壁層４１で終端させた構造(本実施例では、３重量子井戸構造)を有する。最上層の障壁層４１は組成が下部の障壁層３６と同じで、膜厚が下部の障壁層３６と同じか、又はより厚く設定されている。
例えば発光波長４５０ｎｍの半導体レーザでは、障壁層３６としてＧａＩｎＮを選択したときには、障壁層３６のＧａＩｎＮ層のＩｎ組成を０．０２に、井戸層３８のＩｎ組成を０．１６に、面状結晶欠陥抑制層４０のＡｌ組成を０．０２にする。尚、障壁層３６としてＧａＮ層を設けても良い。この場合も、井戸層３８のＩｎ組成は０．１６で、面状結晶欠陥抑制層４０のＡｌ組成は０．０２で良い。
これにより、活性層２６の各構成層は、図３に示すようなバンドギャップ・エネルギーを示す。
【００２４】
劣化防止層２８は、例えば厚さが２０ｎｍのＡｌＧａＮ（Ａｌ組成０．２）層により構成されている。ｐ側ガイド層３０及びｐ側コンタクト層３４はｐ型不純物としてマグネシウム（Ｍｇ）を添加したｐ型ＧａＮにより構成されている。ｐ側クラッド層３２はｐ型不純物としてＭｇを添加したｐ型ＡｌＧａＮ混晶（Ａｌ組成０．０７）層により構成されている。
【００２５】
ｐ側コンタクト層３４及びｐ側クラッド層３２の上部は、ストライプ状リッジ４２として形成されていて、電流狭窄構造として機能する。
また、ｐ側クラッド層３２の下部、ｐ側ガイド層３０、劣化防止層２８、活性層２６、ｎ側ガイド層２４、及びｎ側クラッド層２２は、エッチングされ、リッジ４２に平行なメサ４４として形成されると共に、第２のＧａＮ層２０の一部をメサ４４脇に露出させている。
【００２６】
リッジ４２の側面及びリッジ脇のｐ側クラッド層３２上には、二酸化ケイ素（ＳｉＯ2）などの絶縁材料よりなる絶縁膜４６が成膜され、絶縁膜４６のリッジ４２上のストライプ状開口を介してｐ側コンタクト層３４とオーミック接触するようにｐ側電極４８が形成されている。ｐ側電極４８は、ｐ側コンタクト層３４の上面からパラジウム（Ｐｄ）、白金（Ｐｔ）、及び金（Ａｕ）が順次積層された金属積層膜となっている。なお、このｐ側電極４８は、電流狭窄するために細い帯状（図１では、図面に対して垂直方向に延長された帯状、ストライプ状）に形成されている。
また、メサ４４脇に露出している第２のＧａＮ層２０の上には、チタン（Ｔｉ）、アルミニウム（Ａｌ）、及び金（Ａｕ）が順次積層された金属積層膜からなるｎ側電極５０が設けられている。
本実施例の半導体レーザ素子１０では、図示はしないが、反射鏡層が、ｐ側電極４８の長さ方向（すなわち共振器長方向）と垂直な一対の端面に、それぞれ設けられていて、共振器構造を構成している。
【００２７】
本実施例の半導体レーザ素子１０は、活性層２６を構成する障壁層３６の上面と井戸層３８の下面との間に厚さ１ｎｍのＡｌＧａＮ層からなる面状結晶欠陥抑制層４０を介在させているので、井戸層３８のＩｎ組成が０．１６という高いＩｎ組成であっても、面状結晶欠陥及び線状結晶欠陥が発生していない。
よって、本実施例の半導体レーザ素子１０を適用することにより、波長４４０ｎｍ以上のレーザ光を高出力、高発光効率で、しかも高い信頼性で出射する半導体レーザ素子を実現することができる。
【実施例２】
【００２８】
（ＧａＮ系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体発光素子の製造方法の実施例）
本実施例は、本発明に係るＧａＮ系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体発光素子の製造方法を上述の実施例の半導体レーザ素子１０の作製に適した実施例の一例である。図４Ａ及び図４Ｂは、それぞれ、本実施例の方法に従って半導体レーザ素子を製造する際の主要工程の断面図である。
本実施例の製造方法では、先ず、基本的には、図４Ａに示すように、従来の方法と同様にして、予めサーマルクリーニングなどにより表面を清浄化したｃ面サファイア基板１２上に、ＭＯＣＶＤ法により５２０℃程度の温度でアンドープのＧａＮバッファ層１４を成長させる。続いて、ＭＯＣＶＤ法により１０００℃程度の成長温度でＧａＮバッファ層１４上にアンドープの第１のＧａＮ層１６を成長させる。
次いで、ＭＯＣＶＤ装置から基板を取りだし、一定方向に延在するストライプ状のＳｉＯ2膜からなる保護マスク（図示せず）を第１のＧａＮ層１６上に形成し、保護マスクから露出している領域の第１のＧａＮ層１６、ＧａＮバッファ層１４、及びサファイア基板１２の表層をＲＩＥによってエッチングし、ストライプ状の凸部１８を形成する。
【００２９】
再び、ＭＯＣＶＤ装置に基板を搬入し、横方向成長が生じる条件で、ｎ型の第２のＧａＮ層２０をエピタキシャル成長させ、続いて第２のＧａＮ層２０上に、順次、ＭＯＣＶＤ法によりｎ側ＡｌＧａＮクラッド層２２、ｎ側ＧａＮ光ガイド層２４、活性層２６、劣化防止層２８、ｐ側ＧａＮ光ガイド層３０、ｐ側ＡｌＧａＮクラッド層３２、及びｐ側ＧａＮコンタクト層３４を成膜して、図４Ｂに示すように、積層構造を形成する。
【００３０】
本実施例では、活性層２６の形成に際して、障壁層３６として厚さ５ｎｍのＧａＩｎＮ（Ｉｎ組成は０．０２）層を、面状結晶欠陥抑制層４０として厚さ１ｎｍのＡｌＧａＮ（Ａｌ組成は０．０２）層を、井戸層３８として厚さ２．５ｎｍのＧａＩｎＮ（Ｉｎ組成は０．１６）層を順次成膜し、障壁層３６、面状結晶欠陥抑制層４０、及び井戸層３８の組み合わせを所定回数(本実施例では３回)積層させ、最上層を障壁層４１で終端させる。
【００３１】
上述のＧａＮ系半導体層の成長原料は、例えば、ＩＩＩ族元素のＧａの原料としてトリメチルガリウム（（ＣＨ3）3Ｇａ、ＴＭＧ）を、ＩＩＩ族元素のＡｌの原料としてトリメチルアルミニウム（（ＣＨ3）3Ａｌ、ＴＭＡｌ）を、ＩＩＩ族原料のＩｎの原料としてトリメチルインジウム（（ＣＨ3）3Ｉｎ、ＴＭＩｎ）を、Ｖ族元素のＮの原料としてアンモニア（ＮＨ3）を用いる。
また、キャリアガスは、例えば水素（Ｈ2）と窒素（Ｎ2）との混合ガスを用いる。
ドーパントは、ｎ型ドーパントとして例えばモノシラン（ＳｉＨ4）を、ｐ型ドーパントとして例えばビス＝メチルシクロペタジエニルマグネシウム（ＣＨ3Ｃ5Ｈ4）2Ｍｇ；ＭｅＣｐ2Ｍｇ）、又はビス＝シクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃ5Ｈ5）2Ｍｇ；Ｃｐ2Ｍｇ）を用いる。
【００３２】
次に、積層構造を形成した基板をＭＯＣＶＤ装置から再び取りだし、フォトリソグラフィ処理とエッチング加工により、ｐ側ＧａＮコンタクト層３４及びｐ側クラッド層３２の上部をエッチングして、図４Ｂに示すように、隣り合う凸部１８の間の領域にストライプ状リッジ４２を形成すると共にリッジ脇にｐ側クラッド層３２を露出させる。
【００３３】
続いて、リッジ４２のｐ側ＧａＮコンタクト層３４上、リッジ４２の側面、及びｐ側クラッド層３２上に連続して、例えばＣＶＤ法によりＳｉＯ2 よりなる絶縁膜４６を形成する。
次いで、絶縁膜４６の上に、図示しないレジスト膜を塗布し、フォトリソグラフィ処理によってｐ側電極４８の形成位置に対応したマスクパターンを形成し、続いてこれをマスクとして絶縁膜４６を選択的にエッチング除去して、図４Ｂに示すように、ｐ側電極４８の形成位置に対応した開口を形成する。
【００３４】
次いで、図示しないが、基板全面に、すなわち絶縁膜４６が選択的に除去されたｐ側ＧａＮコンタクト層３４上及び図示しないレジスト膜上に、例えばパラジウム（Ｐｄ）、白金（Ｐｔ）、及び金（Ａｕ）を順次蒸着し、次いでリフトオフ法により図示しないレジスト膜及びこのレジスト膜の上に蒸着されたパラジウム、白金及び金の積層膜を共に除去して、図１に示すように、ｐ側電極４８を形成する。
【００３５】
ｐ側電極４８を形成したのち、ｎ側電極５０の形成位置に対応して、絶縁膜４６、ｐ側クラッド層３２、ｐ側光ガイド層３０、劣化防止層２８、活性層２６、ｎ側光ガイド層２４、及びｎ側クラッド層２２を順次選択的に除去して、メサ４４を形成すると共に第２のＧａＮ層２０を露出させる。
次いで、第２のＧａＮ層２０の上にチタン、アルミニウム、及び金を選択的に順次蒸着してｎ側電極５０を形成する。
ｎ側電極５０を形成したのち、基板１２をｐ側電極４８の長さ方向（共振器長方向）と垂直に所定の幅で劈開し、その劈開面に反射鏡層を形成する。これにより、図１に示した半導体レーザ素子が形成される。
【００３６】
上述の実施例では、成長方法をＭＯＣＶＤ法に限定して説明したが、ハライド気相成長法や分子線エピタキシー（Molecular Beam Epitaxy；ＭＢＥ）法などの他の気相成長法により成長させるようにしてもよい。
【００３７】
このようにして製造した本実施例のＧａＮ系半導体レーザ素子１０では、活性層２６の障壁層３６の上面と井戸層３８の下面との間にＡｌＧａＮからなる面状結晶欠陥抑制層４０が挿入されているので、井戸層３８のＩｎ組成増加に伴って生じる面状結晶欠陥の発生が抑制され、良好な結晶性の井戸層３８を成膜することができる。また、井戸層３８との格子不整合が大きい面状結晶欠陥抑制層４０は井戸層３８の下面にのみ配置されているので、高いデバイス設計マージンを維持しつつ、井戸層３８から結晶成長方向へと延伸する転位の発生を抑制することができる。
このように、本実施例では、井戸層のＩｎ組成が高くなるにつれて生じる２種類の結晶欠陥、即ち面状及び線状の結晶欠陥の発生を抑制することができるので、４４０ｎｍ以上の発光波長で、高発光効率かつ高信頼性のＧａＮ系半導体レーザ素子を製造することができる。
【００３８】
（ＧａＮ系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体発光素子のその他の実施例）
図１〜図３に示した実施例の他にも、本発明に係るＧａＮ系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体発光素子は、様々な構成が可能である。本発明に係るＧａＮ系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体発光素子のその他の実施例を以下に示す。
【実施例３】
【００３９】
本実施例では、実施例１の図２に示した活性層の代わりに、図５に示す活性層の構成として、図１に示した半導体レーザ素子１０を構成する。
活性層２６は、図５に示すように、厚さ５ｎｍのＧａＩｎＮ層からなる障壁層３６と、厚さ２．５ｎｍのＧａＩｎＮ層からなる井戸層３８とからなる量子井戸構造として構成され、障壁層３６の上面と井戸層３８の下面との間、並びに井戸層３８の上面と障壁層３６の下面との間に、それぞれ厚さ１ｎｍのＡｌＧａＮ層からなる面状結晶欠陥抑制層４０を介在させた組み合わせを１回〜数回積層し、最上層を障壁層４１で終端させた構造(本実施例では、３重量子井戸構造)を有する。最上層の障壁層４１は組成が下部の障壁層３６と同じで、膜厚が下部の障壁層３６と同じか、又はより厚く設定されている。
【００４０】
例えば発光波長４５０ｎｍの半導体レーザでは、障壁層３６としてＧａＩｎＮを選択したときには、障壁層３６のＧａＩｎＮ層のＩｎ組成を０．０２に、井戸層３８のＩｎ組成を０．１６に、面状結晶欠陥抑制層４０のＡｌ組成を０．０２にする。尚、障壁層３６としてＧａＮ層を設けても良い。この場合も、井戸層３８のＩｎ組成は０．１６で、面状結晶欠陥抑制層４０のＡｌ組成は０．０２で良い。
これにより、活性層２６の各構成層は、図６に示すようなバンドギャップ・エネルギーを示す。
【実施例４】
【００４１】
本実施例では、実施例１の図２に示した活性層の代わりに、図５に示す活性層の構成として、図１に示した半導体レーザ素子１０を構成する。また、障壁層３６の材料を、実施例３のＧａＩｎＮの代わりにＡｌＧａＮとする。
活性層２６は、図５に示すように、厚さ５ｎｍのＡｌＧａＮ層からなる障壁層３６と、厚さ２．５ｎｍのＧａＩｎＮ層からなる井戸層３８とからなる量子井戸構造として構成され、障壁層３６の上面と井戸層３８の下面との間、並びに井戸層３８の上面と障壁層３６の下面との間に、それぞれ厚さ０．５ｎｍのＡｌＧａＮ層からなる面状結晶欠陥抑制層４０を介在させた組み合わせを１回〜数回積層し、最上層を障壁層４１で終端させた構造(本実施例では、３重量子井戸構造)を有する。最上層の障壁層４１は組成が下部の障壁層３６と同じで、膜厚が下部の障壁層３６と同じか、又はより厚く設定されている。
尚、障壁層３６としてＧａＮ層を設けても良い。
これにより、活性層２６の各構成層は、図７に示すようなバンドギャップ・エネルギーを示す。図７では、障壁層３６と面状結晶欠陥抑制層４０とのバンドギャップの差が小さくなっている。
【実施例５】
【００４２】
本実施例では、実施例１の図２に示した活性層の代わりに、図５に示す活性層の構成として、図１に示した半導体レーザ素子１０を構成する。また、障壁層３６の材料を、実施例４と同様にＡｌＧａＮとする。さらに、面状結晶欠陥抑制層４０を、直線的に傾斜する組成分布を有する構成とする。
活性層２６は、図５に示すように、厚さ５ｎｍのＡｌＧａＮ層からなる障壁層３６と、厚さ２．５ｎｍのＧａＩｎＮ層からなる井戸層３８とからなる量子井戸構造として構成され、障壁層３６の上面と井戸層３８の下面との間、並びに井戸層３８の上面と障壁層３６の下面との間に、それぞれ厚さ０．５ｎｍのＡｌＩｎＧａＮ層からなる面状結晶欠陥抑制層４０を介在させた組み合わせを１回〜数回積層し、最上層を障壁層４１で終端させた構造(本実施例では、３重量子井戸構造)を有する。最上層の障壁層４１は組成が下部の障壁層３６と同じで、膜厚が下部の障壁層３６と同じか、又はより厚く設定されている。
ＡｌＩｎＧａＮ層からなる面状結晶欠陥抑制層４０は、障壁層と同一の組成から井戸層３８と同一の組成へと、直線的に傾斜する組成分布を有する。
【００４３】
例えば発光波長４５０ｎｍの半導体レーザでは、障壁層３６としてＧａＩｎＮを選択したときには、障壁層３６のＧａＩｎＮ層のＩｎ組成を０．０２に、井戸層３８のＩｎ組成を０．１６にする。そして、面状結晶欠陥抑制層４０のＡｌy1Ｉｎy2Ｇａ1-y1-y2Ｎ層のＡｌ組成ｙ１を０≦ｙ１≦０．０２、Ｉｎ組成ｙ２を０≦ｙ２≦０．１６にする。尚、障壁層３６としてＧａＮ層を設けても良い。
これにより、活性層２６の各構成層は、図８に示すようなバンドギャップ・エネルギーを示す。図８では、面状結晶欠陥抑制層４０が直線的に傾斜する組成分布を有するため、面状結晶欠陥抑制層４０のバンドギャップが傾斜面になっている。
【実施例６】
【００４４】
本実施例では、実施例１の図２に示した活性層の代わりに、図５に示す活性層の構成として、図１に示した半導体レーザ素子１０を構成する。また、障壁層３６の材料を、実施例３のＧａＩｎＮの代わりにＡｌＩｎＧａＮとする。
活性層２６は、図５に示すように、厚さ５ｎｍのＡｌＩｎＧａＮ層からなる障壁層３６と、厚さ２．５ｎｍのＧａＩｎＮ層からなる井戸層３８とからなる量子井戸構造として構成され、障壁層３６の上面と井戸層３８の下面との間、並びに井戸層３８の上面と障壁層３６の下面との間に、それぞれ厚さ０．５ｎｍのＡｌＩｎＧａＮ層からなる面状結晶欠陥抑制層４０を介在させた組み合わせを１回〜数回積層し、最上層を障壁層４１で終端させた構造(本実施例では、３重量子井戸構造)を有する。最上層の障壁層４１は組成が下部の障壁層３６と同じで、膜厚が下部の障壁層３６と同じか、又はより厚く設定されている。なお、面状結晶欠陥層４０のＡｌＩｎＧａＮ層は、障壁層３６のＡｌＩｎＧａＮ層と比較して、Ａｌ組成を多く、Ｉｎ組成を少なくする。
これにより、活性層２６の各構成層は、実施例４と同様に、図７に示すようなバンドギャップ・エネルギーを示す。
【実施例７】
【００４５】
本実施例では、実施例１の図２に示した活性層の代わりに、図５に示す活性層の構成として、図１に示した半導体レーザ素子１０を構成する。また、障壁層３６の材料を、実施例６と同様にＡｌＩｎＧａＮとする。さらに、面状結晶欠陥抑制層４０を、直線的に傾斜する組成分布を有する構成とする。
活性層２６は、図５に示すように、厚さ５ｎｍのＡｌＩｎＧａＮ層からなる障壁層３６と、厚さ２．５ｎｍのＧａＩｎＮ層からなる井戸層３８とからなる量子井戸構造として構成され、障壁層３６の上面と井戸層３８の下面との間、並びに井戸層３８の上面と障壁層３６の下面との間に、それぞれ厚さ０．５ｎｍのＡｌＩｎＧａＮ層からなる面状結晶欠陥抑制層４０を介在させた組み合わせを１回〜数回積層し、最上層を障壁層４１で終端させた構造(本実施例では、３重量子井戸構造)を有する。最上層の障壁層４１は組成が下部の障壁層３６と同じで、膜厚が下部の障壁層３６と同じか、又はより厚く設定されている。
ＡｌＩｎＧａＮ層からなる面状結晶欠陥抑制層４０は、障壁層と同一の組成から井戸層３８と同一の組成へと、直線的に傾斜する組成分布を有する。
これにより、活性層２６の各構成層は、実施例５と同様に、図８に示すようなバンドギャップ・エネルギーを示す。
【００４６】
そして、活性層２６を、上述の実施例３〜実施例７のいずれかの構成として半導体レーザ１０を構成した場合において、井戸層３８が高いＩｎ組成としても面状結晶欠陥及び線状結晶欠陥を発生しないようにすることが可能である。これにより、波長４４０ｎｍのレーザ光を高出力、高発光効率で、かつ高い信頼性で出射する半導体レーザ素子を実現することができる。
【００４７】
本発明は、４４０ｎｍ以上の発光波長で、高発光効率かつ高信頼性のＧａＮ系半導体発光素子の実現を目的としているものの、発光波長の別なく適用することができる。
【符号の説明】
【００４８】
１０ ＧａＮ系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体レーザ素子、１２ サファイア基板、１４ バッファ層、１６ 第１のＧａＮ層、１８ ストライプ状の凸部、２０ 第２のＧａＮ層、２２ ｎ側クラッド層、２４ ｎ側ガイド層、２６ 活性層、２８ 劣化防止層、３０ ｐ側ガイド層、３２ ｐ側クラッド層、３４ ｐ側コンタクト層、３６，６２ 障壁層、３８，６４ 井戸層、４０，７２ 面状結晶欠陥抑制層、４１ 最上層の障壁層、４２ ストライプ状リッジ、４４ メサ、４６ 絶縁膜、４８ ｐ側電極、５０ ｎ側電極、６０，７０，８０ ３重量子井戸構造
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＧａＮ系化合物半導体からなる障壁層とＧａＩｎＮ層からなる井戸層との量子井戸構造の活性層を有し、発光波長が４４０ｎｍ以上のＧａＮ系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体発光素子において、
障壁層がＧａ1-xＩｎxＮ（０≦ｘ＜０．１）層であり、
障壁層とＧａＩｎＮ井戸層の下面もしくは上面もしくはその双方との間に、膜厚０．２５ｎｍ以上３ｎｍ以下のＡｌxＧａ1-xＮ層（０．０２＜ｘ＜０．４）からなる面状結晶欠陥抑制層が介在しているＧａＮ系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体発光素子。
【請求項２】
井戸層を構成するＧａ1-ｚＩｎｚＮ層のＩｎ組成ｚが０＜ｚ＜０．２５である請求項１に記載のＧａＮ系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体発光素子。
【請求項３】
ＧａＮ系化合物半導体からなる障壁層とＧａＩｎＮ層からなる井戸層との量子井戸構造の活性層を有し、発光波長が４４０ｎｍ以上のＧａＮ系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体発光素子において、
障壁層がＡｌz1Ｉｎz2Ｇａ1-z1-z2Ｎ（Ａｌ組成ｚ１が０≦ｚ１＜０．２、Ｉｎ組成ｚ２が０≦ｚ２＜０．１）層であり、
障壁層とＧａＩｎＮ井戸層の下面もしくは上面もしくはその双方との間に、膜厚０．２５ｎｍ以上３ｎｍ以下のＡｌxＧａ1-xＮ層（０．０２＜ｘ＜０．４）からなる面状結晶欠陥抑制層が介在しているＧａＮ系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体発光素子。
【請求項４】
井戸層を構成するＧａ1-ｚＩｎｚＮ層のＩｎ組成ｚが０＜ｚ＜０．２５である請求項３に記載のＧａＮ系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体発光素子。
【請求項５】
ＧａＮ系化合物半導体からなる障壁層とＧａＩｎＮ層からなる井戸層との量子井戸構造の活性層を有し、発光波長が４４０ｎｍ以上のＧａＮ系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体発光素子の製造方法において、
活性層の形成に際して、障壁層とＧａＩｎＮ井戸層の下面もしくは上面もしくはその双方との間に、膜厚０．２５ｎｍ以上３ｎｍ以下のＡｌxＧａ1-xＮ層（０．０２＜ｘ＜０．４）からなる面状結晶欠陥抑制層を介在させる工程を有し、
井戸層としてＧａ1-zＩｎzＮ（Ｉｎ組成ｚが０＜ｚ＜０．２５）層を成膜し、障壁層としてＧａ1-xＩｎxＮ（０≦ｘ＜０．１）層を成膜するＧａＮ系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体発光素子の製造方法。
【請求項６】
ＧａＮ系化合物半導体からなる障壁層とＧａＩｎＮ層からなる井戸層との量子井戸構造の活性層を有し、発光波長が４４０ｎｍ以上のＧａＮ系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体発光素子の製造方法において、
活性層の形成に際して、障壁層とＧａＩｎＮ井戸層の下面もしくは上面もしくはその双方との間に、膜厚０．２５ｎｍ以上３ｎｍ以下のＡｌxＧａ1-xＮ層（０．０２＜ｘ＜０．４）からなる面状結晶欠陥抑制層を介在させる工程を有し、
井戸層としてＧａ1-zＩｎzＮ（Ｉｎ組成ｚが０＜ｚ＜０．２５）層を成膜し、障壁層としてＡｌz1Ｉｎz2Ｇａ1-z1-z2Ｎ（Ａｌ組成ｚ１が０≦ｚ１＜０．２、Ｉｎ組成ｚ２が０≦ｚ２＜０．１）層を成膜するＧａＮ系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体発光素子の製造方法。
【請求項７】
ＧａＮ系化合物半導体からなる障壁層とＧａＩｎＮ層からなる井戸層との量子井戸構造の活性層を有し、発光波長が４４０ｎｍ以上のＧａＮ系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体発光素子において、
Ａｌz1Ｉｎz2Ｇａ1-z1-z2Ｎ障壁層（Ａｌ組成ｚ１が０＜ｚ１＜０．２、Ｉｎ組成ｚ２が０＜ｚ２＜０．１）とＧａ1-yＩｎyＮ井戸層（Ｉｎ組成ｙが０＜ｙ＜０．２５）の下面もしくは上面もしくはその双方との間に、膜厚０．２５ｎｍ以上３ｎｍ以下のＡｌx1Ｉｎx2Ｇａ1-x1-x2Ｎ層（０＜ｘ１＜０．４、０＜ｘ２＜ｙ）からなる面状結晶欠陥抑制層が介在しているＧａＮ系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体発光素子。
【請求項１】
ＧａＮ系化合物半導体からなる障壁層とＧａＩｎＮ層からなる井戸層との量子井戸構造の活性層を有し、発光波長が４４０ｎｍ以上のＧａＮ系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体発光素子において、
障壁層がＧａ1-xＩｎxＮ（０≦ｘ＜０．１）層であり、
障壁層とＧａＩｎＮ井戸層の下面もしくは上面もしくはその双方との間に、膜厚０．２５ｎｍ以上３ｎｍ以下のＡｌxＧａ1-xＮ層（０．０２＜ｘ＜０．４）からなる面状結晶欠陥抑制層が介在しているＧａＮ系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体発光素子。
【請求項２】
井戸層を構成するＧａ1-ｚＩｎｚＮ層のＩｎ組成ｚが０＜ｚ＜０．２５である請求項１に記載のＧａＮ系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体発光素子。
【請求項３】
ＧａＮ系化合物半導体からなる障壁層とＧａＩｎＮ層からなる井戸層との量子井戸構造の活性層を有し、発光波長が４４０ｎｍ以上のＧａＮ系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体発光素子において、
障壁層がＡｌz1Ｉｎz2Ｇａ1-z1-z2Ｎ（Ａｌ組成ｚ１が０≦ｚ１＜０．２、Ｉｎ組成ｚ２が０≦ｚ２＜０．１）層であり、
障壁層とＧａＩｎＮ井戸層の下面もしくは上面もしくはその双方との間に、膜厚０．２５ｎｍ以上３ｎｍ以下のＡｌxＧａ1-xＮ層（０．０２＜ｘ＜０．４）からなる面状結晶欠陥抑制層が介在しているＧａＮ系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体発光素子。
【請求項４】
井戸層を構成するＧａ1-ｚＩｎｚＮ層のＩｎ組成ｚが０＜ｚ＜０．２５である請求項３に記載のＧａＮ系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体発光素子。
【請求項５】
ＧａＮ系化合物半導体からなる障壁層とＧａＩｎＮ層からなる井戸層との量子井戸構造の活性層を有し、発光波長が４４０ｎｍ以上のＧａＮ系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体発光素子の製造方法において、
活性層の形成に際して、障壁層とＧａＩｎＮ井戸層の下面もしくは上面もしくはその双方との間に、膜厚０．２５ｎｍ以上３ｎｍ以下のＡｌxＧａ1-xＮ層（０．０２＜ｘ＜０．４）からなる面状結晶欠陥抑制層を介在させる工程を有し、
井戸層としてＧａ1-zＩｎzＮ（Ｉｎ組成ｚが０＜ｚ＜０．２５）層を成膜し、障壁層としてＧａ1-xＩｎxＮ（０≦ｘ＜０．１）層を成膜するＧａＮ系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体発光素子の製造方法。
【請求項６】
ＧａＮ系化合物半導体からなる障壁層とＧａＩｎＮ層からなる井戸層との量子井戸構造の活性層を有し、発光波長が４４０ｎｍ以上のＧａＮ系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体発光素子の製造方法において、
活性層の形成に際して、障壁層とＧａＩｎＮ井戸層の下面もしくは上面もしくはその双方との間に、膜厚０．２５ｎｍ以上３ｎｍ以下のＡｌxＧａ1-xＮ層（０．０２＜ｘ＜０．４）からなる面状結晶欠陥抑制層を介在させる工程を有し、
井戸層としてＧａ1-zＩｎzＮ（Ｉｎ組成ｚが０＜ｚ＜０．２５）層を成膜し、障壁層としてＡｌz1Ｉｎz2Ｇａ1-z1-z2Ｎ（Ａｌ組成ｚ１が０≦ｚ１＜０．２、Ｉｎ組成ｚ２が０≦ｚ２＜０．１）層を成膜するＧａＮ系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体発光素子の製造方法。
【請求項７】
ＧａＮ系化合物半導体からなる障壁層とＧａＩｎＮ層からなる井戸層との量子井戸構造の活性層を有し、発光波長が４４０ｎｍ以上のＧａＮ系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体発光素子において、
Ａｌz1Ｉｎz2Ｇａ1-z1-z2Ｎ障壁層（Ａｌ組成ｚ１が０＜ｚ１＜０．２、Ｉｎ組成ｚ２が０＜ｚ２＜０．１）とＧａ1-yＩｎyＮ井戸層（Ｉｎ組成ｙが０＜ｙ＜０．２５）の下面もしくは上面もしくはその双方との間に、膜厚０．２５ｎｍ以上３ｎｍ以下のＡｌx1Ｉｎx2Ｇａ1-x1-x2Ｎ層（０＜ｘ１＜０．４、０＜ｘ２＜ｙ）からなる面状結晶欠陥抑制層が介在しているＧａＮ系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体発光素子。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２０１１−５４９８２（Ｐ２０１１−５４９８２Ａ）
【公開日】平成２３年３月１７日（２０１１．３．１７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２３８７３９（Ｐ２０１０−２３８７３９）
【出願日】平成２２年１０月２５日（２０１０．１０．２５）
【分割の表示】特願２００５−５１３４００（Ｐ２００５−５１３４００）の分割
【原出願日】平成１６年８月２６日（２００４．８．２６）
【出願人】（０００００２１８５）ソニー株式会社 (34,172)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年３月１７日（２０１１．３．１７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１０月２５日（２０１０．１０．２５）
【分割の表示】特願２００５−５１３４００（Ｐ２００５−５１３４００）の分割
【原出願日】平成１６年８月２６日（２００４．８．２６）
【出願人】（０００００２１８５）ソニー株式会社 (34,172)
【Ｆターム（参考）】
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