WO1998031055A1 - Dispositif a semi-conducteur au nitrure - Google Patents

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Masayuki Senoh
Shuji Nakamura
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Description

明 細 書 窒化物半導体素子 技術分野
本発明は、 LED (発光ダイオード） 、 LD (レーザダイオード） 、 あ るいはスーパルミネッセントダイォ一ド （SLD) 等の発光素子、 太陽電 池、 光センサー等の受光素子、 あるいはトランジスタ、 パワーデバイス等 の電子デバイスに使用される窒化物半導体 （ I nxA 1 YG ai-χ-γΝ, 0 ≤Χ、 0≤Υ、 Χ + Υ≤ 1) を用いた素子に関する。 背景技術
窒化物半導体は高輝度青色 LED、 純緑色 LEDの材料として、 フル力 ラー LEDディスプレイ、 交通信号等で最近実用化されたばかりである。 これらの各種デバイスに使用される LEDは、 I nG aNよりなる井戸層 を有する単一量子井戸構造 （SQW： Single-Quantum- Well) 、 若しくは 多重量子井戸構造 （MQW： Multi- Quantum- Well) の活性層が、 n型窒化 物半導体層と p型窒化物半導体層との間に挟まれたダブルへテロ構造を有 している。 青色、 緑色等の波長は I n G a N井戸層の I n組成比を増減す ることで決定されている。
また、 本出願人は、 最近この材料を用いてパルス電流下、 室温での 41
0 nmのレーザ発振を世界で初めて発表した {例えば、 Jpn. J. Appl. Phys. 35(1996)L74、 Jpn. J. Appl. Phys.35(1996)L217等 } 。 このレーザ素子は、
1 nG aNよりなる井戸層を用いた多重量子井戸構造の活性層を有するダ ブルへテロ構造を有し、 パルス幅 2 s、 パルス周期 2msの条件で、 閾 値電流 610mA、 閾値電流密度 8. 7 k A/cm2. 410 nmの発振を 示す。 さらに、 我々は改良したレーザ素子を Appl.Phys. Lett.69(1996)147 7において発表した。 このレーザ素子は、 p型窒化物半導体層の一部にリツ ジストライプが形成された構造を有しており、 パルス幅 1 s、 パルス周 期 lms、 デューティ一比 0. 1%で、 閾値電流 187mA、 閾値電流密 度 S kAZcm^ 410 nmの発振を示す。 そして、 さらに我々は室温で の連続発振にも初めて成功し、 発表した。 {例えば、 日経エレク トロニク ス 1996年 12月 2日号 技術速報、 Appl.Phys. Lett.69(1996)3034. Appl. Phy s. Lett.69(1996)4056 等 }、 このレーザ素子は 20 °Cにおいて、 閾値電流 密度 3. 6 k AZcm2、 閾値電圧 5. 5V、 1. 5mW出力において、 2 7時間の連続発振を示す。
窒化物半導体よりなる青色、 緑色 LEDは順方向電流 （I f ) 2 OmA で、 順方向電圧 （V f ) が 3. 4V〜3. 6Vあり、 GaA 1 A s系の半 導体よりなる赤色 L E Dに比べて 2 V以上高いため、 さらなる V f の低下 が望まれている。 また、 LDでは閾値での電流、 電圧が未だ高く、 室温で 長時間連続発振させるためには、 この閾値電流、 電圧が下がるような、 さ らに効率の高い素子を実現する必要がある。
レーザ素子の閾値電圧を低下させることができれば、 その技術を LED 素子に適用すると、 LED素子の V f の低下が予想できる。 従って本発明 の目的とするところは、 主として窒化物半導体よりなる LD素子の閾値で の電流、 電圧を低下させることにより長時間の連続発振を実現することに ある。
なお、 本明細書において使用する一般式 I nxGa!— xN、 A 1 YG a!-γ N等は単に窒化物半導体層の組成式を示すものであって、 異なる層が例え ば同一の組成式で示されていても、 それらの層の X値、 Y値が一致してい ることを示すものではない。 発明の開示
本発明に係る第 1の窒化物半導体素子は、 1又は 2以上の窒化物半導体 層からなる p導電側の半導体領域と、 該 p導電側の半導体領域を介してキヤ リアが注入されて所定の動作をする窒化物半導体からなる活性層とを備え た窒化物半導体素子において、 前記 p導電側の半導体領域 ø少なくとも 1 つの窒化物半導体層は、 それぞれ窒化物半導体からなりかつ互いに組成の 異なる第 1の層と第 2の層とが積層された超格子層であることを特徵とす る o
このようにすると、 前記超格子層である窒化物半導体層の結晶性を良好 にでき、 該窒化物半導体層の抵抗値を極めて低くできる。 これによつて、 前記 P導電側の半導体領域の抵抗を小さくできるので、 前記窒化物半導体 素子の電力効率を高くすることができる。
ここで、 P導電側の半導体領域とは活性層と正電極 （P電極） との間に ある 1又は 2以上の窒化物半導体層からなる領域を指し、 n導電側の半導 体領域とは、 活性層を挟んで p導電側と反対側にある 1又は 2以上の窒化 物半導体層からなる領域を指すものとする。
また、 本発明に係る第 2の窒化物半導体素子は、 1又は 2以上の窒化物 半導体層からなる n導電側の半導体領域と 1又は 2以上の窒化物半導体層 からなる p導電側の半導体領域との間に、 窒化物半導体からなる活性層を 有する窒化物半導体素子において、 前記 p導電側の半導体領域又は前記 n 導電側の半導体領域の少なくとも 1つの窒化物半導体層は、 それぞれ窒化 物半導体からなりかつ互いに組成の異なる第 1の層と第 2の層とが積層さ れた超格子層であることを特徴とする。 このようにすると、 前記超格子層の結晶性を良好にでき、 該窒化物半導 体層の抵抗値を極めて低くできるので、 前記 P導電側の半導体領域又は前 記 n導電側の半導体領域の抵抗を小さくできるので、 前記窒化物半導体素 子の電力効率を高くすることができる。
また、 本発明の第 1と第 2の窒化物半導体素子においては、 前記超格子 層の結晶性をさらに良くするために、 前記超格子層は、 100オングスト ローム以下の膜厚を有する窒化物半導体からなる第 1の層と、 該第 1の層 と組成が異なりかつ 100オングストローム以下の膜厚を有する窒化物半 導体からなる第 2の層とが積層されることが好ましい。
さらに、 本発明の第 1又は第 2の窒化物半導体素子においては、 活性層 にキヤリャを閉じ込めるために、 前記第 1の層、 及び第 2の層の内の少な くとも一方が、 比較的、 エネルギーバンドギャップの大きい、 少なく とも A 1を含む窒化物半導体で形成されることが好ましく、 A l vG a!-YN (0 <Y≤1) で形成することがさらに好ましい。
また、 本発明の第 1又は第 2の窒化物半導体素子において、 第 1の層が I nxG ,-χΝ (0≤X≤ 1) カヽらなり、 第 2の層が A 1 YG a I -YN (0 ≤Y≤1, X = Y≠ 0) からなることが好ましい。 これによつて、 窒化物 半導体全体の結晶性を良くできるので、 該窒化物半導体素子の出力を向上 させることができる （電力効率の向上） 。 従って、 該素子が LED素子又 は LD素子である場合には、 順方向電圧 （以下単に V f という） 、 閾値電 流、 電圧等を低くすることができる。
尚、 本発明の第 1又は第 2の窒化物半導体素子では、 さらに結晶欠陥の 少ない層を形成するために、 前記超格子層において、 前記第 1の層が式 I nxG aj-xN (0≤X< 1) で表される窒化物半導体からなり、 かつ前記 第 2の層が式 A 1 vG a^ YN (0<Yく 1) で表される窒化物半導体から なることがさらに好ましい。
また、 本発明の第 1又は第 2の窒化物半導体素子にお て、 前記第 1の 層、 及び第 2の層の膜厚は、 Ί 0オングストローム以下てあることが好ま しく、 さらに好ましくは 4 0オングストローム以下に設^する。 また、 前 記第 1の層、 及び第 2の層の膜厚は、 5オングストロー一 £Lhであること が好ましく、 さらに好ましくは 1 0オングストローム以二に設定する。 こ の範囲内に設定することにより、 従来では成長させにく r.つた A I Y G a i - Y N ( 0 < Y≤ 1 ) 等の窒化物半導体層が結晶性良く形 5することができ 0
特に、 p電極と活性層との間にある p導電側の半導体胥域の窒化物半導 体層の内の少なくとも一層、 及び 又は n電極が形成さ る電流' 入層と しての n側コンタク ト層と活性層との間にある n導電側 . 導体領域の窒 化物半導体層の内の少なくとも一層を超格子層とする場きに、 その超格子 層を構成する第 1の層、 及び第 2の層を前記膜厚に設定てることによる効 果が大きい。
また、 本発明の第 1又は第 2の窒化物半導体素子において、 前記 P導電 側の半導体領域に 1つの窒化物半導体層として、 p電極を形成するための p側コンタク ト層を備え、 該 p側コンタク ト層の膜厚を 5 0 0オングスト ローム以下に設定することが好ましい。 このように、 p倒コンタク ト層を 薄く形成することにより、 該 p側コンタク ト層の厚さ方 の抵抗値を下げ ることができる。 従って、 本発明ではさらに、 p側コン ク ト層の膜厚を 3 0 0オングストローム以下に設定することがさらに好ましい。 また、 該 p側コンタク ト層の膜厚の下限は、 該 p型コンタク ト層.つ下の半導体層を 露出させないように、 1 0オングストローム以上に設定ァることが好まし い。 本発明の第 2の窒化物半導体素子が、 p導電側の半導体領域に、 p電極 を形成するための p側コンタク ト層として窒化物半導体層を備えて 、る場 合には、 前記超格子層が、 前記活性層と前記 p側コンタク ト層との間に形 成されることが好ましい。
また、 本発明の第 2の窒化物半導体素子がさらに、 基板上に第 1のバッ ファ層を介して形成された、 膜厚 0 . 1 /z m以上の窒化物半導体からなる 第 2のバッファ層と、 該第 2のバッファ層上に形成された、 n型不純物が ドープされた窒化物半導体からなる n側コンタク ト層を前記窒化物半導体 層として有し、 該 n側コンタク ト層に n電極が形成されることが好ましい。 これによつて、 キャリア濃度が大きく結晶性のよい n側コンタク ト層を 形成することができる。
さらに結晶性のよい、 前記第 2バッファ層を形成するために、 前記第 2 のバッファ層の不純物濃度が、 前記 n側コンタク ト層に比較して低濃度で あることが好ましい。
また、 上記窒化物半導体素子において、 前記第 1のバッファ層、 及び前 記第 2のバッファ層の内の少なくとも一方は、 それぞれ膜厚 1 0 0オング ストローム以下の互いに組成が異なる窒化物半導体層が積層された超格子 層よりなることが好ましい。 これによつて、 バッファ層上に形成される窒 化物半導体層を結晶性良く形成することができる。
また、 本発明の第 2の窒化物半導体素子が、 前記 n導電側の半導体領域 に n電極を形成するための n側コンタク ト層を窒化物半導体層として備え ている場合には、 前記超格子層が、 前記活性層と前記 n側コンタク ト層と の間に形成されることが好ましい。
前記活性層と前記 P側コンタク ト層との間、 又は前記活性層と前記 n側 コンタク ト層との間に形成される層は、 例えば、 L D素子では、 キャリア 閉じ込め層、 光ガイ ド層として作用するクラッ ド層であり、 これらの層を 超格子層とすることで、 閾値電流、 電圧を顕著に低下させることができる。 特に、 活性層と前記 P型コンタク ト層との間にある例えば、 p型のクラッ ド層を超格子層とすることによる、 閾値電流、 電圧を低げる効果は大きい。 また、 本発明の第 2の窒化物半導体素子においては、 前記第 1の層及び 第 2の層の内の少なくとも一方には、 導電型を決定する不純物がドープさ れていることが好ましく、 さらに、 超格子層内において第 1の層と第 2の 層で不純物濃度が異なることが好ましい。 なお、 導電型を決定する不純物 とは、 窒化物半導体にドープされる周期律表第 4 A族、 4 B族、 第 6 A族、 第 6 B族に属する n型不純物、 及び 1 A、 I B族、 2 A族、 2 B族に属す る P型不純物を指す （以下、 本明細書において、 適宜 n型不純物、 p型不 純物と記す。 ） 。
本発明の第 2の窒化物半導体素子において、 前記超格子層は、 n電極が 接する n側コンタク ト層として形成することができ、 これによつて、 n側 コンタク ト層の抵抗を下げることができるので、 例えば、 レーザ素子では、 さらに閾値電圧、 閾値電流を低下させることができる。
前記第 1と第 2の窒化物半導体素子が p導電側の半導体領域に超格子層 を備えたレーザ発振素子である場合は、 前記超格子層及び該超格子層より 上の層に、 その長手方向が共振方向に一致しかつ所定の幅を有するリッジ 部が形成されることが好ましい。
本発明に係る第 1のレーザダイオードは、 n側クラッ ド層を含む n導電 側の半導体領域と、 p側クラッ ド層を含む p導電側の半導体領域との間に 活性層を備え、 該活性層においてレーザ発振する窒化物半導体素子であつ て、 前記 n側クラッ ド層が、 1 0 0オングストローム以下の膜厚を有する 窒化物半導体からなる第 1の層と、 該第 1の層と組成が異なりかつ 1 0 0 オングストローム以下の膜厚を有する窒化物半導体から:;:る第 2 O層とが 積層された超格子層であり、 かつ前記 p側クラッ ド層か 1 0 0オングス トロ一ム以下の膜厚を有する窒化物半導体からなる第 3つ層と、 該第 3の 層と組成が異なりかつ 1 0 0オングストローム以下の膜 Sを有する窒化物 半導体からなる第 4の層とが積層された超格子層であることを特徵とする。 これによつて、 該窒化物半導体素子は、 レーザ発振時 )閾値電'流及び閾 値電圧を低くすることができる。
前記 P側クラッ ド層及び該クラッ ド層より上の層に、 その長手方向が共 振方向に一致しかつ所定の幅を有するリッジ部が形成さ ること;^好まし い。
また、 本発明の第 3の窒化物半導体素子は、 1又は 2 上の窒化物半導 体層からなる n導電側 （以下、 n側という。 ） の半導体こ、 1又は 2以上 の窒化物半導体層からなる P導電側 （以下、 p側という： ） の半導体との 間に、 窒化物半導体からなる活性層を有する窒化物半導 素子であって、 前記 n導電側の半導体領域の少なくとも 1つの窒化物半箄体層は、 互いに バンドギヤップエネルギーが異なりかつ互いに n型不純^濃度が異なる第 1と第 2の窒化物半導体層とが積層されてなる n側超格二層であることを 特徴とする。
これによつて、 超格子層で構成された窒化物半導体層つ電気抵抗を小さ くできるので、 n導電側の半導体領域全体としての抵抗 小さくできる。 また本発明の第 4の窒化物半導体素子は、 1又は 2以二の窒化物半導体 層からなる n導電側の半導体領域と 1又は 2以上の窒化^半導体層からな る P導電側の半導体領域との間に、 窒化物半導体からな 活性層を有する 窒化物半導体素子であって、 前記 p導電側の半導体領域 少なくとも 1つ の窒化物半導体層は、 互いにバンドギヤップエネルギー 異なりかつ互い に p型不純物濃度が異なる第 3と第 4の窒化物半導体層とが積層されてな る p側超格子層であることを特徴とする。
これによつて、 超格子層で構成された窒化物半導体層の電気抵抗を小さ くできるので、 p導電側の半導体領域全体としての抵抗を小さくできる。 なお、 第 1の窒化物半導体層と第 2の窒化物半導体層との積層順序、 及 び第 3の窒化物半導体層と第 4の窒化物半導体層との積層順序は問わな tヽ ことは言うまでもない。
さらに本発明の第 5の窒化物半導体素子は、 1又は 2以上の窒化物半導 体層からなる n導電側の半導体領域と 1又は 2以上の窒化物半導体層から なる p導電側の半導体領域との間に活性層が形成されてなる窒化物半導体 素子であって、 前記 n導電側の半導体領域の少なくとも 1つの窒化物半導 体層は、 互いにバンドギヤップエネルギーが異なりかつ互いに n型不純物 濃度が異なる第 1と第 2の窒化物半導体層とが積層されてなる n側超格子 層であり、 前記 P導電側の半導体領域の少なくとも 1つの窒化物半導体層 は、 互いにバンドギヤップエネルギーが異なりかつ互いに p型不純物濃度 が異なる第 3と第 4の窒化物半導体層とが積層されてなる p側超格子層で あることを特徴とする。
これによつて、 超格子層である窒化物半導体層の電気抵抗を小さくでき るので、 n導電側及び p導電側の半導体領域の全体としての抵抗を小さく できる。
本発明の第 3又は第 5の窒化物半導体素子では、 n側超格子層は、 例え ば発光素子、 受光素子のような光電変換素子であれば、 基板に接して形成 されたバッファ層、 n電極が形成される n側コンタク ト層、 キャリア閉じ 込めとしての n側クラッ ド層、 及び活性層の発光を導波する n側光ガイ ド 層の内の少なくとも 1種の層として形成される。 第 4又は第 5の窒化物半 導体素子では、 P側超格子層は、 P電極が形成される P側コンタク ト層、 キャリア閉じ込めとしての P側クラッ ド層、 及び活性層の発光を導波する p側光ガイ ド層の内の少なくとも 1種の層として形成される。
本発明の第 3及び第 5の窒化物半導体素子では、 n側超格子層において バンドギヤップエネルギーの大きな第 1の窒化物半導体層の不純物濃度を バンドギヤップエネルギーの小さい第 2の窒化物半導体層の不純物濃度に 比較して、 大きく してもよいし、 小さく してもよい。
前記第 1の窒化物半導体層の不純物濃度を第 2の窒化物半導体層の不純 物濃度に比較して大きく した場合、 キャリアをバンドギャップエネルギー の大きな第 1の窒化物半導体層で発生させて、 バンドギヤップエネルギー の小さい第 2の窒化物半導体層に注入でき、 注入されたキヤリアを不純物 濃度が小さく移動度の大き 、第 2の窒化物半導体層で移動させることがで きるので、 n側超格子層の電気抵抗を小さくできる。
また、 前記第 1の窒化物半導体層の不純物濃度を第 2の窒化物半導体層 の不純物濃度に比較して大きく した場合、 第 1の窒化物半導体素子では、 超格子層の第 1の窒化物半導体層において、 第 2の窒化物半導体層に近接 する部分 （以下、 近接部分という。 ） の n型又は p型不純物濃度を、 第 2 の窒化物半導体層から離れた部分に比較して小さくすることが好ましい。 これによつて、 第 2の窒化物半導体層中を移動するキャリアが、 前記近 接部分の不純物によって散乱されるのを防止でき、 第 2の窒化物半導体層 の移動度をさらに高くでき、 超格子層の電気抵抗をさらに低くできる。 具体的には、 第 3、 第 5の窒化物半導体素子において、 バンドギャップ エネルギーの大きい第 1の窒化物半導体層に n型不純物を多く ドープする 場合、 第 1の窒化物半導体層の n型不純物濃度が 1 X 1 0 1 7 cm3〜 1 x 1 O ^Zcm3の範囲にあり、 第 2の窒化物半導体層の n型不純物濃度が、 第 1の窒化物半導体層より小さくかつ 1 X 1019ノ cm3以下に設定するこ とが好ましい。 なおバンドギャップエネルギーが小さい第 2の窒化物半導 体層の n型不純物濃度は、 1 x 1018ノ cm3以下であることがより好まし く、 1 X 1017 0113以下であることがより好ましい。 すなわち、 第 2の 窒化物半導体層の移動度を高くする観点からは、 第 2の窒化物半導体層の n型不純物濃度は小さければ小さいほどよく、 第 2の窒化物半導体層をァ ンドープ （undope) 層、 即ち不純物を意図的にドープしない状態が最も望 ましい。
また、 前記第 1の窒化物半導体層の不純物濃度を第 2の窒化物半導体層 の不純物濃度に比較して小さく した場合、 前記第 2の窒化物半導体層にお いて、 前記第 1の窒化物半導体層に近接する部分の n型不純物濃度を前記 第 1の窒化物半導体層から離れた部分に比較して小さくすることが好まし い。
さらに、 前記第 1の窒化物半導体層の不純物濃度を第 2の窒化物半導体 層の不純物濃度に比較して小さく した場合、 前記第 1の窒化物半導体層の n型不純物濃度が 1 X 1019ノ cm3以下であり、 前記第 2の窒化物半導体 層の n型不純物濃度が 1 X 1017/cm3〜l X 102cZcm3の範囲であるこ とが好ましい。
尚、 前記第 1の窒化物半導体層は、 好ましくは 1 X 1018/cm3以下、 さらに好ましくは l x l 017/cm3以下、 最も好ましくはアンドープ （und ope) 、 すなわち、 不純物を意図的にド一プしない状態が最も望ましい。 また、 第 3及び第 5の窒化物半導体素子では、 結晶性のよい n側超格子 層を形成するために、 前記第 1の窒化物半導体層を比較的エネルギーバン ドギヤップが大きくかつ結晶性のよい層を成長させることができる A 1 G a!-vN (0<Y< 1) で形成し、 前記第 2の窒化物半導体層を比較的 エネルギーバンドギヤップが小さく結晶性のよい層を成長させることがで きる I nxGaい xN (0≤X< 1) で形成することが好ましい。
また、 第 3及び第 5の窒化物半導体素子では、 超格子層において、 前記 第 2の窒化物半導体層が GaNからなることがさらに好ましい。 これによつ て、 前記第 1の窒化物半導体層 （AlyGa!-YN) と、 前記第 2の窒化物 半導体層 （GaN) とを同じ雰囲気中で成長させることができるので、 超 格子層の製造上極めて有利である。
また、 第 3及び第 5の窒化物半導体素子では、 超格子層において、 前記 第 1の窒化物半導体層は A 1 xG a!-xN (0<X< 1) で形成し、 前記第 2の窒化物半導体層は A 1 vG a!-γΝ (0<Υ<1, Χ>Υ) で形成する こともできる。
さらに、 前記第 1の窒化物半導体層又は前記第 2の窒化物半導体層には、 η型不純物がドープされていないことがさらに好ましい。
本発明の第 4及び第 5の窒化物半導体素子では、 ρ側超格子層において バンドギヤップエネルギーの大きな第 3の窒化物半導体層の不純物濃度を バンドギヤップエネルギーの小さい第 4の窒化物半導体層の不純物濃度に 比較して、 大きく してもよいし、 小さく してもよい。
前記第 3の窒化物半導体層の不純物濃度を第 4の窒化物半導体層の不純 物濃度に比較して大きく した場合、 キャリアをバンドギャップエネルギー の大きな第 3の窒化物半導体層で発生させて、 バンドギヤップエネルギー の小さい第 4の窒化物半導体層に注入でき、 注入されたキャリアを不純物 - 濃度が小さく移動度の大きい第 4の窒化物半導体層で移動させることがで きるので、 超格子層の電気抵抗を小さくできる。
また、 第 4及び第 5の窒化物半導体素子では、 前記第 3の窒化物半導体 層の不純物濃度を第 4の窒化物半導体層の不純物濃度に比較して大きく し た場合、 p側超格子層の第 3の窒化物半導体層において、 第 4の窒化物半 導体層に近接する部分 （以下、 近接部分という。 ） の p型不純物濃度を、 第 4の窒化物半導体層から離れた部分に比較して小さくすることが好まし い。 これによつて、 第 4の窒化物半導体層中を移動するキャリアが、 前記 近接部分の不純物によって散乱されるのを防止でき、 第 4の窒化物半導体 層の移動度をさらに高くでき、 超格子層の電気抵抗をさらに低くできる。 また、 第 4、 第 5の窒化物半導体素子において、 前記第 3の窒化物半導 体層の不純物濃度を第 4の窒化物半導体層の不純物濃度に比較して大きく した場合、 バンドギヤップエネルギーが大きい第 3の窒化物半導体層の P 型不純物濃度が 1 X 1 0 1 8/cm3〜l X 1 0 2 1 Zcm3の範囲にあり、 第 4の 窒化物半導体層の P型不純物濃度が、 第 3の窒化物半導体層の不純物濃度 より小さくかつ 1 X 1 0 2 C/cm3以下に設定することがより好ましい。 な おバンドギヤップエネルギーが小さい第 4の窒化物半導体層は 1 X 1 0 1 9 /cm3以下であることがより好ましく、 l x l 0 1 8Zcm3以下であることが さらに好ましい。 すなわち、 第 4の窒化物半導体層の移動度を高くする観 点からは、 第 4の窒化物半導体層の p型不純物濃度は小さければ小さいほ どよく、 第 4の窒化物半導体層をアンドープ層、 即ち不純物を意図的にド ープしない状態が最も望ましい。
また、 第 4及び第 5の窒化物半導体素子において、 前記第 3の窒化物半 導体層の不純物濃度を第 4の窒化物半導体層の不純物濃度に比較して小さ く した場合、 前記第 4の窒化物半導体層において、 前記第 3の窒化物半導 体層に近接する部分の P型不純物濃度を前記第 3の窒化物半導体層から離 れた部分に比較して小さくすることが好ましい。
また、 第 4及び第 5の窒化物半導体素子において、 前記第 3の窒化物半 導体層の不純物濃度を第 4の窒化物半導体層の不純物濃度に比較して小さ くした場合、 前記第 3の窒化物半導体層の P型不純物濃度が 1 X 1020/ cm3以下であり、 第 4の窒化物半導体層の p型不純物濃度が 1 X 1018/c m3〜l X 1021/cm3の範囲であることが好ましい。
尚、 前記第 3の窒化物半導体層は、 1 X 1019/cm3以下、 さらに好ま しくは 1 X 1018 cm3以下、 最も好ましくはアンドープ （undope) 、 す なわち、 不純物を意図的にドープしない状態が最も望ましい。
また、 第 4及び第 5の窒化物半導体素子において、 結晶性のよい超格子 層を形成するために、 前記第 3の窒化物半導体層を比較的エネルギーバン ドギヤップが大きくかつ結晶性のよい層を成長させることができる A 1 γ Gaj-vN (0<Y< 1) で形成し、 前記第 4の窒化物半導体層を I nxG a!-xN (0≤X< 1) で形成することが好ましい。 前記第 4の窒化物半 導体層は、 G a Nからなることがさらに好ましい。 これによつて、 前記第 3の窒化物半導体層 （A l YGa i— YN) と、 前記第 4の窒化物半導体層 （G aN) とを同じ雰囲気中で成長させることができるので、 超格子層の製造 上極めて有利である。
また、 第 4及び第 5の窒化物半導体素子において、 前記第 3の窒化物半 導体層は A 1 xGa1-xN (0 <X< 1) で形成し、 前記第 4の窒化物半導 体層は AlYG ai-YN (0 < Y< 1, Χ> Υ) で形成してもよい。
また、 第 4及び第 5の窒化物半導体素子において、 前記第 3の窒化物半 導体層又は前記第 4の窒化物半導体層には、 ρ型不純物がドープされてい ないことが好ましい。
第 5の窒化物半導体素子では、 前記 η側超格子層において、 前記第 1の 窒化物半導体層のバンドギヤップエネルギーが前記第 2の窒化物半導体層 のバンドギヤップエネルギーより大きく、 かつ前記第 1の窒化物半導体層 の η型不純物濃度が前記第 2の窒化物半導体層の η型不純物濃度より高く、 しかも、 前記 p側超格子層において、 前記第 3の窒化物半導体層のバンド ギヤップエネルギーが前記第 4の窒化物半導体層のバンドギヤップェネル ギ一より大きく、 かつ前記第 3の窒化物半導体層の p型不純物濃度が前記 第 4の窒化物半導体層の p型不純物濃度より高く設定することができる。 この場合、 前記第 1の窒化物半導体層の n型不純物濃度が 1 X 1017ノ cra3〜l X 102QZcm3の範囲であって、 第 2の窒化物半導体層の n型不純 物濃度が 1 X 1019Zcm3以下でありかつ、 前記第 3の窒化物半導体層の P型不純物濃度が 1 X 1018/cm3〜l X 1021ノ cm3の範囲であって、 前 記第 4の窒化物半導体層の p型不純物濃度が 1 X 102("ノ 3以下である ことが好ましい。
また、 第 5の窒化物半導体素子では、 前記 n側超格子層において、 前記 第 1の窒化物半導体層は、 前記第 2の窒化物半導体層より大きいバンドギヤ ップエネルギーと前記第 2の窒化物半導体層より大きい n型不純物濃度と を有するように設定しかつ、 前記 p側超格子層において、 前記第 3の窒化 物半導体層は、 前記第 4の窒化物半導体層より大きいバンドギヤップエネ ルギ一と前記第 4の窒化物半導体層より小さい p型不純物濃度とを有する ように設定することができる。
この場合、 前記第 1の窒化物半導体層の n型不純物濃度が 1 X 1017 cm3〜l X 102(1 cm3の範囲であって、 第 2の窒化物半導体層の n型不純 物濃度が 1 X 1 Ο19,^3以下でありかつ、
前記第 3の窒化物半導体層の p型不純物濃度が 1 X 102QZcm3以下で あり、 にあり、 第 4の窒化物半導体層の p型不純物濃度が 1 X 1018/cm 3〜1 X 1021/cni3の範囲であることが好ましい。
また、 第 5の窒化物半導体素子では、 前記 n側超格子層において、 前記 第 1の窒化物半導体層は、 前記第 2の窒化物半導体層より大きいバンドギヤ ップエネルギ一と前記第 2の窒化物半導体層より小さい n型不純物濃度と を有しかつ、 前記 p側超格子層において、 前記第 3の窒化物半導体層は、 前記第 4の窒化物半導体層より大きいバンドギヤップエネルギーと前記第 4の窒化物半導体層より大きい p型不純物濃度とを有するように設定する ことができる。
この場合、 前記第 1の窒化物半導体層の n型不純物濃度が 1 X 101 V cm3以下であって、 前記第 2の窒化物半導体層の η型不純物濃度が 1 X 1 017/cm？〜 1 X 102DZcm3の範囲でありかつ、 前記第 3の窒化物半導体 層の p型不純物濃度が 1 X 1018/cm3〜l X 1021/cm3の範囲であって、 前記第 4の窒化物半導体層の p型不純物濃度が 1 X 102D/cm3以下であ ることが好ましい。
さらに、 第 5の窒化物半導体素子では、 前記 n側超格子層において、 前 記第 1の窒化物半導体層は、 前記第 2の窒化物半導体層より大きいバンド ギャップエネルギーと前記第 2の窒化物半導体層より小さい n型不純物濃 度とを有しかつ、 前記 p側超格子層において、 前記第 3の窒化物半導体層 は、 前記第 4の窒化物半導体層より大きいバンドギヤップエネルギーと前 記第 4の窒化物半導体層より小さい p型不純物濃度とを有するように設定 することができる。
この場合、 前記第 1の窒化物半導体層の n型不純物濃度が 1 X 1019/ cm3以下であって、 前記第 2の窒化物半導体層の n型不純物濃度が 1 X 1 017/cm3〜l X 102D cm3の範囲でありかつ、 前記第 3の窒化物半導体 層の p型不純物濃度が 1 X 1 O211, cm3以下であり、 第 4の窒化物半導体 層の p型不純物濃度が 1 X 1018 0113〜1 X 1021/cm3の範囲であるこ とが好ましい。
第 5の窒化物半導体素子では、 前記 n側超格子層において、 前記第 1の 窒化物半導体層は A 1 YG aj-vN (0く Yく 1) で形成し、 前記第 2の窒 化物半導体層は I nxG ai—xN (0≤X< 1) で形成しかつ、 前記 p側超 格子層において、 前記第 3の窒化物半導体層は A 1 (0<Y< 1) で形成し、 前記第 4の窒化物半導体層は I nxGaい χΝ (0≤Χ< 1) で形成することができる。
さらに、 前記第 2と第 4の窒化物半導体層がそれぞれ、 G aNからなる ことが好ましい。
.第 5の窒化物半導体素子では、 前記 n側超格子層において、 前記第 1の 窒化物半導体層は A 1 xGaj-xN (0く X< 1) で形成し、 前記第 2の窒 化物半導体層は A 1 vGai-vN (0<Y< 1, Χ>Υ) で形成し、 前記 ρ 側超格子層において、 前記第 3の窒化物半導体層は A 1 XG aい χΝ (0< Χ< 1) で形成し、 前記第 4の窒化物半導体層は A 1 YGa i-YN (0 < Y < 1, Χ〉Υ) で形成することができる。
さらに、 第 5の窒化物半導体素子では、 前記第 1の窒化物半導体層又は 前記第 2の窒化物半導体層は、 η型不純物がドープされていないアンドー プ層であることが好ましく、 前記第 3の窒化物半導体層又は前記第 4の窒 化物半導体層は、 ρ型不純物がドープされていないアンドープ層であるこ とが好ましい。
また、 第 3第 4第 5の窒化物半導体素子では、 前記活性層が I nG aN 層を含むことが好ましく、 前記 I nG a N層が量子井戸層であることがさ らに好ましい。 尚、 前記活性層は、 単一量子井戸構造であってもよいし、 多重量子井戸構造であつてもよい。
また、 本発明に係る第 2のレーザダイオードは、 前記活性層が p側クラッ ド層と n側クラッ ド層の間に位置するレーザ発振素子であって、 前記 p側 クラッ ド層と前記 n側クラッ ド層のうちの少なくとも一方が、 前記 n側超 格子層又は前記 P側超格子層である。 これによつて、 しきい値電流の低い レーザ発振素子を構成できる。
また、 前記第 2のレーザダイオードでは、 前記 p側クラッ ド層と活性層 との間、 又は前記 p側クラッ ド層と活性層との間の少なくとも一方に、 I nを含む窒化物半導体又は G a Nからなり、 不純物濃度が 1 x 1 0 1 9/cm3 以下である光ガイ ド層が形成されることが好ましい。 この光ガイ ド層は、 前記活性層で発生する光の吸収率が低いので、 活性層の発光を消衰させる ことが少なく、 低利得で発振可能なレーザ素子を実現できる。 本発明では、 光の吸収率を低くするために、 前記光ガイ ド層の不純物濃度は 1 X 1 0 1 8 Zcm3以下であることがより好ましく、 l x l 0 1 7 cm3以下であることが さらに好ましく、 アンド一プであることが最も好ましい。 尚、 前記光ガイ ド層を超格子構造にしてもよい。
さらに、 前記光ガイ ド層と活性層との間に、 活性層の井戸層及び前記光 ガイ ド層のバンドギャップエネルギーよりも大きいバンドギヤップェネル ギーを有する、 膜厚 0 . 1 / m以下の窒化物半導体よりなるキャップ層が 形成されることが好ましく、 そのキャップ層の不純物濃度は 1 X 1 0 1 8 cm3以上に設定することが好ましい。 このように、 バンドギャップェネル ギ一の大きな前記キャップ層を形成することにより、 リーク電流を少なく することができる。 この光ガイ ド層及びキャップ層は p導電側窒化物半導 体層側に形成されているとより効果的である。
また本発明においては、 第 3〜第 5の窒化物半導体素子は、 窒化物半導 体とは異なる材料よりなる異種基板上に窒化物半導体層を成長させ、 該成 長された窒化物半導体層上に、 該窒化物半導体層の表面を部分的に露出さ せるように保護膜を形成した後、 露出された窒化物半導体層から前記保護 膜を覆うように成長された窒化物半導体からなる窒化物半導体基板の上に 形成することが好ましい。 これによつて、 第 3〜第 5の窒化物半導体素子 の各層を結晶性よく形成できるので、 優れた特性を有する窒化物半導体素 子を形成することができる。
本願発明では、 この異種基板、 及び保護膜は、 窒化物半導体素子が形成 された （又はされるべき） 窒化物半導体層を基板として残して、 素子成長 前または素子成長後に除去してもよい。
キャップ層は p導電側窒化物半導体層側に形成されているとより効果的で ある。 また、 本発明に係るレーザダイオードにおいて、 p側クラッ ド層 が超格子層である場合には、 前記 p側クラッ ド層及び該 p側クラッ ド層よ り上の層に、 その長手方向が共振方向に一致しかつ所定の幅を有するリ ッ ジ部が形成されることが好ましい。
本発明に係る第 6の窒化物半導体発光素子は、 n側クラッ ド層と p側ク ラッ ド層との間に、 I nを含む第 1の窒化物半導体層を有する活性層を備 えた窒化物半導体発光素子において、 前記 n側クラッ ド層は、 A 1を含む 第 2の窒化物半導体層を有する厚さ 0. 5 m以上の超格子層からなり、 かつ該 n側クラッ ド層の A 1の平均組成が、 該 n側クラッ ド層の/ で表 した厚さと該 n側クラッ ド層に含まれる百分率で表した A 1の平均組成と の積が 4. 4以上になるように設定されたことを特徴とする。
これによつて、 窒化物半導体発光素子において、 前記 n側クラッ ド層の 光閉じ込め効果を向上させることができるので、 例えば、 レーザ発振素子 では、 発振閾値を低くでき、 長寿命でかつ信頼性を高くできる。
また、 基板を用いてレーザ素子を形成する場合、 通常基板に近い側に前 記 n側クラッ ド層を形成するが、 その n側クラッ ド層による光閉じ込めが 不十分であると、 n側クラッ ド層から漏れた光が基板等で反射されること により、 遠視野パターンや近視野パターン等の形状を乱し、 例えば、 レー ザ光のスポッ 卜が複数個となって観測される等の問題を生じる。 し力、しな がら、 本発明に係る第 6の窒化物半導体発光素子では、 上述のように前記 n側クラッ ド層の光閉じ込め効果を向上させることができるので、 遠視野 パターンや近視野パターン等の形状を乱すことがなく、 例えば、 単一のス ポッ 卜のレーザ光を発生させることができる。
また、 本発明の第 6の窒化物半導体発光素子においては、 前記 n側クラッ ド層の厚さが 0. 8 以上であり、 前記 n側クラッ ド層に含まれる A 1 の平均組成が 5 . 5 %以上であること、 又は、 前記 n側クラッ ド層の厚さ が 1. 0 z m以上であり、 前記 n側クラッ ド層に含まれる A 1の平均組成 が 5 %以上であること、 が好ましい。
又は、 前記 n側クラッ ド層の厚さが 1 . 2 ^ 111以上であり、 前記 n側ク ラッ ド層に含まれる A 1の平均組成が 4. 5 %以上であることが好ましい。 さらに、 本発明の第 6の窒化物半導体発光素子においては、 p側クラッ ド層は、 A 1を含む第 3の窒化物半導体層を有する超格子層からなり、 前 記 n側クラッ ド層が前記 p側クラッ ド層より厚いことが好ましい。
また、 前記 p側クラッ ド層が 1 . 0〃mより薄いことがさらに好ましい。 また、 本発明の第 6の窒化物半導体発光素子においては、 前記 n側クラッ ド層と P側クラッ ド層の、 前記活性層を含む層の厚さが、 2 0 0 A以上、 1 . 0 m以下の範囲に設定されることが好ましい。 図面の簡単な説明
図 1は、 本発明に係る実施形態 1の窒化物半導体素子 （L E D素子） の 構造を示す模式断面図である。
図 2は、 本発明に係る実施形態 2の窒化物半導体素子 （レーザダイォー ド） の構造を示す模式断面図である。 図 3は、 本発明に係る実施形態 3の窒化物半導体素子 （レーザダイォー ド） の構造を示す模式断面図である。
図 4は、 図 5のレーザダイオードの斜視図である。
図 5は、 本発明に係る実施例 1のレーザダイオードにおける p側コンタ ク ト層の膜厚と、 閾値電圧との関係を示すグラフである。
図 6は、 本発明に係る実施例 2 6のレーザダイォードの模式断面図であ る
図 7は、 本発明に係る実施例 2 8のレーザダイォ一ドの構造を示す模式 断面図である。
図 8は、 本発明に係る実施例 3 3のレーザダイォードの構造を示す模式 断面図である。
図 9は、 本発明に係る実施形態 4の窒化物半導体素子 （レーザダイォー ド） の構造を示す模式斜視図である。 発明を実施するための最良の形態
以下、 図面を参照して本発明に係る実施の形態の窒化物半導体素子につ いて説明する。
実施形態 1 .
図 1は、 本発明に係る実施形態 1の窒化物半導体素子の構造を示す模式 的な断面図である。 該窒化物半導体素子は、 基本的な構造として、 サファ ィァよりなる基板 1の上に、 G a Nよりなるバッファ層 2、 S i ドープ n 型 G a Nよりなる n側コンタク ト層 3、 単一量子井戸構造の I n G a Nよ りなる活性層 4、 互いに組成の異なる第 1の層と第 2の層とが積層された 超格子層よりなる P側クラッ ド層 5、 M g ドープ G a Nよりなる p側コン タク ト層 6とが順に積層されている L E D素子である。 なお、 実施形態 1 の窒化物半導体素子において、 p側コンタク ト層 6表面のほぼ全面には、 透光性の全面電極 7が形成され、 全面電極 7の表面にはボンディング用の p電極 8が設けられており、 窒化物半導体層の一部をェッチング除去して 露出された n側コンタク ト層 2の表面には n電極 9が設けられている。 ここで、 実施形態 1の窒化物半導体素子は、 例えば p型不純物として M gをドープした I nxG a!—xN (0≤X≤1) よりなる膜厚 30オングス トロームの第 1の層と、 同じく p型不純物として Mgを第 1の層と同量で ドープした p型 A 1 YGa — YN (0≤Y≤1) よりなる膜厚 30オングス トロームの第 2の層とが積層された超格子層で構成された低い抵抗値を有 する P側クラッ ド層 5を備えているので、 V f を低くできる。 このように 超格子層を P層側に形成する場合は、 Mg、 Zn、 Cd、 B e等の p型不 純物を第 1の層、 及び 又は第 2の層にドープして p型の導電型を有する 超格子層とする。 積層順としては、 第 1+第 2+第 1 · · ·、 若しくは第 2+第1+第2 * * ·の順でも良く、 少なくとも合計 2層以上積層する。 尚、 それぞれ窒化物半導体からなり超格子層を構成する第 1の層及び第 2の層は、 上述の I nxG aい XN (0≤X≤ 1) よりなる層及び A 1 YG ai-γΝ (0≤Y≤ 1) よりなる層に限定されるわけではなく、 互いに組 成が異なる窒化物半導体で構成されていれば良い。 また、 第 1の層と第 2 の層とのバンドギヤップエネルギーは異なっていても、 同一でもかまわな い。 例えば、 第 1の層を I nxGa^xN (0≤X≤1) で構成し、 第 2の 層を A 1 YG a !-YN (0 < Y≤ 1) で構成すると、 第 2の層のバンドギヤッ プエネルギーが必ず第 1の層よりも大きくなるが、 第 1の層を I nxGa!
-χΝ (0≤Χ≤ 1) で構成し、 第 2の層を I ηζΑ 1 i-zN (0 < Z≤ 1) で構成すれば、 第 1の層と第 2の層とは組成が異なるがバンドギヤップェ ネルギ一が同一の場合もあり得る。 また第 1の層を A 1 YG a,— YN (0≤ Y≤l ) で構成し、 第 2の層を I η ζΑ 1 ！ - ζ Ν ( 0 < Ζ≤1 ) で構成すれ ば、 同様に第 1の層と第 2の層とは組成が異なるがバンドギヤップェネル ギ一が同一の場合もあり得る。
すなわち、 本発明は、 後述する作用を有する超格子層であれば、 第 1の 層と第 2の層のバンドギヤップエネルギーが同じであっても、 異なってい ても良い。 以上のように、 ここで言う超格子層とは、 組成の異なる極めて 薄い層が積層されたものであって、 各層の厚さが十分薄いために、 格子不 整に伴う欠陥が発生することなく積層された層のことをいい、 量子井戸構 造を含む広い概念である。 また、 この超格子層は、 内部に欠陥を有するも のではないが、 通常、 格子不整に伴う歪みを有す ので歪み超格子とも呼 ばれる。 本発明において、 第 1の層、 第 2の層の Ν (窒素） の一部を A s、 P等の V族元素で置換しても Nが存在している限り窒化物半導体に含まれ る o
本発明において、 超格子層を構成する第 1の層、 第 2の層の膜厚は、 1 0 0オングストロームよりも厚いと、 第 1の層及び第 2の層が弾性歪み限 界以上の膜厚となり、 該膜中に微少なクラック、 あるいは結晶欠陥が入り やすくなるので、 1 0 0オングストローム以下の膜厚に設定することが好 ましい。 また、 第 1の層、 第 2の層の膜厚の下限は特に限定されず 1原子 層以上であればよい。 尚、 本実施形態 1において、 さらに結晶性を良くす るために、 第 1の層、 第 2の層の膜厚は、 7 0オングストローム以下に設 定することが好ましく、 さらに好ましくはより薄く設定し、 4 0オングス トローム〜 1 0オングストロームに設定することが最も好ましい。 また、 本発明では、 1 0オングストローム以下 （例えば、 1原子層又は 2原子層） に設定してもよいが、 1 0オングストローム以下に設定すると、 例えば、 5 0 0オングストローム以上の膜厚のクラッ ド層を超格子層で形成する場 合、 積層数が多くなるり、 製造工程上、 形成時間及び手間がかかるので、 第 1の層、 第 2の層の膜厚は、 1 0オングストロームより厚く設定するこ とが好ましい。
図 1に示す本実施形態 1の窒化物半導体素子の場合、 超格子層よりなる p型クラッ ド層 5は、 活性層 4と電流注入層である p側コンタク ト層 6と の間に形成されて、 キャリア閉じ込め層として作用している。 このように、 特に超格子層をキヤリァ閉じ込め層とする場合には、 超格子層の平均バン ド.ギャップエネルギーを活性層よりも大きくする必要がある。 従って、 窒 化物半導体では、 比較的大きなバンドギャップエネルギーを有する A 1 N、 A 1 G a N及び I n A 1 N等の A 1を含む窒化物半導体が、 キヤリァ閉じ 込め層として用いられる。 これらの層のうち A 1 G a Nは、 単一層として 厚く成長させると結晶成長中にクラックが入りやすい。
そこで、 本実施形態 1では、 第 1の層、 及び第 2の層の内の少なく とも 一方を少なくとも A 1を含む窒化物半導体、 好ましくは A 1 Y G a i -v N ( 0 < Y≤1 ) とし、 第 1の層と第 2の層とを弾性歪み限界以下の膜厚で交互 に成長させることにより、 クラックが少なく非常に結晶性のよレ、超格子層 を形成し、 バンドギャップエネルギーが大きなクラッ ド層として用いてい る。
この場合、 第 1の層として A 1を含まない窒化物半導体層を 1 0 0オン グストローム以下の膜厚で成長させ、 その上に A 1を含む窒化物半導体よ りなる第 2の層を成長させると、 第 1の層が第 2の層を成長させる際のバッ ファ層としても作用し、 第 2の層にクラックを入りにく くでき、 さらにク ラックのない結晶性のよい超格子層を形成できる。 従って、 本実施形態 1 では、 超格子層を I n x G aい x N ( 0≤X≤ 1 ) からなる第 1の層 （第 2 の層） と A
Figure imgf000026_0001
からなる第 2の層 （第 1の層） で構成することが好ましい。
また、 本実施形態 1の窒化物半導体素子において、 超格子層である p側 クラッ ド層 5を構成する第 1の層及び第 2の層の内の少なくとも一方の層 には、 キャリア濃度を調整するために、 該層の導電型を p型に設定する p 型の不純物がドープされることが好ましい。 また、 第 1の層と第 2の層と に p型の不純物をドープする場合、 第 1の層と第 2の層とで異なる濃度で ドープしてもよい。 第 1の層、 第 2の層に異なる濃度でドープすると、 一 方の層のキャリア濃度が実質的に高くなり超格子層全体の抵抗値を低下さ せることができるからである。 このように、 本発明では、 第 1の層と、 第 2の層の両方に不純物を異なる濃度でそれぞれドープしても良いし、 第 1 の層、 第 2の層のいずれか一方に不純物をドープしても良い。
なお、 第 1の層及び第 2の層にドープされる不純物濃度は、 特に本発明 はこれに限定されないが、 p型不純物で通常、 1 X 1 0 1 6 0113 〜1 X 1 0 2 2/cm\ さらに好ましくは 1 X 1 0 1 7Zcm3〜l x 1 0 2 1 /cm3、 最も好 ましくは 1 X 1 0 1 8/cm3〜2 X 1 O
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の範囲に調整することが望ま しい。 1 X 1 0 1 6/ c m 3よりも少ないと V f 、 閾値電圧を低下させる効 果が得られにく く、 1 X 1 0 2 2/cni3よりも多いと超格子層の結晶性が悪 くなる傾向にあるからである。 また n型不純物も同様の範囲に調整するこ とが望ましい。 理由は同じである。
以上のように構成された超格子層は、 第 1の層、 及び第 2の層を弾性歪 み限界以下の膜厚にして積層して形成しているので、 結晶の格子欠陥を低 下させることができ、 かつ微少なクラックを減少させることができ、 結晶 性を飛躍的に良くすることができる。 この結果、 結晶性をあまり損なうこ となく、 不純物のドープ量を多くでき、 これによつて、 n型窒化物半導体 層、 P型窒化物半導体層のキャリア濃度を増加させることができ、 かつ該 キャリアが結晶欠陥によって散乱されることなく移動できるので、 超格子 構造を有しない P型又は n型の窒化物半導体に比較して抵抗率を 1桁以上 低くすることができる。
従って、 本実施形態 1の窒化物半導体素子 （L E D素子） では、 従来、 低抵抗な窒化物半導体層を得ることが困難であった p導電側の半導体領域 2 5 1 (実施形態 1では、 p型クラッ ド層 5と p型コンタク ト層 6とから なる領域） の p型クラッ ド層 5を超格子層を用いて形成して、 該 p型クラッ ド層 5の抵抗値を低くすることにより、 V f を低くすることができる。 つ まり、 窒化物半導体は、 p型結晶が非常に得られにくい半導体であり、 得 られたとしても、 n型窒化物半導体に比べて、 通常抵抗率が 2桁以上高い。 そのため p型の超格子層を p導電側に形成することにより、 超格子層で構 成された p型層を極めて低抵抗にすることができ、 V f の低下が顕著に現 れる。 従来、 P型結晶を得るため技術として、 p型不純物をドープした窒 化物半導体層をァニーリングして、 水素を除去することにより p型の窒化 物半導体を作製する技術が知られている （特許第 2 5 4 0 7 9 1号） 。 し かし、 p型の窒化物半導体が得られたといってもその抵抗率は、 数 Ω · c m以上もある。 そこで、 この p型層を p型の超格子層とすることにより結 晶性が良くなり、 我々の検討によると、 該 p層の抵抗率を従来に比較して、 1桁以上低くすることができ、 V ίの低下させる効果が顕著に現れる。 また、 本実施形態 1では、 前記のように好ましくは第 1の層 （第 2の層） を I n x G a i— χΝ ( 0≤Χ≤ 1 ) とし、 第 2の層 （第 1の層） を A 1 Y G a j -γΝ ( 0≤Y≤1 . X≠Y = 0 ) で構成することにより、 結晶性のよ いクラックのない超格子層を形成することができるので、 素子寿命を向上 させることができる。
次に、 我々が以前に出願した特許公報を含む公知文献に開示された従来 例と本発明とを比較して説明する。
まず、 本発明に類似した技術として、 我々は先に特開平 8— 22804 8号を提案した。 この技術は活性層を挟む n型クラッ ド層の外側、 及び Z 又は P型クラッ ド層の外側 （つまり活性層からより離れた側） にレーザ光 の光反射膜として A 1 GaN、 GaN、 I n G a N等よりなる多層膜を形 成する技術である。 この技術は光反射膜として多層膜を形成するので、 そ の各層の膜厚が; ΙΖ4η (n:窒化物半導体の屈折率、 ス ：波長） で設計 されるため非常に厚い。 従って多層膜の各膜厚が弾性歪み限界以下の膜厚 ではない。 また、 USP 5, 146， 465号には活性層を A 1 XG at -xN/A 1 YG a!— YNよりなるミラーで挟んだ構造のレーザ素子が記載さ れている。 この技術も前技術と同様に A 1 G a N/A 1 G aNをミラーと して作用させるために、 各層の膜厚を厚く しなければならない。 さらに A 1 G a Nのような硬い半導体をクラックなしに何層も積層することは非常 に難しい。
一方、 本実施形態 1では超格子層を構成するように第 1と第 2の層の各 膜厚を、 設定 （好ましくは、 両方とも 100オングストロ一ム以下と臨界 膜厚以下に設定する。 ） しており、 前記技術とは異なる。 すなわち、 本発 明では超格子層を構成する窒化物半導体の歪み超格子による効果を利用し、 結晶性を向上させて、 Vf を低下させている。
さらに、 特開平 5—110138号、 特開平 5— 110139号公報に は薄膜の A 1 Nと G a Nとを積層して A 1 YG a -YNの結晶を得る方法が 記載されている。 この技術は、 所定の混晶比の A 1 YG a1-YNの混晶を得 るために、 数十オングストロームの膜厚の A 1 N、 G a Nを積層する技術 であって本発明の技術とは異なる。 しかも I nGaNよりなる活性層を有 していないので、 超格子層にクラックが入りやすい。 また、 特開平 6— 2 1511号、 6— 268257号公報では G a Nと I nG aN、 若しくは I nG aNと I n G a Nとを積層した多重量子井戸構造の活性層を有する ダブルへテロ構造の発光素子が記載されている。 本発明では活性層以外の 層を多重構造とする技術であり、 この技術とも異なる。
また、 活性層以外の層を超格子層とする構造は、 特開平 2— 28837 1号公報 （米国特許第 5, 005, 057号） に開示されているが、 該公報 に開示されている超格子層は、 ；6?層と0& 1 N層との超格子層である 点で、 互いに組成の異なる窒化物半導体層の超格子層である本発明とは構 成が異なり、 かつ作用効果も異なる。
さらに本発明の素子では I nG aNのような、 少なくともインジウムを 含む窒化物半導体を活性層に備える場合に、 超格子の効果が顕著に現れる。 I nG a N活性層はバンドギヤップエネルギーが小さく窒化物半導体素子 の活性層としては最も適している。 そのため I nxG a!— xNと、 A 1 YG aい YNよりなる超格子層を、 活性層を挟設する層として形成すると、 活 性層とのバンドギャップエネルギー差、 屈折率差を大きくできるため、 該 超格子層がレーザ素子を実現する際に非常に優れた光閉じ込め層として動 作させることができる （実施形態 2の窒化物半導体素子に適用） 。 さらに I nG aNは結晶の性質が他の A I GaNのような A 1を含む窒化物半導 体に比べて柔らかいので、 I nGaNを活性層とすると、 積層した各窒化 物半導体層にクラックが入りにく くなる。 逆に A 1 G a Nのような窒化物 半導体を活性層とすると、 その結晶の性質が硬いために結晶全体にクラッ クが入りやすくなる傾向にある。
さらに本実施形態 1では、 p側コンタク ト層 6の膜厚を 500オングス トローム以下、 さらに好ましくは 300オングストローム以下、 最も好ま しくは 200オングストロ一ム以下に調整することが望ましい。 なぜなら、 上述したように抵抗率が数 Ω · cm以上もある p型窒化物半導体層の膜厚を 5 0 0オングストローム以下に調整することにより、 さらに抵抗率を低げ ることができるため、 閾値電流、 電圧を低くすることがてきる。 また p型 層から除去される水素の量を多くすることができ、 さらに抵抗率を低下さ せることができる。
以上、 詳述したように、 本実施形態 1の窒化物半導体素子 （L E D素子） では、 p型クラッ ド層 5を第 1の層と第 2の層とが積層された超格子層で 構成しているので、 該 p型クラッ ド層 5を極めて低抵抗にでき、 該 L E.D 素子の順方向電圧 V f を低くできる。
以上の実施形態 1では、 p側クラッ ド層 5に超格子層を用いたが、 本発 明はこれに限らず、 p側コンタク ト層 6に p型の超格子層を用いてもよい。 すなわち、 電流 （正孔） が注入される p側コンタク ト層 6も例えば I n x G a ! -xNよりなる第 1の層と、 A 1 YG a ! Y Nよりなる第 2の層とが積 層された P型の超格子層とすることもできる。 p型コンタク ト層 6を超格 子層として、 第 1の層のバンドギヤップエネルギーが第 2の層よりも小さ い場合、 バンドギヤップエネルギーが小さい I n xG a卜 xNもしくは G a Nよりなる第 1の層を最表面にして p電極と接触する層とすることが好ま しく、 これによつて、 p電極との接触抵抗が小さくなり好ましいォーミツ クが得られる。 これはバンドギヤップエネルギーが小さい第 1の層の方が、 第 2の層よりもキヤリア濃度の高い窒化物半導体層が得られやすい傾向に あるからである。 また、 本発明では、 p導電側の半導体領域 2 5 1に、 上 述の P側クラッ ド層及び p側コンタク ト層以外の p型窒化物半導体層をさ らに形成する場合は、 該 p型窒化物半導体層を超格子層で構成してもよい。 以上の実施形態 1では、 p側クラッ ド層 5に超格子層を用いたが、 本発 明は p導電側半導体領域 2 5 1に限らず、 n導電側の半導体領域 2 0 1の n側コンタク ト層 3に n型の超格子層を用いてもよい。 このように、 n側 コンタク ト層 3を超格子層とする場合は、 例えば、 S i、 G e等の n型不 純物を第 1の層及び 又は第 2の層にドープして、 n型の導電型を有する 超格子層を基板 1と活性層 4との間に n型コンタク ト層 3として形成する ことができる。 この場合、 特に n型コンタク ト層 3を不純物濃度が異なる 超格子層とすると横方向の抵抗値が低下して、 例えばレーザダイォードに おいて閾値電圧、 電流が低下する傾向にあることが確認された。
これは、 バンドギヤップエネルキ:一の大きな層の方に、 多く n型不純物 をドープした超格子層を n層側のコンタク ト層として形成した場合につい て、 以下のような H E M T (High-Electron-Mobility-Transistor) に類 似した作用による効果と推察される。 n型不純物がドープされたバンドギヤ ップの大きい第 1の層 （第 2の層） と、 バンドギャップが小さいアンド一 プ { (undope) ；以下、 不純物がドープされていない状態をアンドープと いう } の第 2の層 （第 1の層） とを積層した超格子層では、 n型不純物を 添加した層と、 アンド一プの層とのヘテロ接合界面で、 バンドギャップェ ネルギ一の大きな層側が空乏化し、 バンドギヤップエネルギーの小さな層 側の厚さ （1 0 0オングストローム） 前後の界面に電子 （二次元電子ガス） が蓄積する。 この二次元電子ガスがバンドギヤップエネルギーの小さな層 側にできるので、 電子が走行するときに不純物による散乱を受けないため、 超格子層の電子の移動度が高くなり、 抵抗率が低下すると推察される。 また、 本発明において、 n導電側の半導体領域 2 0 1に n側のクラッ ド 層を設ける場合は、 該 n側のクラッ ド層を超格子層としてもよい。 n導電 側の半導体領域 2 0 1に n側コンタク ト層及び n側クラッ ド層以外の n型 窒化物半導体層を形成する場合は、 該 n型窒化物半導体層を超格子層とし てもよい。 しかし、 n導電側の半導体領域 2 0 1に超格子層からなる窒化 物半導体層を設ける場合、 キャリア閉じ込め層としての n側クラッ ド層、 若しくは電流 （電子） が注入される n側コンタク ト層 3を超格子構造とす ることが望ましいことはいうまでもない。
このように、 超格子層を活性層 4と基板 1との間の n導電側の半導体領 域 2 0 1に設ける場合、 超格子層を構成する第 1の層、 第 2の層には不純 物をドープしなくても良い。 なぜなら窒化物半導体はアンドープでも n型 になる性質があるからである。 但し、 n層側に形成する場合においても上 述のように、 第 1の層、 第 2の層に S i、 G e等の n型不純物をドープし て、 不純物濃度の差を設ける方が望ましい。
以上のように、 超格子層を n導電側の半導体領域 2 0 1に形成した場合 の効果は、 超格子層を p導電側の半導体領域 2 5 1に設けた場合と同様に、 結晶性の向上が挙げられる。 詳細に説明すると、 ヘテロ接合を有する窒化 物半導体素子の場合、 通常 n型、 p型のキャリア閉じ込め層は、 活性層よ りもバンドギヤップエネルギーが大きい A 1 G a Nで構成される。 A 1 G a Nは結晶成長が非常に難しく、 例えば単一組成で 0 . 5 // m以上の膜厚 で成長させようとすると、 結晶中にクラックが入りやすくなる性質がある。 しかしながら、 本発明のように第 1の層と、 第 2の層とを弾性歪み限界以 下の膜厚で積層して超格子層とすると、 結晶性よく第 1の層、 第 2の層を 積層できるので、 結晶性の良いクラッ ド層が成長できる。 そのため n導電 側の半導体領域 2 0 1全体の窒化物半導体の結晶性が良くでき、 n導電側 の半導体領域 2 0 1全体としての移動度を大きくできるので、 その超格子 層をクラッ ド層とした素子では V f を低下させることができる。 さらに、 超格子層に S i、 G eの不純物をドープして、 超格子層をコンタク ト層と した場合には前記した H E MTに類似した効果が顕著に現れてくるように なると思われ、 閾値電圧、 V f をさらに低下させることができる。 また、 本発明では、 超格子層には、 第 1の層及び第 2の層に導電型を決 定する不純物がドープされていなくてもよい。 この不純物がド一プされな い超格子層は、 n導電側の半導体領域 2 0 1であれば活性層と基板との間 におけるいずれの層として形成してもよく、 p導電側の半導体領域 2 5 1 であれば、 キャリア閉じ込め層 （光閉じ込め層） と、 活性層との間におけ るいずれの層として形成してもよい。
このように、 本発明において、 超格子層は、 活性層を挟設する n導電側 の半導体領域 2 0 1又は p導電側の半導体領域 2 5 1に形成されるキヤリ ァ閉じ込め層としてのクラッ ド層、 活性層の光ガイ ド層、 若しくは電極が 接して形成される電流注入層として用いられるため、 超格子層を構成する 窒化物半導体の平均バンドギヤップエネルギーが活性層よりも大きくなる ように調整することが望ましい。
尚、 上述のように本明細書において、 活性層と p電極との間にある窒化 物半導体層からなる領域は、 P導電側の半導体領域というが、 これは、 該 半導体領域を構成するすべての窒化物半導体層が p型の導電性を有するこ とを意味するものではない。 同様に、 活性層と G a N基板 1 0 0との間に ある窒化物半導体層からなる領域を n側導電性の半導体領域という力 \ 該 領域を構成するすべての窒化物半導体層が P型導電性を有することを意味 するものではない。
実施形態 2.
次に、 本発明に係る実施形態 2について説明する。
図 2は、 本発明に係る実施形態 2の窒化物半導体素子の構造を示す模式 的な断面図 （レーザ光の共振方向に垂直な断面） であり、 該窒化物半導体 素子は、 例えば、 C面を主面とするサフアイャ等の基板 1 0上に、 n導電 側の半導体領域 2 0 2 ( n側コンタク ト層 1 2、 クラック防止層 1 3、 n 側クラッ ド層 1 4及び n側光ガイ ド層 1 5からなる。 ） と p導電側の半導 体領域 2 5 2 (キャップ層 1 7、 p側光ガイ ド層 1 8、 p側クラッ ド層 1 9及び P側コンタク ト層 2 0からなる。 ） とによって挟設された窒化物半 導体からなる活性層 1 6を備えた窒化物半導体レーザダイォ一ド素子であ ο
ここで、 本実施形態 2の窒化物半導体素子は、 n導電側の半導体領域 2 0 2における n側クラッ ド層 1 4を超格子層で形成し、 かつ p導電側の半 導体領域 2 5 2における p側クラッ ド層 1 9を超格子層で形成することに より、 レーザダイォ一ドである窒化物半導体素子の閾値電圧を低く設定し ている。 以下この図 2を参照して本発明に係る実施形態 2の窒化物半導体 素子について詳細に説明する。
この実施形態 2の窒化物半導体素子においては、 まず、 基板 1 0上にバッ ファ層 1 1と第 2のバッファ層 1 1 2を介して n側コンタク ト層 1 2が形 成され、 さらに n側コンタク ト層 1 2上に、 クラック防止層 1 3、 n側ク ラッ ド層 1 4及び n側光ガイ ド層 1 5が積層されて、 n導電側の半導体領 域 2 0 2が形成される。 尚、 クラック防止層 1 3の両側に露出された n側 コンタク ト層 1 2の表面にはそれぞれ、 n側コンタク ト層 1 2とォ一ミ ッ ク接触する n側電極 2 3が形成され、 該 n側電極 2 3上には、 例えば、 ヮ ィヤーボンディング用の n側パッ ド電極が形成される。 そして、 n側光ガ ィ ド層 1 5上に窒化物半導体からなる活性層 1 6が形成され、 さらに該活 性層 1 6上に、 キャップ層 1 7、 側光ガイ ド層 1 8、 p側クラッ ド層 1 9及び P側コンタク ト層 2 0が積層されて p導電側の半導体領域 2 5 2が 形成される。 さらに、 p側コンタク ト層 2 0上に該 p側コンタク ト層 2 0 とォ一ミ ック接触する p側電極 2 1が形成され、 該 p側電極 2 1上には、 例えば、 ワイヤーボンディング用の p側パッ ド電極が形成される。 なお、 p側コンタク ト層 20及び P側クラッ ド層 19において、 共振方向に長く 伸びた峰状のリッジ部が形成され、 該リッジ部を形成することによって、 活性層 16において、 光りを幅方向 （共振方向に直交する方向） に閉じ込 め、 リッジ部に垂直な方向で劈開された劈開面を用いて、 リッジ部の長手 方向に共振する共振器を作製してレーザ発振させる。
次に、 実施形態 2の窒化物半導体素子の各構成要素について説明する。
(基板 10)
基板 10には C面を主面とするサファイアの他、 R面、 A面を主面とす るサファイア、 その他、 スピネル （MgA l 204) のような絶縁性の基板 の他、 S i C (6H、 4H、 3 Cを含む） 、 Z n S、 Zn〇、 G aA s、 G a N等の半導体基板を用いることができる。
(バッファ層 11)
バッファ層 11は、 例えば A 1 N、 G aN、 A 1 GaN、 I n G a N等 を 900°C以下の温度で成長させて、 膜厚数十オングストローム〜数百ォ ングストロームに形成する。 このバッファ層 1 1は、 基板と窒化物半導体 との格子定数不整を緩和するために形成するが、 窒化物半導体の成長方法、 基板の種類等によっては省略することも可能である。
(第 2のバッファ層 112)
第 2のバッファ層 1 12は、 前記バッファ層 11の上に、 前記バッファ 層よりも高温で成長させた単結晶の窒化物半導体よりなる層であり、 バッ ファ層 11よりも厚く形成される。 この第 2のバッファ層 1 12は次に成 長させる n側コンタク ト層 12よりも n型不純物濃度が少ない層とするか、 若しくは n型不純物をドープしない窒化物半導体層とする。 尚、 第 2のバッ ファ層 112は例えば I nxA 1 YG (0≤X、 0≤Y, Χ + Υ
≤ 1) で構成でき、 その組成は特に問うものではないが、 好ましくはアン ドープで A 1 ( Y値） が 0 . 1以下の A 1 Y G a i— Υ Ν、 最も好ましくはァ ンドープの G a Νとする。 すなわち、 このような組成にすることにより、 第 2のバッファ層 1 1 2の結晶性を良くでき、 さらに第 2のバッファ層 1 1 2をアンドープの G a Nで形成することにより、 最も結晶性が良い第 2 のバッファ層 1 1 2を形成できる。 また、 この n側コンタク ト層 1 2は超 格子で形成するとさらに好ましい。
このように、 n側コンタク ト層 1 2層を成長させる前に、 不純物濃度が 小さい、 結晶性の良い第 2のバッファ層 1 1 2を成長させることにより、 キヤリァ濃度が大きく結晶性の良い n側コンタク ト層 1 2を比較的厚く成 長させることができる。 すなわち、 高キヤリア濃度の n側コンタク ト層は、 n型不純物濃度の大き 、窒化物半導体を成長させて形成する必要があるが、 不純物濃度の大きい厚い窒化物半導体層は結晶性良く成長させることが困 難である。 このため n側バッファ層 1 1 2を形成することなく n側コンタ ク ト層を形成すると、 結晶性の悪い n側コンタク ト層が形成されるだけで はなく、 結晶性の悪い n側コンタク ト層の上に、 活性層等の他の窒化物半 導体を成長させることになり、 上に形成される層は、 結晶欠陥を下の層か ら引き継ぐことになつて上に形成される層 （活性層等） も結晶性良く成長 させることができない。 従って、 この第 2のバッファ層 1 1 2は、 単にす ぐ上に形成する n側コンタク ト層を結晶性良く形成するだけではなく、 窒 化物半導体素子を構成する各半導体層を結晶性よく形成する上で重要な役 割を有する。
この第 2のバッファ層 1 1 2の膜厚は、 0 . l ;/ m以上、 さらに好まし くは 0 . 5 m以上、 最も好ましくは 1 z m以上、 2 0 m以下に調整す ることが望ましい。 第 2のバッファ層 1 1 2が 0 . 1 よりも薄いと、 n側コンタク ト層 1 2の結晶性の向上があまり望めない。 また 2 0 /z mよ りも厚いと、 第 2のバッファ層 112自体に結晶欠陥が多くなりやすい傾 向がありバッファ層としての役割が低下する。 また第 2のバッファ層 11 2を 20 mを越えない範囲で比較的厚く成長させた場合、 その利点とし て、 放熱性の向上が挙げられる。 つまりレーザ素子を作製した場合に、 第 2のバッファ層 112で熱が広がりやすく レーザ素子の寿命が向上する。 さらにレーザ光の漏れ光が第 2のバッファ層 112内で広がって、 楕円形 に近いレーザ光が得やすくなる。 なお、 第 2のバッファ層 112は、 基板 に GaN、 S i C、 ZnO等の導電性基板を使用した場合には省略して.も よい。
(n側コンタク ト層 12)
n側コンタク ト層 12は負電極を形成するコンタク ト層として作用する 層であり、 例えば、 S i ドープの G a Nからなり 0. 2#m以上、 4 ^m 以下の厚さに調整することが望ましい。 0. 2よりも薄いと、 後で負電極 を形成する際に、 この層を露出させるようにエッチングレートを制御する のが難しく、 一方、 4 m以上にすると不純物の影響で結晶性が悪くなる 傾向にある。 この n側コンタク ト層 12の窒化物半導体にドープする n型 不純物の範囲は 1 X 1017Zcm3〜l X 1 O^Zcm3の範囲、 さらに好まし くは、 1 X 1
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に調整することが望ましい。 1 X 1017/cm3よりも小さいと n電極の材料と好ましいォ一ミックが得ら れにく くなるので、 レーザ素子では閾値電流、 電圧の低下が望めず、 I X 1021/cm3よりも大きいと、 素子自体のリーク電流が多くなつたり、 ま た結晶性も悪くなるため、 素子の寿命が短くなる傾向にある。 なお n側コ ンタク ト層 12においては、 n電極 23とのォ一ミック接触抵抗を小さく するために、 該 n側コンタク ト層 12のキャリア濃度を上げるために不純 物の濃度を、 nクラッ ド層 14よりも大きくすることが望ましい。 なお、 n側コンタク ト層 12は基板に GaN、 S i C ZnO等の導電性基板を 使用し基板裏面側に負電極を設ける場合にはコンタク ト層としてではなく ノく'ッファ層として作用する。
また、 第 2のバッファ層 11、 及び n側コンタク ト層 12の内の少なく とも一方の層を、 超格子層とすることもできる。 超格子層とすると、 この 層の結晶性が飛躍的に良くなり、 閾値電流が低下させることができる。 好 ましくは第 2のバッファ層 11よりも膜厚が薄い n側コンタク ト層 12の 方を超格子層とする。 n側コンタク ト層 12を互いにバンドギ.ヤップエネ ルギ一が異なる第 1の層と第 2の層とが積層されてなる超格子構造とした 場合においては、 好ましくはバンドギヤップエネルギーの小さな層を露出 させて n電極 23を形成することにより、 n電極 23との接触抵抗が低く でき閾値を低下させることができる。 なお n型窒化物半導体と好ましいォ 一ミックが得られる n電極 23の材料としては A 1， T i, W, S i， Z n, S n, I n等の金属若しくは合金が挙げられる。
また、 n型コンタク ト層 12を不純物濃度が異なる超格子層とすること により、 実施形態 1において説明した H E M Tに類似した効果により横方 向の抵抗値を低くでき、 LD素子の閾値電圧、 電流を低くすることができ る。
(クラック防止層 13)
クラック防止層 13は、 例えば、 S iを 5 X 1018/cm3ド一プした I nnG a Q .9Nからなり、 例えば、 500オングストロームの膜厚を有す る。 このクラック防止層 13は I nを含む n型の窒化物半導体、 好ましく は I nGaNを成長させて形成することにより、 その上に形成される A 1 を含む窒化物半導体層中にクラックが入るのを防止することができる。 な お、 このクラック防止層 13は 100オングストローム以上、 0. 5;um 以下の膜厚で成長させることが好ましい。 100オングストロームよりも 薄いと前記のようにクラック防止として作用しにく く、 0. 5 mよりも 厚いと、 結晶自体が黒変する傾向にある。 なお、 このクラック防止層 13 は、 本実施形態 1のように n側コンタク ト層 12を超格子とする場合、 ま たは次に成長させる n側クラッ ド層 14を超格子層とする場合には省略し てもよい。
(n型超格子からなる n側クラッ ド層 14)
n側クラッ ド層は、 例えば S iを 5 X 1018/cm3ドープした n型 A 10 2G a Q.8Nからなり、 20オングストロームの膜厚を有する第 1の層、 及びアンドープの G a Nよりなり、 20オングストロームの膜厚を有する 第 2の層とが交互に積層された超格子層よりなり、 全体で例えば 0. 5 fi mの膜厚を有する。 この n型クラッ ド層 14はキヤリア閉じ込め層、 及び 光閉じ込め層として作用し、 超格子層とした場合にはいずれか一方の層を A 1を含む窒化物半導体、 好ましくは A 1 G a Nを成長させることが望ま しく、 100オングストローム以上、 2 ^111以下、 さらに好ましくは 50 0オングストロ一ム以上、 1 /zm以下で成長させることにより良好なキヤ リア閉じ込め層が形成できる。 この n型クラッ ド層 14は単一の窒化物半 導体で成長させることもできるが、 超格子層とすることでクラックのない 結晶性のよいキャリア閉じ込め層が形成できる。
(n側光ガイ ド層 15)
n側光ガイ ド層 15は、 例えば、 S iを 5 X 1018/cm3ドープした n型 G aNからなり、 0. 1 /zmの膜厚を有する。 この n側光ガイ ド層 6は、 活性層の光ガイ ド層として作用し、 G aN、 I nG aNを成長させて形成 することが望ましく、 通常 100オングストローム〜 5 m、 さらに好ま しくは 200オングストローム〜 1 zmの膜厚で成長させる。 なお、 この 光ガイ ド層 15も超格子層にすることができる。 n側光ガイ ド層 15、 n 側クラッ ド層 14を超格子層にする場合、 超格子層を構成する窒化物半導 体層の平均的なバンドギヤップエネルギーは活性層よりも大きくする。 超 格子層とする場合には、 第 1の層及び第 2の層の少なくとも一方に n型不 純物をドープしてもよいし、 またアンドープでも良い。 また、 この光ガイ ド層 15は、 アンド一プの窒化物半導体単独若しくはアンドープの窒化物 半導体が積層された超格子でもよい。
(活性層 16 )
活性層 16は、 例えば、 S iを 8 X 1018/cm3でドープした I nfl.2G a0.8Nよりなり、 25オングストロームの膜厚を有する井戸層と、 S i を 8 X 1018/cm3ドープした I r .osl G a0.95Nよりなり、 50オング ストロームの膜厚を有する障壁層とを交互に積層することにより、 所定の 膜厚を有する多重量子井戸構造 （MQW) で構成する。 活性層 16におい ては、 井戸層、 障壁層両方に不純物をド一プしても良く、 いずれか一方に ドープしてもよい。 なお n型不純物をドープすると閾値が低下する傾向に ある。 また、 このように活性層 16を多重量子井戸構造とする場合には必 ずバンドギヤップエネルギーの小さい井戸層と、 井戸層よりもバンドギヤッ プエネルギーが小さい障壁層とを積層するため、 超格子層とは区別される。 井戸層の厚さは、 100オングストローム以下、 好ましくは 70オングス トロ一ム以下、 最も好ましくは、 50オングストローム以下にする。 障壁 層の厚さは 150オングストローム以下、 好ましくは 100オングスト口 ーム以下、 最も好ましくは 70オングストロ一ム以下にする。
尚、 量子井戸構造の活性層については、 本出願人が先に出願した特開平 9—148678号公報 （米国特許出願 08/743， 729は、 特開平 9一 148678号を基礎として出願したものである。 ） において開示し ており、 本発明では該公報に開示した活性層、 単一量子井戸構造の活性層 等、 種々の活性層を使用することができる。
(P側キヤップ層 17)
p側キャップ層 17は、 活性層 16よりもバンドギャップエネルギーが 大きい、 例えば、 Mgを 1 X 102 cm3ドープした p型 A 1 c.3G a0.7 Nよりなり、 例えば、 200オングストロームの膜厚を有する。 本実施形 態 2では、 このように、 キャップ層 17を用いることが好ましいが、 この キャップ層は、 薄い膜厚に形成されるので、 本発明では、 n型不純物をド —プしてキャリアが補償された i型としても良い。 p側キャップ層 17の 膜厚は 0. l m以下、 さらに好ましくは 500オングストローム以下、 最も好ましくは 300オングストローム以下に調整する。 0. 1 xmより 厚い膜厚で成長させると、 p側キャップ層 17中にクラックが入りやすく なり、 結晶性の良い窒化物半導体層が成長しにくいからである。 また、 p 側キャップ層 17の膜厚が、 0. 1 m以上であると、 キャリアがこのェ ネルギーバリアとなる p型キャップ層 17をトンネル効果により通過でき なくなるからであり、 該トンネル効果によるキヤリァの通過を考慮すると、 上述したように 500オングストローム以下、 さらには 300オングスト ローム以下に設定することが好ましい。
また、 P側キャップ層 17には、 LD素子を発振しやすくするために、 A 1の組成比が大きい A 1 GaNを用いて形成することが好ましく、 該 A
1 G aNを薄く形成する程、 LD素子は発振しやすくなる。 例えば、 Y値 が 0. 2以上の A 1 YG であれば 500オングストローム以下に調 整することが望ましい。 p側キャップ層 17の膜厚の下限は特に限定しな いが、 10オングストローム以上の膜厚で形成することが望ましい。
(P側光ガイ ド層 18) p側光ガイ ド層 18は、 バンドギャップエネルギ一が p側キャップ層 17 よりも小さい、 例えば、 Mgを 1 X 1020/cm3ドープした p型 G a Nより なり、 0. 1 mの膜厚を有する。 この p側光ガイ ド層 18は、 活性層 1 6の光ガイ ド層として作用し、 n側光ガイ ド層 15と同じく G aN、 I n G a Nで成長させて形成することが望ましい。 また、 この層は p側クラッ ド層 19を成長させる際のバッファ層としても作用し、 100オングスト ローム〜 5 m、 さらに好ましくは 200オングストローム〜 1 mの膜 厚で成長させることにより、 好ましい光ガイ ド層として作用する。 この p 側光ガイ ド層は通常は Mg等の p型不純物をドープして p型の導電型とす るが、 特に不純物をドープしなくても良い。 なお、 この p側光ガイ ド層を 超格子層とすることもできる。 超格子層とする場合には第 1の層及び第 2 の層の少なくとも一方に p型不純物をドープしてもよいし、 またアンド一 プでも良い。
(P側クラッ ド層 19=超格子層）
P側クラッ ド層 19は、 例えば、 Mgを 1 X 1020/cm3ドープした p型 A I 0.2G a Q.8Nよりなり、 例えば、 20オングストロームの膜厚を有す る第 1の層と、 例えば Mgを 1 X 1020/cm3ドープした p型 G aNよりな り、 20オングス卜ロームの膜厚を有する第 2の層とが交互に積層された 超格子層からなる。 この P側クラッ ド層 19は、 n側クラッ ド層 14と同 じくキヤリア閉じ込め層として作用し、 特に p型層の抵抗率を低下させる ための層として作用する。 この p側クラッ ド層 19の膜厚も特に限定しな いが、 100オングストローム以上、 以下、 さらに好ましくは 50 0オングストロ一ム以上、 1 m以下で形成することが望ましい。
(P側コンタク ト層 20)
p側コンタク ト層 20は、 p側クラッ ド層 19の上に、 例えば、 Mgを 2 x 1020/cm3ドープした p型 G a Nよりなり、 例えば、 150オン グストロームの膜厚を有する。 この p側コンタク ト層 20は P型の I nx A 1 YG a i-x-v (0≤Xs 0≤Y、 X + Y≤ 1) で構成することができ、 好ましくは、 上述のように Mgをドープした G a Nとすれば、 p電極 21 と最も好ましいォーミ ック接触が得られる。 さらに p側コンタク ト層の膜 厚を 500オングストロー厶以下、 さらに好ましくは 300オングストロ ーム以下、 最も好ましくは 200オングストローム以下に調整する。 なぜ なら、 上述したように抵抗率が数 Ω · cm以上もある p型窒化物半導体層 の膜厚を 500オングストローム以下に調整することにより、 さらに抵抗 率を低げることができるため、 閾値での電流、 電圧が低下する。 また p型 層から除去される水素の量を多くすることができ、 さらに抵抗率を低下さ せることができる。
なお、 本発明では、 p側コンタク ト層 20も超格子層とすることもでき る。 超格子層とする場合には、 特にバンドギャップエネルギーが異なる第 1の層と第 2の層とを積層し、 第 1+第 2+第 1 +第 2+ · · ， というよ うに積層していき、 最後にバンドギヤップエネルギーが小さい方の層が露 出するようにすると、 p電極 21と好ましいォーミ ック接触が得られる。 p電極 21の材料としては、 例えば N i、 P d、 N i ZAu等を挙げるこ とができる。
また、 本実施形態 2では、 図 2に示すように p電極 21と、 n電極 23 との間に露出した窒化物半導体層の表面に S i 02よりなる絶縁膜 25が 形成され、 この絶縁膜 25に形成された開口部を介して p電極 21と電気 的に接続された pパッ ド電極 22、 及び n電極 23と接続された nパッ ド 電極 24が形成される。 この pパッ ド電極 22は実質的な ρ電極 21の表 面積を広げて、 p電極側をワイヤ一ボンディ ング、 ダイボンディングでき るようにし、 一方 nパッ ド電極 2 4は n電極 2 3の剥がれを防止する。 以上の実施形態 2の窒化物半導体素子は、 第 1の層、 及び第 2の層を弾 性歪み限界以下の膜厚にして積層された超格子層である、 結晶性のよい p 型クラッ ド層 1 9を備えている。 これによつて、 本実施形態 2の窒化物半 導体素子は、 p側クラッ ド層 1 9の抵抗値を、 超格子構造を有しない p側 クラッ ド層に比較して 1桁以上低くすることができるので、 閾値電圧、 電 流を低くすることができる。
また、 本実施形態 2の窒化物半導体素子では p型 A 1 を含む P側クラッ ド層 1 9に接して、 バンドギャップエネルギーの小さい窒化物 半導体を p側コンタク ト層 2 0として、 その膜厚を 5 0 0オングストロー ム以下と薄く形成することにより、 実質的に p側コンタク ト層 2 0のキヤ リア濃度が高くなり p電極と好ましいォーミ ックが得られて、 素子の閾値 電流、 電圧を低くすることができる。 さらに、 n側コンタク ト層を成長さ せる前に、 第 2のバッファ層 1 1 2を備えているので、 第 2のバッファ層 1 1 2の上に成長させる窒化物半導体層の結晶性を良くでき、 長寿命の素 子を実現できる。 好ましくは、 第 2のバッファ層 1 1 2の上に成長させる n側コンタク ト層を超格子とすると、 横方向の抵抗値が低くなり、 閾値電 圧 ·閾値電流の低い素子が実現できる。
なお、 本実施形態 2の L D素子では I n G a Nのような、 少なくともィ ンジゥムを含む窒化物半導体を活性層 1 6に備える場合には、 I n x G a ! -xNと、 A 1 Y G a i—Y Nとが交互に積層された超格子層を、 活性層 1 6を 挟設する層 （n側クラッ ド層 1 4及び p側クラッ ド層 1 9 ) として用いる ことが好ましい。 これによつて、 活性層 1 6と該超格子層とのバンドギヤッ プエネルギー差、 屈折率差を大きくできるため、 該超格子層をレーザ素子 を実現する際に非常に優れた光閉じ込め層として動作させることができる。 さらに I n G a Nは結晶の性質が他の A I G a Nのような A 1を含む窒化 物半導体に比べて柔らかいので、 I n G a Nを活性層とすると、 積層した 各窒化物半導体層全体にクラックが入りにく くなる。 これによつて、 L D 素子の寿命を長くすることができる。
本実施形態 2のように量子井戸構造を有する活性層 1 6を有するダブル ヘテロ構造の半導体素子の場合、 その活性層 1 6に接して、 活性層 1 6よ りもバンドギヤップエネルギーが大きい膜厚 0. 1 m以下の窒化物半導 体よりなる p側キャップ層 1 7、 好ましくは A 1を含む窒化物半導体より なる p側キャップ層 1 7を設け、 その p側キャップ層 1 7よりも活性層か ら離れた位置に、 p側キャップ層 1 7よりもバンドギヤップエネルギーが 小さい P側光ガイ ド層 1 8を設け、 その p側光ガイ ド層 1 8よりも活性層 から離れた位置に、 p側光ガイ ド層 1 8よりもバンドギャップが大きい窒 化物半導体、 好ましくは A 1を含む窒化物半導体を含む超格子構造を有す る P側クラッ ド層 1 9を設けることは非常に好ましい。 しかも p側キヤッ プ層 1 7のバンドギャップエネルギーを大きく してあるため、 n層から注 入された電子が、 この ρ側キャップ層 1 7で阻止されて閉じ込められ、 電 子が活性層をオーバーフローしないために、 素子のリーク電流が少なくな る
以上の実施形態 2の窒化物半導体素子では、 レーザ素子の構造として好 ましい構造を示したが、 本発明では n型の超格子層は活性層 1 6から下の n導電側の半導体領域 2 0 2に少なくとも 1層有していれば良く、 また p 型の超格子層も活性層 1 6から上の p導電側の半導体領域 2 5 2に少なく とも 1層有していれば良く、 素子構成には特に限定されるものではない。 但し、 前記超格子層は p導電側の半導体領域 2 5 2に形成する場合はキヤ リア閉じ込め層としての p側クラッ ド層 1 9に形成し、 n導電側の半導体 領域 2 0 2に形成する場合は n電極 2 3が接した電流注入層としての nコ ンタク ト層 1 2、 またはキヤリァ閉じ込めとしての nクラッ ド層 1 4とし て形成することが素子の V f 、 閾値を低下させる上で最も好ましい。 また、 実施形態 2の素子と同様の構成を、 L E D素子に適用できることはいうま でもない （ただし、 L E D素子では、 リッジ部は必要ない） 。
以上のように構成された実施形態 2の窒化物半導体素子では、 各層が形 成された後、 Hを含まない雰囲気、 例えば、 窒素雰囲気中で、 4 0 0 °C以 上、 例えば 7 0 0 °Cでアニーリングを行うことが好ましく、 これによつて、 P型窒化物半導体層領域の各層をさらに低抵抗化することができるので、 これによつて、 さらに閾値電圧を低くすることができる。
また、 実施形態 2の窒化物半導体素子では、 p側コンタク ト層 1 2の表 面に N iと A uよりなる p電極 2 1がストライプ状に形成され、 この p電 極 2 1に対して左右対称に n側コンタク ト層を露出させて、 その n側コン タク ト層表面のほぼ全面に n電極 2 3を設けている。 このように、 絶縁性 基板を用いた場合 p電極 2 1の両側に左右対称に n電極 2 3を設ける構造 は、 閾値電圧を低くする上で非常に有利である。
なお、 本実施形態 2では、 リッジ部 （ストライプ状の電極） に垂直な方 向で劈開した劈開面 （共振器面） に S i 0 2と T i 02よりなる誘電体多層 膜を形成してもよい。
このように、 本発明において、 超格子層は、 活性層を挟設する n型領域 又は P型領域に形成されるキヤリア閉じ込め層としてのクラッ ド層、 活性 層の光ガイ ド層、 若しくは電極が接して形成される電流注入層として用い られるため、 超格子層を構成する窒化物半導体の平均バンドギヤップエネ ルギ一が活性層よりも大きくなるように調整することが望ましい。 実施形態 3.
図 3は本発明に係る実施形態 3の窒化物半導体素子の構造を示す模式的 な断面図である。 この実施形態 3の窒化物半導体素子は、 活性層端面を共 振面とする電極ストライプ型のレーザダイオードであって、 図 3は、 レー ザ光の共振方向に垂直な方向で素子を切断した際の断面を模式的に示して いる。 以下、 図 3を参照して本発明の実施形態 3について説明する。
まず、 図 3において、 各符号は以下のものを示す。
100は、 窒化物半導体と異なる材料よりなる異種基板、 例えばサファ ィァ、 スピネル、 S i C、 S i、 G a A s、 Z n 0等の材料よりなる基板 の上に成長された、 例えば膜厚 10 m以上の G aN基板を示す。 なお、 異種基板は、 図 3に示すように、 G aN基板 100を形成した後除去して もよいし、 後述する実施例に示すように除去しないで用いてもよい（図 8)。
11は、 S i ド一プ n型 G aNよりなるバッファ層であり、 本実施形態 3では n側コンタク ト層の機能を兼ね備えている。
14は、 例えば膜厚 40オングストロームの S i ドープ n型 A 1 c.2G a0.sN (第 1の窒化物半導体層） と膜厚 40オングストロームのアンド ープ （undope) GaN層 （第 2の窒化物半導体層） とが交互に 100層積 層されてなる超格子構造の n側クラッ ド層を示す。 尚、 本実施形態 3では、 n側クラッ ド層 14は、 活性層から離れた位置に形成している。
15は、 n側クラ、 j、 ド層 14と、 活性層 16との間にあり、 n側クラッ ド層 14の A 1。.2Ga。 8Nよりも小さいバンドギャップエネルギーを有 する、 例えばアンドープ G a Nよりなる n側ガイ ド層を示す。
以上の n側バッファ層 11、 n側クラッ ド層 14及び n側光ガイ ド層 1 5によって n導電側の半導体領域 203が構成される。
16は、 膜厚 30オングストロームの I n0.2GaQ.8Nよりなる井戸層 3層と、 井戸層よりもバンドギヤップエネルギーが大きい膜厚 30オング ストロームの I no. G a o.95Nよりなる障壁層 2層とが交互に合計 5層 積層されてなる多重量子井戸構造の活性層を示す。
17は、 活性層 16の井戸層のバンドギヤップエネルギーよりも大きく、 P側光ガイ ド層 18のバンドギヤップエネルギーよりも大きい、 例えば M gドープ p型 A 1 o.3G a。.7Nよりなる p側キャップ層を示す。 この p側 キャップ層 17のバンドギヤップエネルギーは好ましくは、 超格子構造の p側クラッ ド層 19のバンドギヤップエネルギーの小さい方の窒化物半導 体層 （第 4の窒化物半導体層） よりも大きくする。
18は、 p側クラッ ド層 19と、 活性層 16との間にあり、 p側クラッ ド層 19の A 1 c.2G ao.8Nよりも小さいバンドギヤップエネルギーを有 する、 例えばアンドープ G a Nよりなる p側ガイ ド層を示す。
19は、 活性層から離れた位置にあり、 例えば膜厚 40オングストロー ムの Mgドープ p型 A 1 o.2G a 0.8Nと膜厚 40オングス卜ロームのアン ドープ （undope) G a N層とが交互に 100層積層されてなる超格子構造 の P側クラッ ド層を示す。
20は、 p側クラッ ド層 19の A 1。 2G ao.8Nよりも小さいバンドギヤ ップエネルギーを有する、 例えば Mgドープ G a Nよりなる p側コンタク ト層を示す。 以上の p側キャップ層 17、 側光ガイ ド層 18、 p側クラッ ド層 19及び p側コンタク ト層 20によって p導電側の半導体領域 2 δ 3 が構成される。
このように本発明の実施形態 3のレーザ素子は、 G aN基板 100の上 に上述の各窒化物半導体層 11， 14〜20が積層された構造を有してお り、 P側クラッ ド層 19から上の窒化物半導体層においてストライプリッ ジが形成され、 リッジ最表面にある p側コンタク ト層 20のほぼ全面に p 電極 2 1が形成されている。 一方、 露出された n側バッファ層 1 1の表面 (上面） には]!電極 2 3が形成されている。 本実施形態 3では、 n電極 2 3は n側バッファ層 1 1の表面に形成されているが、 基板としてが G a N 基板 1 0 0を用いているので、 n電極を形成する部分を G a N基板 1 0 0 までエッチングして G a N基板 1 0 0の表面を露出させ、 その露出させた G a N基板 1 0 0の表面に n電極を形成して同一面側に p電極と n電極と を設ける構造とすることもできる。 また n電極 2 3と p電極 2 1の上部を 除いて、 露出している窒化物半導体表面には、 例えば S i 02からなる絶 縁膜 2 5が形成され、 n電極 2 3と p電極 2 1上の絶縁膜 2 5の開口部を 介してそれぞれ p電極 2 1及び n電極 2 3に接続されるように、 ボンディ ング用として Pパッ ド電極 2 2と nパッ ド電極 2 4が設けられている。 な お先にも述べたように、 活性層と p電極との間にある窒化物半導体層から なる領域は、 p導電側の半導体領域というが、 これは、 該半導体領域を構 成するすべての窒化物半導体層が p型の導電性を有することを意味するも のではない。 同様に、 活性層と G a N基板 1 0 0との間にある窒化物半導 体層からなる領域を n側導電性の半導体領域というが、 該領域を構成する すべての窒化物半導体層が P型導電性を有することを意味するものではな い。
本発明の実施形態 3のレーザ素子では、 図 3に示す活性層 1 6の下部に ある n側窒化物半導体層中において、 活性層 1 6と離れた位置に、 互いに 不純物濃度が異なる、 バンドギヤップエネルギーの大きな第 1の窒化物半 導体層と、 第 1の窒化物半導体層よりもバンドギヤップエネルギーの小さ な第 2の窒化物半導体層とが積層されてなる超格子構造の n側クラッ ド層 1 4を有している。 ここで、 超格子層を構成する第 1の窒化物半導体層、 第 2の窒化物半導体層の膜厚は 1 0 0オングストローム以下、 さらに好ま しくは 70オングストローム以下、 最も好ましくは 10〜40オングスト ロームの膜厚に調整する。 100オングストロームよりも厚いと、 第 1の 窒化物半導体層及び第 2の窒化物半導体層が弾性歪み限界以上の膜厚とな り、 膜中に微少なクラック、 あるいは結晶欠陥が入りやすい傾向にある。 本発明では、 第 1の窒化物半導体層、 第 2の窒化物半導体層の膜厚の下限 は特に限定されず、 1原子層以上であればよいが、 前記のように 10オン グストローム以上であることが好ましい。 さらに第 1の窒化物半導体層は 少なくとも A 1を含む窒化物半導体、 好ましくは A 1 xGai-xN (0<X ≤1) を成長させることが望ましい。 一方、 第 2の窒化物半導体は第 1の 窒化物半導体よりもバンドギヤップエネルギーが小さい窒化物半導体であ ればどのようなものでも良いが、 好ましくは成長が容易でかつ結晶性の良 いものが得られる、 A lvGa^N く 1、 X>Y). I nzG ai-z
N (0≤Z< 1) のような 2元混晶、 3元混晶の窒化物半導体で形成する。 尚、 本発明では、 第 1の窒化物半導体は I nを含まない A 1 xGai-xN (0 <X< 1) とし、 第 2の窒化物半導体は A 1を含まない I nzG aい ZN (0 ≤Z< 1) とすることがさらに好ましく、 中でも結晶性に優れた超格子を 得るという点からいうと、 第 1の窒化物半導体として A 1混晶比 （Y値） 0. 3以下の A 1 xGa^xN (0<X≤0. 3) を用い、 第 2の窒化物半 導体として G a Nを用いることが最も好ましい。
また、 A lxGaい XN (0<X< 1) を用いて第 1の窒化物半導体を形 成し、 G aNを用いて第 2の窒化物半導体を形成した場合、 以下のような 製造上優れた利点を有する。 すなわち、 有機金属気相成長法 （MOVPE ； metal organic vapor phase epitaxy) による A l xGai-xN ( 0 < X < 1) 層及び G a N層の形成においては、 いずれの層も同じ H2雰囲気中 で成長させることができる。 従って、 雰囲気を変えることなく A 1 xGa! - x N ( 0 < X < 1 ) 層と G a N層とを交互に成長させることにより超格子 層を形成することができる。 このことは、 数 1 0から数 1 0 0層を積層し て形成する必要がある超格子層を製造する上で極めて大きな利点である。 光閉じ込め層、 及びキヤリア閉じ込め層としての機能を有するクラッ ド 層は、 活性層の井戸層よりも大きいバンドギヤップエネルギーを有する必 要がある。 バンドギヤップエネルギ一の比較的大きな窒化物半導体層とし て、 A 1混晶比の高い窒化物半導体があるが、 従来では A 1混晶比の高い 窒化物半導体を厚膜で成長させると、 クラックが入りやすくなるため、 結. 晶成長が非常に難しかった。 しかしながら本発明のように超格子層にする と、 超格子層を構成する第 1の窒化物半導体層としての A 1 G a N層を A 1混晶比の多少高い層としても、 弾性臨界膜厚以下の膜厚で成長させてい るのでクラックが入りにく くできる。 これによつて、 本発明では、 A 1混 晶比の高い層を結晶性良く成長できるので、 光閉じ込め、 キャリア閉じ込 め効果の高いクラッ ド層を形成することが可能となり、 レーザ素子におい て、 閾値電圧を低くできる。 また、 本発明は L E D素子に適用することも でき、 L E D素子においては、 V f (順方向電圧） を低下させることがで きる。
さらに、 本発明に係る実施形態 3のレーザ素子では、 この n側クラッ ド 層 1 4の第 1の窒化物半導体層と第 2の窒化物半導体層との n型不純物濃 度が互いに異なるように設定する。 これはいわゆる変調ドープと呼ばれる もので、 このように一方の層の n型不純物濃度を小さく、 好ましくは不純 物をドープしない状態 （アンドープ） として、 もう一方の層に高濃度にド ープすると、 この変調ドープによっても閾値電圧、 V f 等を低下させるこ とができる。 これは不純物濃度の低い層を超格子層中に存在させることに より、 その層の移動度が大きくなり、 また不純物濃度が高濃度の層も同時 に存在することにより、 キャリア濃度が高いままで超格子層が形成できる ことによる。 つまり、 不純物濃度が低い移動度の高い層と、 不純物濃度が 高いキヤリア濃度が大きい層とが同時に存在することにより、 キヤリア濃 度が大きく、 移動度も大きい層がクラッ ド層となるために、 閾値電圧、 V f が低下すると推察される。
また、 バンドギャップエネルギーの大きな窒化物半導体層に高濃度に不 純物をドープした場合、 この変調ドープにより高不純物濃度層と、 低不純 物濃度層との間に二次元電子ガスができ、 この二次元電子ガスの影響によ り抵抗率が低下すると推察される。 例えば、 n型不純物がドープされたバ ンドギヤップの大きい窒化物半導体層と、 バンドギヤップが小さいアンド ープの窒化物半導体層とを積層した超格子層では、 n型不純物を添加した 層と、 アンドープの層とのヘテロ接合界面で、 障壁層側が空乏化し、 バン ドギャップの小さい層側の界面近傍に電子 （二次元電子ガス） が蓄積する。 この二次元電子ガスがバンドギヤップの小さい側にできるので、 電子が走 行するときに不純物による散乱を受けないため、 超格子の電子の移動度が 高くなり、 抵抗率が低下する。 なお p側の変調ドープも同様に二次元正孔 ガスの影響によると推察される。 また p層の場合、 A l G a Nは G a Nに 比較して抵抗率が高い。 そこで A 1 G a Nの方に p型不純物を多く ドープ することにより抵抗率が低下するために、 超格子層の実質的な抵抗率が低 下させることができるのでレーザ素子を作製した場合に、 閾値を低下させ ることができると推察される。
—方、 バンドギャップエネルギーの小さな窒化物半導体層に高濃度に不 純物をドープした場合、 以下のような作用があると推察される。 例えば A 1 G a N層と G a N層に M gを同量でド一プした場合、 A 1 G a N層では M gのァクセプター準位の深さが大きく、 活性化率が小さい。 一方、 G a N層のァクセプター準位の深さは A 1 G a N層に比べて浅く、 Mgの活性 化率は高い。 例えば Mgを 1 X 102 cm3ドープしても G a Nでは 1 x 1018/cm3程度のキヤリア濃度であるのに対し、 A 1 GaNでは 1 X 1 017/cm3程度のキャリア濃度しか得られない。 そこで、 本発明では A 1 GaN/GaNとで超格子とし、 高キヤリア濃度が得られる G a N層の方 に多く不純物をドープすることにより、 高キヤリァ濃度の超格子が得られ るものである。 しかも超格子としているため、 トンネル効果でキャリアは 不純物濃度の少ない A 1 G aNjpを移動するため、 キャリアは A 1 G aN 層において不純物の影響をほとんど受けずに移動でき、 かつ A 1 GaN層 はバンドギャップエネルギーの高いクラッ ド層としても作用する。 従って、 バンドギヤップエネルギーの小さな方の窒化物半導体層に不純物を多く ド ープしても、 レーザ素子、 LED素子の閾値を低下させる上で非常に効果 的である。 なおこの説明は p型層側に超格子を形成する例について説明し たが、 n層側に超格子を形成する場合においても、 同様の効果がある。 バンドギヤップエネルギーが大きい第 1の窒化物半導体層に n型不純物を 多く ドープする場合、 第 1の窒化物半導体層への好ましいドープ量として は、 1 X 1017/cm3〜l X 1020ノ cm3、 さらに好ましくは 1 x 1018/ cm3〜5 X 1019/cra3の範囲に調整する。 1x 101？ノ 3よりも少ない と、 第 2の窒化物半導体層との差が少なくなつて、 キャリア濃度の大きい 層が得られにくい傾向にあり、 また 1 X 1020ノ cm3よりも多いと、 素子 自体のリーク電流が多くなりやすい傾向にある。 一方、 第 2の窒化物半導 体層の n型不純物濃度は第 1の窒化物半導体層よりも少なければ良く、 好 ましくは 1/10以上少ない方が望ましい。 最も好ましくはアンドープと することであり、 これによつて、 最も移動度の高い層が得られる。 しかし ながら、 超格子層では各層の膜厚が薄いため、 第 1の窒化物半導体側から 第 2の窒化物半導体層に拡散してくる n型不純物がある。 その場合でも、 第 2の窒化物半導体層の n型不純物濃度が 1 X 1019 cm3以下であれば、 本発明の作用効果がえられる。 n型不純物としては S i、 Ge、 S e、 S、 0等の周期律表第 IVB族、 VIB族元素を選択し、 好ましくは S i、 Ge、 Sを n型不純物とする。 この作用は、 バンドギャップエネルギーが大きい 第 1の窒化物半導体層に n型不純物を少なく ド一プして、 バンドギャップ エネルギーが小さい第 2の窒化物半導体層に n型不純物を多く ド一プする 場合も同様である。
また、 本発明の実施形態 3のレーザ素子では、 図 3に示す活性層 16の 上部にある p側窒化物半導体層中において、 活性層 16と離れた位置に、 互いの不純物濃度が異なる、 バンドギャップエネルギーの大きな第 3の窒 . 化物半導体層と、 第 3の窒化物半導体層よりもバンドギヤップエネルギー の小さな第 4の窒化物半導体層とが積層されてなる超格子構造の p側クラッ ド層 19を有している。 この p側クラッ ド層 19の超格子層を構成する第 3、 第 4の窒化物半導体層の膜厚も、 n側クラッ ド層 14と同じく、 10 0オングストローム以下、 さらに好ましくは 70オングストローム以下、 最も好ましくは 10〜40オングストロームの膜厚に調整する。 同様に、 第 3の窒化物半導体層は少なくとも A 1を含む窒化物半導体、 好ましくは A 1 xG a^xN (0<X≤1) を成長させることが望ましく、 第 4の窒化 物半導体は好ましくは A 1 YG auN (0≤Y< 1. Χ> Υ) 、I nzGa ι-ζΝ (0≤Ζ≤1) のような 2元混晶、 3元混晶の窒化物半導体を成長 させることが望ましい。
Ρ側クラッ ド層 19を超格子構造とすると、 超格子構造がレーザ素子に 与える作用は、 η側クラッ ド層 14の作用と同じであるが、 さらに η層側 に形成した場合に加えて次のような作用がある。 即ち、 ρ型窒化物半導体 は n型窒化物半導体に比べて、 通常抵抗率が 2桁以上高い。 そのため超格 子層を P層側に形成することにより、 閾値電圧を低くする効果が顕著に現 れる。 詳しく説明すると窒化物半導体は p型結晶が非常に得られにくい半 導体であることが知られている。 p型結晶を得るため p型不純物をドープ した窒化物半導体層をァニーリングして、 水素を除去する技術が知られて いる （特許第 2 5 4 0 7 9 1号） 。 しかし p型が得られたといってもその 抵抗率は数 Ω · cm以上もある。 そこで、 この p型層を超格子層とすること により結晶性が良くなり、 抵抗率が 1桁以上低下するため閾値電圧を低く することができる。
本実施形態 3では、 p側クラッ ド層 1 9の第 3の窒化物半導体層と第 4 の窒化物半導体層との p型不純物濃度が異なり、 一方の層の不純物濃度を 大きく、 もう一方の層の不純物濃度を小さくする。 n側クラッ ド層 1 4と 同様に、 バンドギヤップエネルギーの大きな第 3の窒化物半導体層の方の P型不純物濃度を大きく して、 バンドギヤップエネルギーの小さな第 4の p型不純物濃度を小さく、 好ましくはアンド一プとすると、 閾値電圧、 V f 等を低下させることができる。
またその逆の構成も可能である。 つまりバンドギヤップエネルギーの大 きな第 3の窒化物半導体層の p型不純物濃度を小さく して、 バンドギヤッ プエネルギーの小さな第 4の窒化物半導体層の p型不純物濃度を大きく し ても良い。 理由は先に述べたとおりである。
第 3の窒化物半導体層への好ましいドープ量としては 1 X 1 0 1 cm3 〜 1 X 1 0 21 /cm\ さらに好ましくは 1 X 1 0 1 9/cm3~ 5 1 0 2 Vcm 3の範囲に調整する。 l x l 0 1 8Zcm3よりも少ないと、 第 4の窒化物半導 体層との差が少なくなつて、 キヤリア濃度の大きい層が得られにくい傾向 にあり、 また 1 X 1 0 2 1 /cm3よりも多いと、 結晶性が悪くなる傾向にあ るからである。 一方、 第 4の窒化物半導体層の p型不純物濃度は第 3の窒 化物半導体層よりも少なければ良く、 好ましくは 1ノ 1 0以上少ない方が 望ましい。 最も移動度の高い層を得るためには、 アンド一プとすることが 最も好ましい。 現実には、 膜厚が薄いため、 第 3の窒化物半導体側から拡 散してくる P型不純物があると考えられるが、 本願発明において良好な結 果を得るためには、 その量は 1 X 1 0 2 Dノ cm3以下が望ましい。 尚、 p型 不純物としては M g、 Z n、 C a、 B e等の周期律表第 II A族、 II B族元 素を選択し、 好ましくは M g、 C a等を p型不純物とする。 以上説明した ことは、 バンドギヤップエネルギーが大きい第 3の窒化物半導体層に P型 不純物を少なく ドープして、 バンドギャップエネルギーが小さい第 4の窒 化物半導体層に P型不純物を多く ドープする場合も同様である。
さらにまた超格子を構成する窒化物半導体層において、 不純物が高濃度 にドープされる層は、 それぞれ厚さ方向に対し、 半導体層中央部 （第 2の 窒化物半導体層又は第 4の窒化物半導体層から離れた位置） の不純物濃度 が大きく、 両端部近傍 （第 2の窒化物半導体層又は第 4の窒化物半導体層 に近接する部分） の不純物濃度が小さく （好ましくはアンド一プ） なるよ うにすることが望ましい。 具体的に説明すると、 例えば n型不純物として S iをドープした A 1 G a N層と、 アンド一プの G a N層とで超格子層を 形成した場合、 A 1 G a N層は S iをドープしているのでドナーとして電 子を伝導帯に出すが、 電子はポテンシャルの低い G a Nの伝導帯に落ちる。 G a N結晶中にはドナー不純物をドープしていないので、 不純物によるキヤ リアの散乱を受けない。 そのため電子は容易に G a N結晶中を動くことが でき、 電子の移動度が高くなる。 これは前述した二次元電子ガスの効果と 類似しており、 電子横方向の実質的な移動度が高くなり、 抵抗率が小さく なる。 さらに、 バンドギャップエネルギーの大きい A 1 G a N層において、 G a N層から比較的離れた中央領域に n型不純物を高濃度にドープすると 効果はさらに大きくできる。 即ち G a N中を移動する電子のうち、 A 1 G a N層に近い部分を通過する電子は、 A 1 G a N層中の G a N層に近接す る部分にある n型不純物イオン （この場合 S i ) の散乱を多少なりとも受 ける。 し力、し、 上述のように A 1 G a N層において、 G a N層に近接する 部分をァンドープとすると、 A 1 G a N層に近い部分を通過する電子が S iの散乱を受けにく くなるので、 さらにアンドープ G a N層の移動度が向 上するのである。 作用は若干異なるが、 p層側の第 3の窒化物半導体層と 第 4の窒化物半導体層とで超格子を構成した場合も類似した効果があり、 バンドギヤップエネルギーの大きい第 3の窒化物半導体層の中央部領域に、 P型不純物を多く ドープし、 第 4の窒化物半導体層に近接する部分を少な くするか、 あるいはアンドープとすることが望ましい。 一方バンドギヤッ プエネルギーの小さな窒化物半導体層に n型不純物を多く ドープした層を、 前記不純物濃度の構成とすることもできる力 バンドギヤップエネルギー の小さな方に不純物を多く ドープした超格子では、 その効果は小さい。 以上、 n側クラッ ド層 1 4、 p側クラッ ド層 1 9を超格子層とすること について説明したが、 本発明では超格子層は、 この他、 コンタク ト層とし ての n側バッファ層 1 1、 n側光ガイ ド層 1 5、 P側キャップ層 1 7、 p 側光ガイ ド層 1 8、 p側コンタク ト層 2 0等を超格子構造とすることがで きる。 つまり活性層から離れた層、 活性層に接した層、 どの層でも超格子 層とすることができる。 特に n電極が形成される n側バッファ層 1 1を超 格子とすると、 前記 H E MTに類似した効果が現れやすい。
さらに、 本発明の実施形態 3のレーザ素子においては、 図 3に示すよう に、 超格子層からなる n側クラッ ド層 1 4と活性層 1 6との間に、 不純物 (この場合 n型不純物） 濃度が 1 X 1 0 1 9ノ cm3以下に調整された n側光 ガイ ド層 15が形成されている。 この n側光ガイ ド層 15は、 アンドープ としても、 n型不純物が他の層から拡散して入ってくる可能性があるが、 本発明においては、 lx l 019Zcm3以下のドープ量であれば、 光ガイ ド 層として動作し本願発明の効果を損なうことはない。 しかしながら、 本発 明において、 n側光ガイ ド層 15の不純物濃度は 1 X 1018/^πι3以下で あることが好ましく、 lx l 017 ^πι3以下であることがさらに好ましく、 アンド一プであることが最も好ましい。 また、 この n側光ガイ ド層は I n を含む窒化物半導体、 または G a Nで構成することが望ましい。
また実施形態 3のレーザ素子においては、 超格子層からなる p側クラッ ド層 19と活性層 16との間に、 不純物 （この場合 p型不純物） 濃度が 1 X 1019ノ cm3以下に調整された p側光ガイ ド層 18が形成されている。 本発明において、 p側ガイ ド層 18の不純物濃度は、 lxl O19 cm3以 下であればよいが、 好ましい不純物濃度は 1 X 1018 0113以下であり、 最も好ましくはアンドープとする。 窒化物半導体の場合、 アンド一プとす ると、 通常 n型の導電性を示すが、 本発明は、 この p側ガイ ド層 18の導 電型は n又は pのいずれでもよく、 本明細書においては、 導電型にかかわ らず P側光ガイ ド層と呼ぶ。 また、 実際には、 p型不純物が他の層から拡 散してこの p側光ガイ ド層 18に入ってくる可能性もある。 尚、 この p側 光ガイ ド層も I nを含む窒化物半導体、 または GaNで構成することが望 ましい。
なぜ、 活性層とクラッ ド層との間にアンドープの窒化物半導体を存在さ せることが好ましいのかは次の通りである。 即ち、 窒化物半導体の場合、 活性層の発光波長は通常 360〜520 nmの範囲、 中でも 380〜45 0 nmの範囲になるように設計される。 アンド一プの窒化物半導体は n型 不純物、 P型不純物をドープした窒化物半導体に比較して、 前記波長を有 する光の吸収率が低い。 従って、 アンドープの窒化物半導体を、 発光する 活性層と、 光閉じ込め層としてのクラッ ド層との間に挟むことにより、 活 性層の発光を消衰させることが少ないので、 低利得で発振するレーザ素子 が実現でき、 閾値電圧を低くすることができる。 尚、 この効果は、 光ガイ ド層の不純物濃度が、 l x l 0 1 9/cm3以下であれば得られる。
従って、 本発明の好ましい組み合わせとしては、 活性層と離れた位置に 不純物が変調ドープされた超格子構造を有するクラッ ド層を有し、 そのク ラッ ド層と活性層との間に、 不純物濃度が低い、 好ましくはアンド.ープの ガイ ド層を有する発光素子である。
さらに好ましい態様として、 本実施形態 3の発光素子では、 p側ガイ ド 層 1 8と活性層 1 6との間に、 活性層の井戸層、 及び p側ガイ ド層 1 8界 面のバンドギヤップエネルギーよりも大きいバンドギヤップエネルギーを 有する膜厚 0 . 1 x m以下の窒化物半導体よりなる p側キャップ層 1 7が 形成されており、 その！)側キャップ層の不純物濃度が 1 X 1 0 1 8/cm3以上 に調整されている。 この P型キャップ層 1 7の膜厚は 0 . l m以下、 さ らに好ましくは 5 0 0オングストローム以下、 最も好ましくは 3 0 0オン グストローム以下に調整する。 0 . 1 ^ mより厚い膜厚で成長させると、 P型キャップ層 1 7中にクラックが入りやすくなり、 結晶性の良い窒化物 半導体層が成長しにくいからである。 このようにバンドギヤップエネルギ —が大きな層を活性層に接して、 0. 1 以下の薄膜で形成することに より、 発光素子のリーク電流を少なくできる。 これによつて、 n層側から 注入された電子が、 キャップ層のエネルギーバリアの障壁により、 活性層 内に溜まり、 電子と正孔との再結合の確率が高くなるために素子自体の出 力を向上させることができる。 また、 このキャップ層の不純物濃度は 1 X 1 0 1 8/cm3以上に調整する必要がある。 すなわち、 このキャップ層は比較 的 A 1混晶比の高い層であり、 A 1混晶比の高い層は高抵抗になりやすい。 このため不純物をドープすることによりキャリア濃度を高く して抵抗率を 下げてやらないと、 この層が高抵抗な i層のようになり、 p— i— n構造 となって電流電圧特性が悪くなる傾向にあるからである。 なお、 この p側 にあるキャップ層は、 n側に形成してもよい。 n側に形成する場合は、 n 型不純物をドープしてもしなくても良い。
以上のように構成された実施形態 3のレーザ素子は、 n側クラッ ド層 1 4及び p側クラッ ド層 1 9を超格子構造で構成しているので、 n側クラッ ド層 1 4及び p側クラッ ド層 1 9の電気抵抗を低くでき、 閾値電圧を低く できしかも長時間のレーザ発振が可能である。
また、 本実施形態 3のレーザ素子では、 n側クラッ ド層 1 4及び p側ク ラッ ド層 1 9を超格子構造で構成する以外にも、 上述したように種々の手 段を講じて、 さらなる閾値電圧の低減を可能としている。
以上の実施形態 3では、 n側クラッ ド層 1 4及び p側クラッ ド層 1 9を 超格子構造としたが、 本発明はこれに限らず、 n側クラッ ド層 1 4及び p 側クラッ ド層 1 9のうちのどちらか一方を超格子構造としてもよい。 以上 のようにしても閾値電圧を従来例に比較して低くできる。
また、 実施形態 3では、 n側クラッ ド層 1 4及び p側クラッ ド層 1 9を 超格子構造としたが、 本発明はこれに限らず、 n側クラッ ド層 1 4及び p 側クラッ ド層 1 9以外の P側及び n側の窒化物半導体層のいずれか 1っ以 上が超格子構造であればよい。 以上のように構成しても、 閾値電圧を従来 例に比較して低くできる。
以上の実施形態 3では、 レーザ素子において n側クラッ ド層 1 4及び p 側クラッ ド層 1 9を超格子構造としたが、 本発明はこれに限らず、 発光ダ ィオード （L E D ) 等、 他の窒化物半導体素子に適用できることはいうま でもない。 以上のように構成することにより、 発光ダイォードでは、 V f
(順方向電圧） を下げることができる。
以上説明したように、 本発明に係る実施形態 3のレーザ素子では、 不純 物が変調ドープされた超格子層よりなるクラッ ド層を有しているために、 閾値電圧を低くでき、 長時間連続発振させることができる。 またこのレー ザ素子では特性温度を高くでき、 良好なレーザ素子が実現できる。 ここで、 特性温度とは、 温度変化による閾値電流密度で exp ( T/T o) に比例する { Τ：動作温度 （Κ) 、 T o：特性温度 （K) } 。 レーザ素子では、 T 0が 大きいほど、 高温でも閾値電流密度を低くでき、 安定して動作することを 示している。 例えば、 後述する本発明の実施例 2 7のレーザ素子では、 T 0 が 1 5 0 Κ以上ある。 この値は L Dの温度特性が非常に優れていることを 示している。 このため本発明のレーザ素子を書き込み光源、 読みとり光源 として用いることにより、 従来にはない容量が達成でき、 その産業上の利 用価値は非常に大きい。
実施形態 4 .
図 9は本発明に係る実施形態 4のレーザ素子の形状を示す模式的な斜視 図であり、 リッジストライプに垂直な方向で切断した際の断面も同時に示 している。 以下、 この図 9を基に実施形態 4について説明する。
この実施形態 4のレーザ素子における各層は、 以下のように形成される。 (下地層 3 0 2 )
下地層 3 0 2は、 例えば、 4 z mの厚さの G a Nからなり、 例えばサファ ィァよりなる異種基板 3 0 1上に、 G a Nよりなる 2 0 0オングストロー ムの膜厚を有するバッファ層 （図示せず） を介して形成される。 この下地 層 3 0 2は保護膜を部分的に表面に形成して、 次に窒化物半導体基板の選 択成長を行うための層として用いる。 下地層 3 0 2は G a N又は A 1 , G で形成されるが、 A 1を含む場合には A 1混晶比 X値が 0.5以下 の A 1 xG
Figure imgf000063_0001
(0≤X≤0.5) を成長させることが望ましい。 0.5 を超えると、 結晶欠陥というよりも結晶自体にクラックが入りやすくなつ てしまうため、 結晶成長自体が困難になる傾向にあるからである。 また膜 厚はバッファ層よりも厚い膜厚で成長させて、 1 O m以下の膜厚に調整 することが望ましい。 尚、 異種基板 301はサファイアの他、 S i C、 Z nO、 スピネル、 G a A s等の窒化物半導体を成長させるために知られて いる、 窒化物半導体と異なる材料よりなる基坂を用いることができる。 (保護膜 303)
保護膜 303は、 下地層 302上に、 共振方向に十分な長さを有し、 幅 10 m、 厚さ 1〃mの S i 02 膜が 2 zm間隔に形成される。 尚、 保護 膜 303の形状としてはストライプ状、 ドッ ト状、 基盤目状等どのような 形状でも良いが、 窓部 （S i 02 が形成されていない下地層 302の表面 が露出している部分） よりも保護膜 303の面積が大きくなるようにする 方が、 結晶欠陥の少ない窒化物半導体基板 304が成長しやすいので好ま しい。 保護膜 303の材料としては、 例えば酸化ケィ素 （S i Ox) 、窒化 ゲイ素 （S i XNY) 、 酸化チタン （T i Ox) 、酸化ジルコニウム（Z r Ox) 等の酸化物、 窒化物、 またこれらの多層膜の他、 1200°C以上の融点を 有する金属等を用いることができる。 これらの保護膜材料は、 窒化物半導 体の成長温度 600°C〜1100°Cの温度にも耐え、 その表面に窒化物半 導体が成長しないか、 若しくは成長しにくい性質を有している。
(窒化物半導体基板 304)
窒化物半導体基板 304は、 例えば、 アンド—プ G a Nが保護膜 303 上に MO VP E法を用いて例えば 20； c/mの厚さに成長される。 この窒化 物半導体基板 304はハライ ド気相成長法 （HVPE) を用いて成長させ ることができるが、 このように MO VP E法により成長させることもでき る。 窒化物半導体基板は I n、 A 1を含まない G a Nを成長させることが 最も好ましく、 成長時のガスとしては、 TMGの他、 トリェチルガリウム
(TEG) 等の有機ガリウム化合物を用い、 窒素源はアンモニア、 若しく はヒ ドラジンを用いることが最も望ましい。 また、 この GaN基板に S i、 G e等の n型不純物をドープしてキヤリァ濃度を適当な範囲に調整しても よい。 特に異種基板 301、 下地層 302、 保護膜 303を除去して使用 する場合には、 窒化物半導体基板がコンタク ト層となるため、 この窒化物 半導体基板 304に n型不純物をドープすることが望ましい。
(n側バッファ層 311=兼 n側コンタク ト層）
n側バッファ層 311は、 窒化物半導体基板 304上に、 例えば、 S i が 3 X 1018ノ cm3ドープされた G a Nが 5 izmの厚さに形成されてなる。 このバッファ層 311は、 図 9のような構造の発光素子を作製した場合に は n電極を形成するためのコンタク ト層として用いられる。 また異種基板 301〜保護膜 303を除去して、 窒化物半導体基板 304に電極を設け る場合には、 n側バッファ層 311は省略することもできる。 この n側バッ ファ層 311は高温で成長させるバッファ層であり、 例えばサファイア、 S i C. スピネルのように窒化物半導体層と異なる材料よりなる基板の上 に、 900°C以下の低温において、 GaN、 A 1 N等を、 0. 5 m以下 の膜厚で直接成長させるバッファ層とは区別される。
(クラック防止層 312)
クラック防止層 312は、 例えば n側バッファ層 311上に 0. 15〃 mの厚さに成長された I n0.()6Ga0.84Nよりなる。
(n側クラッ ド層 313=超格子層）
n側クラッ ド層 313は、 例えば、 25オングストロームの膜厚を有し S iが 1 x 1018/cm3ドープされた n型 A 10. ! 6G a 0.84Nよりなる第 1 の層と、 25オングス卜ロームの膜厚を有するアンド一プの G a Nよりな る第 2の層とが交互に積層された超格子層からなり、総膜厚が例えば 1. 2 zmになるように形成される。 尚、 この超格子よりなる n側クラッ ド層 313は A 1平均組成が 8. 0%であるので、 その膜厚との積は 9. 6と なる。 また、 n側クラッ ド層 313として、 互いにバンドギャップェネル ギ一が異なる窒化物半導体を積層した超格子を用いた場合、 不純物はいず れか一方の層に多く ドープして、 いわゆる変調ドープを行うと閾値を低く することができる。 尚、 本 n側クラッ ド層 313 (超格子層） の組成及び 膜厚の詳細については後述する。
(n側光ガイ ド層 314)
n側光ガイ ド層 314は、 例えば 0. 1 //mの膜厚に成長されたアンド —プ GaNよりなる。 この n側光ガイ ド層は、 活性層の光ガイ ド層として 作用し、 GaN、 I nG a Nを成長させて形成することが望ましく、 通常 100オングストローム〜 5〃m、 さらに好ましくは 200オングスト口 ーム〜 1 の膜厚で成長させる。
(活性層 315)
活性層 315は、 40オングストロームの膜厚のアンドープ I n0.2G a0.8Nよりなる井戸層と、 100オングストロームの膜厚のアンドープ I nc.01G a0.99Nよりなる障壁層とが交互に積層されてなり、 例えば総 膜厚 440オングストロームの多重量子井戸構造 （MQW) を有する。 尚、 活性層 315は本例のようにアンドーブでもよいし、 また n型不純物及び /又は P型不純物をド一プしても良い。 この場合、 不純物は井戸層、 障壁 層両方にドープしても良く、 いずれか一方にドープしてもよい。
(P側キャップ層 316) p側キャップ層 3 1 6は、 上に形成される p側光ガイ ド層 3 1 7よりも バンドギヤップエネルギーが大きい、 M gを 1 X 1 0 2 (1 /cm3ドープした p 型 A 1 fl .3 G a。. 7Nを例えば 3 0 0オングストロームの膜厚で成長させて 形成する。 この p型キャップ層 3 1 6は 0. 1 /z m以下の膜厚で形成する ことにより素子の出力を向上させることができる。 膜厚の下限は特に限定 しないが、 1 0オングストローム以上の膜厚で形成することが望ましい。
( P側光ガイ ド層 3 1 7 )
P側光ガイ ド層 3 1 7は、 バンドギヤップエネルギーが!)側キャップ層 3 1 6よりも小さい、 例えばアンド一プ G a Nを 0. 1 mの膜厚で成長 させて形成する。 この層は、 活性層の光ガイ ド層として作用し、 n型光ガ イ ド層 3 1 4と同じく G a N、 I n G a Nで成長させることが望ましい。
( P側クラッ ド層 3 1 8 )
P側クラッ ド層 3 1 8は、 例えば、 2 5オングストロームの膜厚を有し かつ M gが 1 X 1 0 20/cm3ドープされた！)型 A 1 0 . 6 G a 0 .84Nよりなる 第 3の層と、 2 5オングストロームの膜厚を有しアンド一プ G a Nよりな る第 4の層とが総膜厚が 0. 6 mとなるように積層された超格子層より なる。 この p側クラッ ド層 3 1 8も A 1の平均組成が 8 %であるので、 膜 厚との積は 4. 8となる。 なお、 p側クラッ ド層 3 1 8も少なくとも一方 が A 1を含む窒化物半導体層を含み、 互いにバンドギヤップエネルギーが 異なる窒化物半導体層を積層した超格子で作製した場合、 不純物はいずれ か一方の層に多く ド一プして、 いわゆる変調ドープを行うと閾値を低下さ せることができる。 尚、 本 p側クラッ ド層 3 1 8 (超格子層） の組成及び 膜厚の詳細については後述する。
ここで、 クラッ ド層で挟まれたコア部分 （導波部分） の膜厚について述 ベる。 コア部分とは、 n側光ガイ ド層 3 1 4、 活性層 3 1 5、 p側キヤッ プ層 316、 及び p側光ガイ ド層 317を合わせた領域、 即ち n側クラッ ド層と、 p側クラッ ド層との間にある活性層を含む窒化物半導体層を指し、 活性層の発光を導波する領域である。 窒化物半導体レーザ素子の場合、 F F Pが単一ビームとならないのは、 先にも述べたように、 クラッ ド層から 漏れた発光が n側のコンタク ト層内で導波してマルチモードとなるからで ある。 その他、 コア内で共振することによってマルチモードになる場合が ある。 本発明ではまず n側のクラッ ド層の膜厚を厚く して、 A 1平均組成 を大きくすることにより、 屈折率差を設け、 コア内の光をクラッ ド層で閉 じ込めるものである。 し力、し、 コア内でマルチモードができると、 FFP は乱れる。 そのため、 本発明の n側クラッ ド層との関係において、 コア内 でマルチモードにならないようにするために、 このコア部分の厚さも調整 する方が望ましい。 コア部分にマルチモードが発生しないようにするため の好ましい厚さとしては、 200オングストローム以上、 1. 0//m以下、 さらに望ましくは 500オングストローム〜 0. 8〃m、 最も望ましくは 0. l〃m〜0. 5 /zmの範囲に調整することが望ましい。 200オング ストロームよりも薄いと、 コア部分から光が漏れだし、 閾値が上昇する傾 向にある。 また 1. 0 zmよりも厚いとマルチモードになりやすい傾向に あ "3。
(p側コンタク ト層 319)
p側コンタク ト層 319は、 例えば Mgが 2 X 1020/cm3ド一プされた P型 G aNよりなり、 例えば 150オングストロームの膜厚に形成する。 p側コンタク ト層 319は上述の p型 G a N以外にも、 p型の I nxA 1 γ Ga!-x-vN (0≤X 0≤Y、 X + Y≤ 1) で構成することができるが、 Ρ電極 321とより良好なォーミック接触を得るために Mgをドーブした GaNとすることが好ましい。 尚、 実施形態 4では、 各窒化物半導体層を成長させたゥ —ハを反応容 器において、 窒素雰囲気中 7 0 0 °Cでアニーリングを行い、 p型不純物を ド一プした層をさらに低抵抗化させることが好ましい。
また、 実施形態 4のレーザ素子では、 R I E装置により最上層の p側コ ンタク ト層 3 1 8と、 p側クラッ ド層 3 1 7とをエッチングして、 図 9に 示すように 4 mのストライプ幅を有するリッジ部を形成している。 リ ッ ジストライプを形成する場合、 そのリッジストライプは、 窒化物半導体基 板 3 0 4の表面に結晶欠陥が現れていない位置の上方に形成する。 図 9の 場合結晶欠陥は、 ス卜ライプ状の保護膜 3 0 3中央部、 及びストライプ状 の窓部中央部に現れている。 このように結晶欠陥がほとんどない位置にス トラィプを形成すると、 結晶欠陥が活性層まで伸びることを防止できるの で、 レーザ素子を長寿命とすることができ、 信頼性を向上させることがで さる。
さらに、 リッジ表面にマスクを形成し、 R I Eにてエッチングを行い リッジ部の両側に n側バッファ層 3 1 1の表面を露出させ、 露出させた n 側バッファ層 3 1 1の表面にそれぞれ T i と A 1よりなる n電極 3 2 2を 形成する。
また、 p側コンタク ト層 3 1 9のリッジ最表面に N i と A uよりなる p 電極 3 2 0がストライプ状に形成さし、 図 9に示すように p電極 3 2 0と、 n電極 3 2 2との間に露出した窒化物半導体層の表面に S i 02よりなる 絶縁膜 3 2 3を形成し、 この絶縁膜 3 2 3を介して p電極 3 2 0と電気的 に接続した pパッ ド電極 3 2 1を形成する。
以上のようにして、 n電極と P電極とを形成したゥヱ一ハのサファイア 基板を研磨して 7 0 mとした後、 ストライプ状の電極に垂直な方向で、 基板側からバー状に劈開し、 劈開面を反射面とする共振器を作製する。 尚、 反射面に S i 02と T i 02よりなる誘電体多層膜を形成するようにしても よい。
以上のようにして実施形態 4のレーザ素子は形成される。
以上のように形成された実施形態 4のレーザ素子において、 超格子構造 を有する n側クラッ ド層 313及び p側クラッ ド層 318はそれぞれ、 屈 折率が活性層の井戸層よりも小さい窒化物半導体を含む光閉じ込め層であ る。 また、 本実施形態 4において、 超格子とは 1つの層の膜厚が 100ォ ングストローム以下で、 互いに組成が異なる窒化物半導体層を積層した多 層膜構造を指し、 好ましくは 70オングストローム以下、 さらに好ましく は 40オングストローム以下の膜厚の窒化物半導体層を積層することによ り構成する。 具体的な構成としては、 例えば A 1 xGaj-xN (0<X< 1) 層と、 その A 1 XG aい xN層と組成が異なる他の窒化物半導体層とを積層 した超格子と、 例えば A 1 XG aい XNZG aN、 A 1 xG a!-xN A I Y G aj-vN (0く Yく 1、 Y<X) 、 A 1 XG a!- XNZ I nzG a卜 ZN (0 <Z< 1) 等の 3-元混晶と 3元混晶、 若しくは 3元混晶と 2元混晶との組 み合わせからなる超格子とすることができる。 その中でも最も好ましいも のは A 1 XG aい xNと G aNとからなる超格子である。
次に、 本実施形態 4における n側クラッ ド層 313全体の膜厚及び超格 子層を構成する各層の膜厚と組成について説明する。
まず、 本明細書において、 超格子における A 1平均組成とは、 以下のよ うに算出したものをいうものとする。 例えば 25オングストロームの A 1 0.5Ga0.5Nと、 25オングストロームの G aNとを 200ペア （1. 0 m) 積層した超格子の場合、 1ペアの膜厚 50オングストローム、 A 1 を含む層の A 1混晶比が 0. 5であるため、 その A 1を含む層の混晶比 0. 5に膜厚比 （25ノ 50) を乗じた値 0. 25を用い、 その超格子の A 1 平均組成は 25%となる。
また、 膜厚が異なる場合、 A 1。.5G a。.5Nを 40オングストロームと、 GaNを 20オングストロ一ムとで積層した場合、 膜厚の加重平均を行い、 0. 5 (40/60) =0. 33となりので、 A 1平均組成は 33. 3% とする。 即ち A 1を含む窒化物半導体層の A 1混晶比を、 その窒化物半導 体層が超格子 1ペアの膜厚に占める割合に乗じたものを本発明における超 格子の A〗平均組成とする。 また A 1を両方含む場合も同様であり、 例え ば A 1 a。.8N20オングストローム、 A 1 o.2G a0.8N30オング ストロームの場合も、 0. 1 (20Z50) +0. 2 (30/50) =0. 16、 即ち 16%を A 1平均組成とする。 なお以上の例は A 1 GaNZG aN、 A 1 GaNZA 1 G a Nについて説明したが、 A 1 GaNZI nG a Nについても同じ算出方法を適用するものとする。 尚、 n側クラッ ド層 の A 1平均組成は、 S IMS (二次イオン質量分析装置） 、 ォ一ジェ等の 分析装置を用いても検出することができる。
本実施形態 4では、 n側クラッ ド層 313の超格子構造は、 以上の算出 方法を用いて算出される A 1平均組成に基づいて、 超格子層を構成する各 組成及び各膜厚を設定している。 本実施形態 4のレーザ素子では、 n側ク ラッ ド層 313全体の厚さを 0. 5 m以上とし、 かつその n側クラッ ド 層 313に含まれる A 1平均組成を百分率 （％) で表した際に、 n側クラッ ド層全体の厚さ （；zm) と A 1平均組成 （％) との積が 4. 4以上となる ように構成していることを特徴とする。 言い換えれば、 本実施形態 4では、 n側クラッ ド層 313の全体の膜厚を 0. 5 m以上に設定しかつ該膜厚 に上述のように算出される百分率 （％) で表した A 1の平均組成を乗じた 値が、 4. 4以上になるように、 超格子層を構成する各層の膜厚と A 1の 平均組成を設定する。 n側クラッ ド層 3 1 3の厚さが 0. 5〃mよりも薄く、 かつその n側ク ラッ ド層 3 1 3全体の厚さ （ m) と A 1平均組成 （％) との積が 4. 4 よりも小さいと、 n側クラッ ド層としての光閉じ込めが不十分となり、 n 側のコンタク ト層で再度共振して、 F F Pが乱れ、 閾値も上昇する傾向に あるからである。 より好ましい A 1平均組成と n側クラッ ド層 3 1 3の全 体膜厚との積の値は 5. 0以上であり、 さらに好ましくは 5. 4以上に設 定する。 最も好ましいのは 7以上である。
なお > 本発明では n側のクラッ ド層 3 1 3を超格子で構成しているため、 A 1混晶比を大きく してもクラッ ド層にクラックが入りにく くできる。 従つ て n側クラッ ド層 3 1 3全体の膜厚の上限は、 結晶性の面 （クラックを発 生させないと言う面） からは特に限定されないが、 5 m以内の膜厚に調 整することが、 超格子を構成する窒化物半導体層の積層回数を減らす上で 望ましい。
具体的には、 例えば、 前記 n側クラッ ド層の全体の厚さを 0. 8 ^ m以 上とし、 前記 n側クラッ ド層に含まれる A 1平均組成を 5 . 5 %以上とす る。 この場合の積は 4. 4以上である。 好ましくは n側クラッ ド層の全体 の厚さを 1 . 0 m以上とし、 その n側クラッ ド層に含まれる A 1平均組 成を 5. 0 %以上とする。 この場合の積は 5. 0以上である。 さらに好ま しくは、 n側クラッ ド層の全体の厚さを 1 . 2 以上とし、 その n側ク ラッ ド層に含まれる A 1平均組成を 4. 5 %以上とする。 この場合の積は 5. 4以上である。 以上の説明は n側クラッ ド層 3 1 3の膜厚と、 超格子 よりなる n側クラッ ド層の A 1平均組成の関係とを具体的に示すものであ る。 A 1 X G a ^ Nは A 1混晶比を大きくするに従い、 バンドギヤップェ ネルギ一が大きくなり、 屈折率も小さくなることが知られている。 従って、 理想的には A 1混晶比 Xの大きい、 例えば 0. 5以上の A 1 X G a卜 x N層 を、 単一層で例えば数; mの膜厚で成長させることができれば、 工業的に も都合がよいのであるが、 A 1 XG aい xNは厚く成長させにくい。 単一 層で特に A 1混晶比が 0. 5以上の A 1 XG a を成長させようとする と、 例えば 0. 1 m以上で結晶中にクラックが入ってしまう。 従って、 0. 5以上の A 1 xGai-xN層を、 単一層で例えば数 の膜厚で成長さ せることは困難である。
ところが本発明のように A 1 XG aい xNを超格子を構成するような薄膜 とすると、 単一膜厚が A 1 XG aい xNの臨界限界膜厚以下となるので、 ク ラックが入りにくい。 そのためクラッ ド層を超格子とすると A 1混晶比の 高い層でも厚膜で成長できるようになり、 本発明のように特定の A 1混晶 比とクラッ ド層の膜厚との関係を見出すことができたのであり、 それらを 組み合わせることにより、 光を n側のクラッ ド層から基板側に漏れないよ うにすることができたのである。
また、 活性層の発光を閉じ込めるため n側クラッ ド層を上記構成とする ならば、 p側クラッ ド層を n側クラッ ド層と同じ構成とすることも可能で ある。 但し、 p側クラッ ド層 318を n側クラッ ド層 313と同様の構成 とする場合、 p側クラッ ド層の膜厚を n側クラッ ド層よりも薄くすること が望ましい。 なぜなら、 P側クラッ ド層の A 1平均組成を大きくするか、 若しくは膜厚を厚くすると、 A 1 GaN層の抵抗値が大きくなる傾向にあ り、 A 1 G aNの抵抗値が大きくなると、 閾値が高くなる傾向にあるから である。 そのため、 p側クラッ ド層を A 1を含む窒化物半導体層を含む超 格子で構成し、 膜厚と A 1平均組成との積を 4. 4以上としても、 その厚 さは 1. 0 ;c mよりも薄くすることが望ましい。 下限については特に限定 しないが、 クラッ ド層として作用させるためには、 50オングストローム 以上の膜厚があることが望ましい。 超格子とした場合も A 1の平均組成と しては 50%以下が望ましい。 なお、 p側クラッ ド層に関してはリッジ形 状としてその上電極を設けるため、 光の漏れがあってもほとんど無視でき、 本発明の n側クラッ ド層 313と同様の構成とする必要はないが、 同じよ うにしても良い。 即ち、 p側クラッ ド層を、 少なくとも A 1を含む窒化物 半導体層を有する超格子とし、 その p側クラッ ド層全体の厚さを 1. 0 z m以下として、 かつその P側クラッ ド層に含まれる A 1平均組成を百分率 (%) で表した際に、 p側クラッ ド層全体の厚さ （^m) と A 1平均組成 (%) との積が 4. 4以上となるように構成してもよい。
P側クラッ ド層を A 1を含む窒化物半導体を有する超格子とする場合 （但 し、 この場合、 光の漏れは関係なく、 単にキヤリァ閉じ込めとしてのクラッ ド層として作用させる場合を含む。 ） 、 n側クラッ ド層全体の厚さがその P側クラッ ド層全体の厚さよりも厚いことが望ましい。 p側クラッ ド層を 構成する窒化物半導体層も、 n側クラッ ド層と同様に、 例えば A l xGai -χΝ (0<Χ<1) 層と、 その A 1 xGaい xN層と組成が異なる他の窒化 物半導体層とを積層した超格子とし、 A 1 xGa!-x /Ga . A 1 XG ai-xN/A 1 YG ai-vN (0<Y<1、 Y<X) 、 A 1 XG aj-xN I nzG aj-zN (0<Z<1) 等の 3元混晶と 3元混晶、 若しくは 3元混晶 と 2元混晶との組み合わせで超格子とし、 その中でも最も好ましくは A 1 a!-xNと G aNとからなる超格子とする。
以下、 実施例において本発明を詳説する。
[実施例 1 ]
本発明に係る実施例 1は図 2に示す窒化物半導体素子 （LD素子） の作 成例であり、 以下の手順で作製される。
まず、 サファイア （C面） よりなる基板 10を反応容器内にセッ トし、 容器内を水素で十分置換した後、 水素を流しながら、 基板の温度を 105 o°cまで上昇させ、 基板のクリーニングを行う。
続いて、 温度を 510°Cまで下げ、 キャリアガスに水素、 原料ガスにァ ンモニァ （NH3) と TMG (トリメチルガリウム） とを用い、 基板 10 上に G a Nよりなる第 1のバッファ層 11を約 200オングストロームの 膜厚で成長させる。
バッファ層 11成長後、 TMGのみ止めて、 温度を 1050。Cまで上昇 させる。 1050°Cになったら、 同じく原料ガスに TMG、 アンモニアガ スを用い、 キヤリア濃度 1 X 1018 。!113のアンドープ G aNよりなる第 2のバッファ層 112を 5〃mの膜厚で成長させる。
続いて、 1050°Cで TMG、 アンモニア、 不純物ガスにシランガス （S i H4) を用い、 S iを 1 X 1 O'VCID3ド一プした n型 GaNよりなる n 側コンタク ト層 12を 1 mの膜厚で成長させる。
次に、 温度を 800°Cにして、 原料ガスに TMG、 TMI (トリメチル インジウム） 、 アンモニア、 不純物ガスにシランガスを用い、 S iを 5x 101 cm3ド一プした I
Figure imgf000074_0001
よりなるクラック防止層 13を 500オングス卜ロームの膜厚で成長させる。
そして温度を 1050°Cにして、 TMA、 TMG、 アンモニア、 シラン ガスを用い、 S iを 5 X 1018/cm3ドープした n型 A 1 Q.2G ao.8Nより なる第 1の層を 20オングストロームの膜厚で成長させ、 続いて、 T'MA、 シランを止め、 アンドープ GaNよりなる第 2の層を 20オングストロー ムの膜厚で成長させる。 そして、 この操作をそれぞれ 100回繰り返し、 総膜厚 0. 4 mの超格子層よりなる n側クラッ ド層 14を成長させる。 続いて、 1050°Cで S iを 5 X 101 cm3ドープした n型 G aNよ りなる n側光ガイ ド層 15を 0. 1 zmの膜厚で成長させる。
次に、 TMG、 TMI、 アンモニア、 シランを用いて活性層 16を成長 させる。 活性層 16は温度を 800°Cに保持して、 まず S iを 8 X 1018 cm3でドープした I n0.2G a0.8Nよりなる井戸層を 25オングストロ —ムの膜厚で成長させる。 次に TM Iのモル比を変化させるのみで同一温 度で、 S iを 8xl 018/cm3ドープした I n 0.01 G a 0.99Nよりなる障壁 層を 50オングストロームの膜厚で成長させる。 この操作を 2回繰り返し、 最後に井戸層を積層した総膜厚 175オングストロームの多重量子井戸構 造 （MQW) の活性層 16を成長させる。
次に、 温度を 1050°Cに上げ、 原料ガスに TMG、 TMA、 アンモニ ァ、 不純物ガスに Cp2Mg (シクロペンタジェニルマグネシウム） を用 い、 活性層よりもバンドギヤップエネルギーが大きく、 Mgを 1 X 1020 /cm3ドープした p型 A 1 Q.3G ao.7Nよりなる p側キャップ層 17を 3 00オングストロームの膜厚で成長させる。
続いて、 1050°Cで、 バンドギヤップエネルギーが p側キヤップ層 1 7よりも小さい、 Mgを 1 X 102Vcni3ドープした p型 G aNよりなる 、 P側光ガイ ド層 18を 0. 1 の膜厚で成長させる。
続いて、 TMA、 TMG、 アンモニア、 Cp2Mgを用い、 1050°C で Mgを 1 X 1020/cm3ドープした p型 A l ().2Ga。.8Nょりなる第lの 層を 20オングストロームの膜厚で成長させ、 続いて TMAのみを止め、 Mgを 1 X 1020/cm3ド一プした p型 G a Nよりなる第 2の層を 20オン グストロームの膜厚で成長させる。 そしてこの操作をそれぞれ 100回繰 り返し、 総膜厚 0. 4^mの超格子層よりなる p側クラッ ド層 19を形成 する。
最後に、 1050°Cで、 p側クラッ ド層 19の上に、 Mgを 2 X 1020 /cm3ドープした p型 G a Nよりなる p側コンタク ト層 20を 150オン グストロームの膜厚で成長させる。 反応終了後、 温度を室温まで下げ、 さらに窒素雰囲気中、 ゥユーハを反 応容器内において、 7 0 0 °Cでアニーリングを行い、 p型層をさらに低抵 抗化する。 尚、 アニーリ ングの詳細な方法については、 本発明者らが先に 出願した米国特許第 5 , 3 0 6 , 6 6 2号に開示され、 本実施例のァニーリ ングについても米国特許第 5 , 3 0 6 , 6 6 2号に開示された方法を用いて 行う。
アニーリング後、 ゥユーハを反応容器から取り出し、 図 2に示すように、 R I E装置により最上層の p側コンタク ト層 2 0と、. p側クラッ ド層 1 9 とをエッチングして、 4〃mのストライプ幅を有するリッジ形状とする。 次にリッジ表面にマスクを形成し、 図 2に示すように、 ストライプ状の リッジに対して左右対称にして、 n側コンタク ト層 1 2の表面を露出させ る
次に P側コンタク ト層 2 0のストライプリッジ最表面のほぼ全面に N i と A uよりなる p電極 2 1を形成する。 一方、 T iと A 1よりなる n電極 2 3をストライプ状の n側コンタク ト層 3のほぼ全面に形成する。
次に、 図 2に示すように ρ電極 2 1と、 n電極 2 3との間に露出した窒 化物半導体層の表面に S i 02よりなる絶縁膜 2 5を形成し、 この絶縁膜 2 5を介して p電極 2 1と電気的に接続した pパッ ド電極 2 2、 及び nパッ ド電極 2 4を形成する。
以上のようにして、 n電極と p電極とを形成したゥ 一ハを研磨装置に 移送し、 ダイヤモン ド研磨剤を用いて、 窒化物半導体を形成していない側 のサファイア基板 1をラッピングし、 基板の厚さを 5 0〃mとする。 ラッ ビング後、 さらに細かい研磨剤で 1 i mポリシングして基板表面を鏡面状 とする。
基板研磨後、 研磨面側をスクライブして、 ストライプ状の電極に垂直な 方向でバー状に劈開し、 劈開面に共振器を作製する。 共振器面に S i 02 と T i 02よりなる誘電体多層膜を形成し、 最後に p電極に平行な方向で、 バーを切断してレーザチップとした。 次にチップをフェースアップ （基板 とヒートシンクとが対向した状態） でヒートシンクに設置し、 それぞれの 電極をワイヤーボンディングして、 室温でレーザ発振を試みたところ、 室 温において、 閾値電流密度 2. 9 k A/cm2、 閾値電圧 4. 4Vで、 発振波 長 405 nmの連続発振が確認され、 50時間以上の寿命を示した。
(比較例 1 )
—方、 第 2のバッファ層 112を成長させず、 さらに n側コンタク ト層 12を S iを 1 X 1019/cm3ドープした n型 G a N単一で 5 m成長させ、 n側クラッ ド層 14を S iを 1 X 101 cm3ドープした n型 A 1 c.2G a 0.8N単一で 0.4 成長させ、 p側クラッ ド層 19を Mgを 1 x 1020 /cm3ドープした p型 A 1。.2G a。.8N単一で 0. 成長させ、 さらに
P側コンタク ト層 20を Mgを 2 X 1020/cm3ドープした単一の p型 Ga Nを 0. 2〃m成長させる他は実施例 1と同様にしてレーザ素子を得た。 つまり基本構成として、 表 1に示すように構成する。
基板 10··•サファイア
ノくッファ層 11·· •G aN 200A nコンタク ト層 12·· •S i ドープ n型 G aN δ/im
S i ： lxlO19 cm3
クラック防止層 13·· •S i ド一プ n型 I nO.1G aO.9N 500A
S i ： 5χΐ018/οιη3
nクラッ ド層 14·· •S i ド一プ n型 A 10.2G a0.8N 0. δ//πι
S i ： 5xl018/cm3
n光ガイ ド層 15·· •S i ドープ n型 G aN 0. l m
S i ： 5xl018/cm3
活性層 ( QW) 16.· •S i ドープ I n0.2G aO.8N 25A
(総膜厚 175A) S i ド一プ I nO. OlG aO.95N 50A
S i ： 8X1018/CID3
ャャップ廇 17·· •Mg ドープ p型 A 10.1G aO.9N 300A
Mg ： lxi02Vcm3
P光ガイ ド層 18·· •Mg ド一プ p型 G aN 0.1/im
Mg ： lxi020/cm3
Pクラッ ド層 19.· •Mg ド一プ p型 A 10.2G aO.8N 0.5/im
Mg ： lxi02Vcm3
pコンタク ト層 20·· •Mg ド一プ p型 G a N 0.2//m
Mg ： 2xl02Vcm3 このように構成した比較例のレーザ素子は、 閾値電流密度 7 k AZcni2 で連続発振が確認されたが、 閾値電圧は 8. 0V以上あり、 数分で切れて しまつた。
[実施例 2]
実施例 1において、 n側コンタク ト層 12を、 S iを 2x l 019/cni3ド —プした n型 A 1 o.osG a0.95Nよりなる第 1の層を 30オングストロー ムの膜厚で成長させ、 続いて、 アンドープの G aNよりなる第 2の層を 3 0オングストロームの膜厚で成長させて、 これを繰り返し、 総膜厚 1. 2 / mの超格子構造とする。 それ以外の構造は実施例 1と同様の構造を有す るレーザ素子としたところ、 閾値電流密度 2. 7 k A/cm2, 閾値電圧 4. 2Vで、 寿命も 60時間以上を示した。
[実施例 3 ]
実施例 2において、 n側コンタク ト層 12を構成する超格子において、 第 2の層を S iを 1 X 1 O^/cm3ドープした G a Nとする他は、 実施例 2と同様の構造を有するレーザ素子を作製したところ、 実施例 2とほぼ同 等の特性を有するレーザ素子が得られた。
[実施例 4 ]
実施例 1において、 第 2のバッファ層 112を、 S iを 1 X 1017/cm3 ドープした GaNとして、 4 m成長させる他は、 実施例 1と同様の構造 を有するレーザ素子を作製したところ、 閾値電流密度 2. 9 k A/cm2. 閾値電圧 4. 5 Vに上昇したが、 寿命は 50時間以上を示した。
[実施例 5]
実施例 1において、 n側コンタク ト層 12を、 S iを 2x 1019/cm3ド ープした n型 A 1 o.2G afl.8Nよりなる第 1の層を 60オングストローム の膜厚で成長させ、 続いて、 S iを 1 X 1019/cm3ドープした G a Nより なる第 2の層を 40オングストロームの膜厚で成長させて、 順次これを繰 り返し、 総膜厚 2 の超格子構造とする。 そして、 n側クラッ ド層 14 を S iを 1 X 1019/cm3ドープした n型 A 1 o .2G a。 .8N単一で 0. 4 β m成長させる。 それ以外の構造は実施例 1と同様の構造を有するレーザ素 子としたところ、 閾値電流密度 3. 2 k A/cm2. 閾値電圧 4. 8Vで、 寿 命も 30時間以上を示した。
[実施例 6]
実施例 6は、 実施例 1と比較して、 以下の （1) 、 （2) が異なる他は、 実施例 1と同様に構成される。
(1) バッファ層 11成長後、 TMGのみ止めて、 温度を 1050°Cま で上昇させる。 1050°Cになったら、 原料ガスに TMA、 TMG、 アン モニァ、 シランを用い、 S iを 1 X 1019 cm3ドープした n型 A 10.2G a0.8Nよりなる第 1の層を 60オングストロームの膜厚で成長させ、 続 いて、 シラン、 TMAを止めアンドープの G aNよりなる第 2の層を 40 オングストロームの膜厚で成長させる。 そして第 1層 +第 2層 +第 1層 + 第 2層 + · · · というように超格子層を構成し、 それぞれ第 1の層を 50 0層、 第 2の層を 500層交互に積層し、 総膜厚 5 mの超格子よりなる n側コンタク ト層 12を形成する。
(2) 次に、 実施例 1と同様にして、 S iを 5x 1018/cm3ドープした I nnGao.gNよりなるクラック防止層 13を 500オングストローム の膜厚で成長させる。
そして、 温度を 1050°Cにして、 TMA、 TMG、 アンモニア、 シラ ンを用い、 S iを 5 X 1018/cm3ド一プした n型 A 1 o .2 G a。 .8Nよりな る n側クラッ ド層 14を 0. 5 /imの膜厚で成長させる。
後の、 n側クラッ ド層 14から上は、 実施例 1のレーザ素子と同様の構 造を有するレーザ素子とする。 つまり表 1の基本構造において、 n側コン タク ト層 12、 及び p側クラッ ド層 19を超格子とし、 p側コンタク ト層 20の膜厚を実施例 1のように 150オングストロームとするレーザ素子 を作製する。 このレーザ素子は閾値電流密度 3. 2 k A/cm2、 閾値電圧 4. 8Vで、 405 nmの連続発振が確認され、 寿命も 30時間以上を示 した。
さらに、 実施例 6の構造の LD素子の p側コンタク ト層の膜厚を順次変 更した際、 その p側コンタク ト層の膜厚と、 LD素子の閾値電圧との関係 を図 5に示す。 これは p側コンタク ト層が、 左から順に A (10オングス トローム以下） 、 B (10オングストローム） 、 C (30オングストロー ム） 、 D (150オングストローム、 本実施例） 、 E (500オングスト ローム） 、 F (0. 2 ^m)、 G (0. 5〃m) 、 H (0. 8 / m) の場 合の閾値電圧を示している。 この図に示すように、 p側コンタグト層の膜 厚が 500オングストロームを超えると閾値電圧が次第に上昇する傾向に ある。 p側コンタク ト層 20の膜厚は 500オングストローム以下、 さら に好ましくは 300オングストローム以下であることが望ましい。 なお 1 0オングス トローム以下 （およそ 1原子層、 2原子層近く） になると、 下 部の P側クラッ ド層 19の表面が露出してくるため、 p電極のコンタク ト 抵抗が悪くなり、 閾値電圧は上昇する傾向にある。 しかしながら、 本発明 の L D素子では超格子層を有しているために、 閾値電圧が比較例のものに 比べて大幅に低下している。
(比較例 2 )
表 1の構成のレーザ素子において、 n側クラッ ド層 14を S iを 1 X 1 O'Vcm3ドープした n型 A 10.2G a 0.8Nよりなる第 1の層を 180オン グストロームの膜厚で成長させ、 続いてアンドープの G a Nよりなる第 2 の層を 120オングストロームの膜厚で成長させ、 総膜厚 0. 6 μτηの多 層膜とする。 つまり第 1の層と第 2の層の膜厚を厚く した構造で構成して レーザ素子を作製したところ、 閾値電流密度 6. 5 k A/cm2で連続発振が 確認され、 閾値電圧が 7. 5 Vであった。 なおこのレーザ素子は数分で切 れてしまった。
[実施例 7 ]
実施例 6において、 p側クラッ ド層 19を Mgを 1 X 1020/cm3ドープ した A 1。.2G a。.8N、 60オングストロームよりなる第 1の層と、 Mg を 1 X 1020/cm3ドープした p型 G aN、 40オングストロームよりなる 第 2の層とを積層した総膜厚 0. 5 の超格子構造とする他は実施例 6 と同様のレーザ素子を作製する。 つまり、 実施例 6の p側クラッ ド層 19 を構成する超格子層の膜厚を変える他は同様にしてレーザ素子を作製した ところ、 閾値電圧が実施例 6のレーザ素子に比較して若干上昇する傾向に あつたが、 20時間以上の寿命を示した。
[実施例 8]
実施例 7において、 さらに n側クラッ ド層 14を S iを 1 X 1 O'Vcm3 ドープした n型 A 10.2 G a0.8N. 60オングストロームよりなる第 1の 層と、 S iを 1 X 1019/cm3ド一プした n型 G aN、 40オングストロー ムよりなる第 2の層とを積層した総膜厚 0. 5 の超格子構造とする他 は実施例 7と同様のレーザ素子を作製する。 つまり、 実施例 6の n側コン タク ト層 12、 p側クラッ ド層 19に加えて n側クラッ ド層を超格子とし たレーザ素子は、 実施例 6とほぼ同等の特性を有していた。
[実施例 9]
実施例 1において、 第 2のバッファ層 112を成長させずに、 表 1に示 すように、 第 1のバッファ層 11の上に、 直接 n側コンタク ト層 12とし て S iを 1 x 1019/cm3ドープした n型 G aN層を 5 m成長させる。 そ の他は、 実施例 1と同様の構造を有するレーザ素子とする。 つまり、 表 1 の基本構造において、 n側クラッ ド層 14を 20オングストロームの S i
(l x l 019/cm3) ドープ n型 A 1。.2G a0.8Nよりなる第 1の層と、 2 0オングストロームのアンドープ G a Nよりなる第 2の層とを積層してな る総膜厚 0. 4 mの超格子構造とする。 さらに p側クラッ ド層 19を 2 0オングストロームの Mg (l x l 020/cm3) ドープ p型 A 1 Q.2G a0.8 Nよりなる第 1の層と、 20オングストロームの Mg (l x l 020/cni3) ド一プ p型 G a Nよりなる第 2の層とを積層してなる総膜厚 0. 4 zmの 超格子構造とする。 さらにまた p側コンタク ト層 20を実施例 1のように 150オングストロームの Mg (2 x 1020/cm3) ド一プ p型 GaNとし たところ、 閾値電流密度 3. 3 k A/cm2で、 405 n mの連続発振が確認 され、 閾値電圧は 5. 0V、 寿命も 30時間以上を示した。
[実施例 10]
実施例 9において、 n側クラッ ド層 14の超格子を構成する第 2の層を、 S iを 1 X 1017/cm3ドープした G aNとする他は、 実施例 9と同様のレ 一ザ素子を作製する。 つまりバンドギヤップエネルギーの大きい方の層に、 S iを多く ドープする他は、 実施例 9と同様にして作製したレーザ素子は、 実施例 9とほぼ同等の特性を示した。
[実施例 11 ]
実施例 9において、 n側クラッ ド層 14を構成する第 2の層を、 S iを l l 019/cm3ドープした n型 I n 0.01 G a 0.99Nとする他は同様にして レーザ素子を作製する。 つまり n側クラッ ド層 14の超格子を構成する第 2の層の組成を I nGaNとし、 第 1の層と第 2の層との不純物濃度を同 じにする他は、 実施例 9と同様にして作製したレーザ素子は、 実施例 9と ほぼ同等の特性を示した。
[実施例 12]
実施例 9において、 n側クラッ ド層 14を構成する第 1の層 （S i ： 1 X 1019/cm3ドープ A 1。.2G a。.8N) の膜厚を 60オングストロームと し、 第 2の層を S iを 1 X 1019/cm3ドープした 40オングストロームの G aNとし、 総膜厚 0. 5 mの超格子構造とする。 さらに p側クラッ ド 層 19を構成する第 1の層 （Mg ： 1 X 1020/cm3ドープ A 1。.2G a0.8 N) の膜厚を 60オングストロームとし、 第.2の層 （Mg ： 1 X 1020/ cm3ドープ： GaN) の膜厚を 40オングストロームとし、 総膜厚 0. 5 /imの超格子構造とする。 つまり n側クラッ ド層 14を構成する第 1の層 と第 2の層のドープ量を同じにして、 膜厚を変化させ、 p側クラッ ド層 1 9を構成する第 1の層と第 2の層との膜厚を変化させる他は、 実施例 9と 同様にしてレーザ素子を作製したところ、 閾値電流密度 3. 4 k A/cm2で、 405 nmの連続発振が確認され、 閾値電圧は 5. 2V、 寿命も 20時間 以上を示した。
[実施例 13]
実施例 11において、 n側クラッ ド層 14を構成する第 2の層 （G aN) の S i濃度を 1 X 1017/cm3とする他は実施例 11と同様の構造を有する レーザ素子を作製したところ、 実施例 11とほぼ同等の特性を有するレー ザ素子が作製できた。
[実施例 14 ]
実施例 11において、 n側クラッ ド層 14を構成する第 2の層 （G aN) をァンドープとする他は実施例 11と同様の構造を有するレーザ素子を作 製したところ、 実施例 11とほぼ同等の特性を有するレーザ素子が作製で きた。 [実施例 15]
実施例 9において、 n側クラッ ド層 14を S iを 1 X 1019/cm3ドープ した n型 A 1。.2G a。.8N単一で 0. 4 m成長させる他は同様にしてレ 一ザ素子を作製する。 つまり、 表 1の基本構造において、 p側クラッ ド層 19のみを実施例 1のように Mgを 1 X 1020ノ cm3ドープした p型 A 10 .2G ao.8Nよりなる第 1の層、 20オングストロームと、 Mgを l x l 019/cm3ド一プした p型 G aNよりなる第 2の層 20オングストロームと からなる総膜厚 0. の超格子構造とし、 さらに、 p側コンタク ト層
20を実施例 1のように 150オングストロ一ムの Mg (2 x 1020/cm3) ドープ P型 GaNとしたところ、 同じく閾値電流密度 3. 4 kAZcm2で、 405 nmの連続発振が確認され、 閾値電圧は 5. I V、 寿命は 20時間 以上を示した。
[実施例 16]
実施例 15において、 p側クラッ ド層 19を構成する超格子層の膜厚を 第 1の層 （A 1 Q.2G a。.8N) を 60オングストロームとし、 第 2の層 （G aN) を 40オングストロームとして積層し、 総膜厚 0. 5 imとする他 は実施例 14と同様のレーザ素子を得たところ、 閾値電圧は若干上昇する 傾向にあつたが、 寿命は 20時間以上あった。
[実施例 17]
実施例 9において、 P側クラッ ド層 19を Mgを 1 X 1020/cm3ドープ した p型 A 1 Q.2G a。.8N単一で 0. 4〃 m成長させる他は同様にしてレ 一ザ素子を作製する。 つまり、 表 1の基本構造において、 n側クラッ ド層 14のみを実施例 1のように S iを 1 X 1019/cm3ドープした n型 A 10 .2G a Q.8Nよりなる第 1の層、 20オングストロームと、 アンドープの G a Nよりなる第 2の層 20オングストロームとからなる総膜厚 0. 4 a mの超格子構造とし、 さらに、 p側コンタク ト層 20を実施例 1のように 150オングストロームの Mg (2 x 1020/cm3) ドープ p型 GaNとし たところ、 同じく閾値電流密度 3. 5kA/cm2で、 405 nmの連続発振 が確認され、 閾値電圧は 5. 4V、 寿命は 10時間以上を示した。
[実施例 18]
実施例 17において、 n側クラッ ド層 14を構成する超格子層の膜厚を 第 1の層 （A 1 D.2G a。.8N) を 70オングストロームとし、 第 2の層を iを 1 X 10I9/cm3ドープした I n。.01G a0.99N、 70オングスト口 ームとして積層し、 総膜厚 0. 49〃mとする他は実施例 17と同様のレ 一ザ素子を得たところ、 実施例 16に比べて閾値電圧が若干上昇する傾向 にあったが、 同じく 10時間以上の寿命を有するレーザ素子が得られた。
[実施例 19 ]
実施例 17において、 n側クラッ ド層 14を構成する超格子層の膜厚を 第 1の層 （A 1 fl.2G a Q.8N) を 60オングストロームとし、 第 2の層 （ァ ンドープ G aN) を 40オングストロ一ムとして積層し、 総膜厚 0. 5 mとする他は実施例 16と同様のレーザ素子を得たところ、 実施例 17に 比べて閾値電圧が若干上昇する傾向にあつたが、 同じく 10時間以上の寿 命を有するレーザ素子が得られた。
[実施例 20 ]
実施例 9において、 さらに n側光ガイ ド層 15をアンドープの G a Nよ りなる第 1の層、 20オングストロームと、 アンド一プの I nnG a 0.9 Nよりなる第 2の層、 20とを積層してなる総膜厚 800オングストロー ムの超格子層とする。 それに加えて、 p側光ガイ ド層 18もアンドープの GaNょりなる第lの層、 20オングストロームと、 アンドープの I n0. !Ga^Nよりなる第 2の層、 20オングストロームとを積層してなる総 膜厚 800オングストロームの超格子構造とする。 つまり、 表 1の基本構 造において、 n側クラッ ド層 14、 n側光ガイ ド層 15、 p側光ガイ ド層 18、 及び p側クラッ ド層 19とを超格子構造とし、 さらにまた p側コン タク ト層 20を実施例 1のように 150オングストロームの Mg (2 x 1 020/cm3) ドープ p型 GaNとしたところ、 閾値電流密度 2. 9 k A/cm2 で、 405 nmの連続発振が確認され、 閾値電圧は 4. 4V、 寿命も 60 時間以上を示した。
[実施例 21]
本実施例は図 1の LED素子を元に説明する。 実施例 1と同様にしてサ ファイアよりなる基板 1の上に GaNよりなるバッファ層 2を 200オン グストロームの膜厚で成長させ、 次いで S iを 1 X 1019/cm3ドープした n型 G aNよりなるコンタク ト層を 5 mの膜厚で成長させ、 次に I n0. 4GaQ.6Nよりなる膜厚 30オングストロームの単一量子井戸構造よりな る活性層 4を成長させる。
(P側超格子層）
次に、 実施例 1と同様にして、 Mgを 1 X 1020/cm3ドープした p型 A 10.2G ao.8Nよりなる第 1の層を 20オングストロームの膜厚で成長さ せ、 続いて Mgを 1 X 1019/cm3ドープした p型 G a Nよりなる第 2の層 を 20オングストロームの膜厚で成長させ、 総膜厚 0. 4 zmの超格子よ りなる P側クラッ ド層 5を成長させる。 この p側クラッ ド層 4の膜厚も特 に限定しないが、 100オングストローム以上、 2 /m以下、 さらに好ま しくは 500オングストローム以上、 1 /m以下で成長させることが望ま しい。
次にこの p側クラッ ド層 5の上に Mgを 1 X 1020/cm3ドープした p型 GaN層を 0. 5 //mの膜厚で成長させる。 成長後、 ゥ ーハを反応容器 から取り出し実施例 1と同様にして、 アニーリングを行った後、 p側コン タク ト層 6側からエッチングを行い n電極 9を形成すべき n側コンタク 卜 層 3の表面を露出させる。 最上層の p側コンタク ト層 6のほぼ全面に膜厚 200オングストロームの N i— A uよりなる透光性の p電極 7を形成し、 その全面電極 7の上に Auよりなる pパッ ド電極 8を形成する。 露出した n側コンタク ト層の表面にも T i -A 1よりなる n電極 9を形成する。 以上のようにして電極を形成したゥエーハを 350 zm角のチップに分 離して LED素子としたところ、 I f 2 OmAにおいて 520 nmの緑色 発光を示し、 Vf は 3. 2Vであった。 これに対し、 p側クラッ ド層 5を 単一の Mgドープ A 1。.2G ao.8Nで構成した LED素子の V f は 3. 4 Vであった。 さらに静電耐圧は本実施例の方が 2倍以上の静電耐圧を有し ていた。
[実施例 22 ]
実施例 21において、 p側クラッ ド層 5を構成する超格子層を、 第 1の 層の膜厚を 50オングストロームとし、 第 2の層を Mgを 1 X 1020/cm3 ドープした GaN、 50オングストロームとして、 それぞれ 25層積層し、 総膜厚 0. 25 zmの超格子とする他は同様にして LED素子を作成した ところ、 実施例 21とほぼ同等の特性を有する LED素子が得られた。
[実施例 23]
実施例 21において、 p側クラッ ド層 5を構成する超格子層の厚さを、 第 1の層 100オングストローム、 第 2の層を 70オングストロームの膜 厚として、 総膜厚 0. 25 /mの超格子とする他は同様にして LED素子 を作成したところ、 V f は 3. 4 Vであったが、 静電耐圧は従来のものよ りも 20%以上優れていた。
[実施例 24] 実施例 21において、 n側コンタク ト層 3を成長させる際、 S iを 2x 1019/cm3ドープした n型 A 1 o .2G a 0.8Nよりなる第 1の層を 60オン グストローム、 アンド一プの G a Nよりなる第 2の層を 40オングスト口 一ムの膜厚で成長させ、 それぞれ第 1の層を 500層、 第 2の層を 500 層交互に積層し、 総膜厚 5 /zmの超格子とする。 その他は実施例 12と同 様にして LED素子を作製したところ、 同じく I f 2 OmAにおいて、 V f は 3. IVに低下し、 静電耐圧は従来に比較比較して 2. 5倍以上に向 上した。
[実施例 25 ]
実施例 23において、 P側クラッ ド層 5を構成する超格子の第 1の層 （A 1 o.2G a0.8N) の膜厚を 60オングストロ一ムとし、 第 2の層の膜厚を
40オングストロームとして、 それぞれ 25層交互に積層して、 総膜厚 0. 3 mとする他は同様の構造を有する L E D素子を作製したところ、 V f は 3. 2 Vで、 静電耐圧は従来の 2倍以上であった。
[実施例 26 ]
本実施例は図 6に示すレーザ素子を基に説明する。 図 6も、 図 2と同様 にレーザ光の共振方向に垂直な方向で素子を切断した際の断面図であるが、 図 2と異なるところは、 基板 10に GaNよりなる基板 101を用いてい るところと、 第 2のバッファ層 112を成長させずに、 n型不純物をド一 プした第 3のバッファ層 113を成長させているところにある。 この図 6 に示すレーザ素子は以下の方法によって得られる。
まずサファイア基板上に MO VP E法、 若しくは H VP E法を用いて、
5 iを 5 X 1018/cm3ドープした G a N層を厚さ 300 / mで成長させた 後、 サファイア基板を除去して厚さ 300 mの S i ドープ GaN基板 1 01を作製する。 GaN基板 101は、 このように窒化物半導体と異なる 基板の上に、 例えば 100 以上の膜厚で成長させた後、 その異種基板 を除去することによって得られる。 GaN基板 101はアンド一プでも良 いし、 また n型不純物をドープして作製しても良い。 n型不純物をドープ する場合には通常 1 X 1017/cm3〜l X 1019/cm3の範囲で不純物をドー プすると結晶性の良い G a N基板が得られる。
0&?^基板101作製後、 温度を 1050°Cにして、 S iを 3 X 1018 /cm3ドープした n型 G a Nよりなる第 3のバッファ層 113を 3 mの膜 厚で成長させる。 なお第 3のバッファ層 113は図 1、 図 2において n側 コンタク ト層 14に相当する層であるが、 電極を形成する層ではないので、 ここではコンタク ト層とは言わず、 第 3のバッファ層 113という。 なお 0&?^基板101と第 3のバッファ層 113との間に、 実施例 1と同様に して低温で成長させる第 1のバッファ層を成長させても良いが、 第 1のバッ ファ層を成長させる場合には、 300オングストローム以下にすることが 望ましい。
次に第 3のバッファ層 113の上に、 実施例 1と同様に S iを 5 X 10 18/cm3ドープした I n^G a ο.9Νよりなるクラック防止層 13を 500 オングストロームの膜厚で成長させる。
次に、 S iを 5 X 1018/cm3ドープした n型 A 1 o .2G a。 .8Nよりなる 第 1の層、 20オングストロームと、 S iを 5 X 1018/cm3ドープした G a Nよりなる第 2の層 20オングストロームとを 100回交互に積層した、 総膜厚 0. 4 zmの超格子層よりなる n側クラッ ド層 14を成長させる。 次に実施例 1と同様に、 S iを 5 X 1018/cm3ド一プした n型 G aNよ りなる n側光ガイ ド層 15を 0. 1 mの膜厚で成長させる。
次に、 アンド一プ I no.2G a0.8Nよりなる井戸層、 25オングスト口 ームと、 アンドープ GaNよりなる障壁層 50オングストロームとを成長 させ、 交互に 2回繰り返し、 最後に井戸層を積層した総膜厚 175オング ストロームの多重量子井戸構造 （MQW) の活性層 16を成長させる。 次に、 実施例 1と同様に、 Mgを 1 X 102Vcm3ドープした p型 A 10 .3G a。.7Nよりなる p側キャップ層 17を 300オングストロームの膜 厚で成長させ、 Mgを 1 X 1020/cm3ド一プした p型 G a Nよりなる p側 光ガイ ド層 18を 0. 1 zmの膜厚で成長させる。
次に実施例 1と同様にして、 Mgを 1 X 1020/cm3ドープした p型 A 1 0.2G a0.8Nよりなる第 1の層、 20オングストロームと、 Mgを
020/cm3ドープした p型 G a Nよりなる第 2の層、 20オングストローム よりなる、 総膜厚 0. 4/zmの超格子層よりなる p側クラッ ド層 19を形 成し、 最後に、 p側クラッ ド層 19の上に、 Mgを 2 X 1020/cm3ドープ した p型 GaNよりなる p側コンタク ト層 20を 150オングストローム の膜厚で成長させる。
反応終了後、 700°Cでァニーリングした後、 実施例 1と同様に、 R I E装置により最上層の p側コンタク ト層 20と、 p側クラッ ド層 19とを エッチングして、 4 mのストライプ幅を有するリッジ形状とする。
次に、 実施例 1と同じく p側コンタク ト層 20のストライプリッジ最表 面のほぼ全面に N iと Auよりなる p電極 21を形成し、 G aN基板 10 1の裏面のほぼ全面に、 T iと A 1よりなる n電極 23を形成する。
次に、 図 6に示すように p電極 21の面積を除く、 p側クラッ ド層 19 の S i 02よりなる絶縁膜 25を形成し、 この絶縁膜 25を介して、 P電 極 21と電気的に接続した pパッ ド電極 22を形成する。
電極形成後、 p電極 21に垂直な方向で G a N基板 101をバ一状に劈 開し、 劈開面に共振器を作製する。 なお G a N基板の劈開面は M面とする。 劈開面に S i 02と T i 02よりなる誘電体多層膜を形成し、 最後に p電極 に平行な方向で、 バーを切断して図 6に示すレーザチップとした。 次にチッ プをフェースアップ （基板とヒートシンクとが対向した状態） でヒートシ ンクに設置し、 pパッ ド電極 22をワイヤーボンディングして、 室温でレ 一ザ発振を試みたところ、 室温において、 閾値電流密度 2. 5 k A/cm2, 閾値電圧 4. 0Vで、 発振波長 405 nmの連続発振が確認され、 500 時間以上の寿命を示した。 これは基板に GaNを使用したことにより、 結 晶欠陥の広がりが少なくなつたことによる。
以下、 適宜、 図面を参照して本発明の実施形態 3に基づく実施例につい て説明する。 図 4は図 3のレーザ素子の形状を示す斜視図である。
[実施例 27]
サファイア （C面） よりなる基板の上に GaNよりなるバッファ層を介 して GaNよりなる単結晶を 50 /zmの膜厚で成長させた GaN基板 10 0を用意する。 この G aN基板 100を反応容器内にセッ トし、 温度を 1 050°Cまで上げ、 キャリアガスに水素、 原料ガスにアンモニアと TMG (トリメチルガリウム） 、 不純物ガスとしてシランガスを用い、 GaN基 板 100上に S iを lx l 018/cm3ドープした G a Nよりなる n側バッファ 層 11を 4 の膜厚で成長させる。 このバッファ層は、 図 3のような構 造の発光素子を作製した場合には n電極を形成するためのコンタク ト層と しても作用する。 さらに、 この n側バッファ層は高温で成長させるバッファ 層であり、 例えばサファイア、 S i C、 スピネルのように窒化物半導体体 と異なる材料よりなる基板の上に、 900°C以下の低温において、 GaN、 A I N等を、 0. 5 /m以下の膜厚で直接成長させるバッファ層とは区別 される。
(n側クラッ ド層 14=超格子層）
続いて、 1050°Cで TMA (トリメチルアルミニウム） 、 TMG、 了 ンモニァ、 シランガスを用い、 S iを 1 X 1019ノ(：1113ドープした n型 A 10.2G a0.8Nよりなる第 1の層を 40オングストロームの膜厚で成長さ せ、 続いてシランガス、 TMAを止め、 アンドープの G aNよりなる第 2 の層を 40オングストロームの膜厚で成長させる。 そして第 1層 +第 2層 +第 1層 +第 2層 + · · · というように超格子層を構成し、 それぞれ 10 0層ずつ交互に積層し、 総膜厚 0. 8；/mの超格子よりなる n側クラッ ド 層 14を成長させる。
(n側光ガイ ド層 15) .
続いて、 シランガスを止め、 1050°Cでアンドープ G aNよりなる n 側光ガイ ド層 15を 0. 1 の膜厚で成長させる。 この n側光ガイ ド層 は、 活性層の光ガイ ド層として作用し、 GaN、 I nGaNを成長させる ことが望ましく、 通常 100オングストローム〜 5 zm、 さらに好ましく は 200オングストローム〜 1 mの膜厚で成長させることが望ましい。 またこの層をアンドープの超格子層とすることもできる。 超格子層とする 場合にはバンドギャップエネルギーは活性層より大きく、 n側クラッ ド層 の A l 0.2Ga0.8Nよりも小さくする。
(活性層 16)
次に、 原料ガスに TMG、 TMI、 アンモニアを用いて活性層 16を成 長させる。 活性層 16は温度を 800°Cに保持して、 アンド一プ I n0.2 G a。.8Nよりなる井戸層を 25オングストロームの膜厚で成長させる。 次に TM Iのモル比を変化させるのみで同一温度で、 アンドープ I n0.01 Ga0.95Nよりなる障壁層を 50オングストロ一ムの膜厚で成長させる。 この操作を 2回繰り返し、 最後に井戸層を積層した総膜厚 175オングス トロームの多重量子井戸構造 （MQW) の活性層を成長させる。 活性層は 本実施例のようにアンドープでもよいし、 また n型不純物及び Z又は p型 不純物をドープしても良い。 不純物は井戸層、 障壁層両方にドープしても 良く、 いずれか一方にドープしてもよい。
(P側キャップ層 17)
次に、 温度を 1050°Cに上げ、 TMG、 TMA、 アンモニア、 Cp2 Mg (シクロペンタジェニルマグネシウム） を用い、 ρ側光ガイ ド層 18 よりもバンドギヤップエネルギーが大きい、 Mgを 1 X 1020/cm3ドープ した p型 A 1 Q.3Ga。.7Nよりなる p側キャップ層 19を 300オングス トロームの膜厚で成長させる。 この p型キヤップ層 17は前に述べたよう に、 0. 1 m以下の巻く厚保で形成し、 膜厚の下限は特に限定しないが、 10オングストロ一ム以上の膜厚で形成することが望ましい。
(P側光ガイ ド層 18)
続いて Cp2Mg、 TMAを止め、 1050°Cで、 バンドギャップエネ ルギ一が p側キャップ層 17よりも小さい、 アンドープ GaNよりなる p 側光ガイ ド層 18を 0. 1 imの膜厚で成長させる。 この層は、 活性層の 光ガイ ド層として作用し、 n型光ガイ ド層 15と同じく G a N、 I n G a Nで成長させることが望ましい。 なお、 この p側光ガイ ド層をアンド一プ の窒化物半導体、 不純物をドープした窒化物半導体よりなる超格子層とす ることもできる。 超格子層とする場合にはバンドギヤップエネルギーは活 性層の井戸層より大きく、 p側クラッ ド層の A 1 Q.2Ga。.8Nよりも小さ くする。
(P側クラッ ド層 19)
続いて、 1050°Cで Mgを 1 X 102Vcm3ドープした p型 A 1。.2G a0.8Nよりなる第 3の層を 40オングストロームの膜厚で成長させ、 続 いて TM Aのみを止め、 アンドープ G a Nよりなる第 4の層を 40オング ストロームの膜厚で成長させる。 そしてこの操作をそれぞれ 100回繰り 返し、 総膜厚 0. 8 mの超格子層よりなる p側クラッ ド層 19を形成す な
(p側コンタク ト層 20)
最後に、 1050°Cで、 p側クラッ ド層 19の上に、 Mgを 2 X 1020 /cm3ドープした p型 G a Nよりなる p側コンタク ト層 20を 150オング ストロームの膜厚で成長させる。 p側コンタク ト層 20は p型の I nxA 1 vGa!-χ-γΝ (0≤X、 0≤Y、 Χ + Υ≤ 1) で構成することができ、 好ましくは Mgをドープした G aNとすれば、 p電極 21と最も好ましい ォーミック接触が得られる。 また p型 A 1 YG aい YNを含む超格子構造の P側クラッ ド層 19に接して、 バンドギャップエネルギーの小さい窒化物 半導体を P側コンタク ト層として、 その膜厚を 500オングストローム以 下と薄く しているために、 実質的に p側コンタク ト層 20のキャリア濃度 が高くなり p電極と好ましいォ一ミックが得られて、 素子の閾値電流、 電 圧が低下する。
以上のようにして窒化物半導体を成長させたゥユーハを反応容器内にお いて、 窒素雰囲気中 700°Cでァニーリングを行い、 p型不純物をドープ した層をさらに低抵抗化させる。 尚、 アニーリングの詳細な方法について は、 本発明者らが先に出願した米国特許第 5， 306, 662号に開示され、 本実施例のァニーリングについても米国特許第 5， 306, 662号に開示 された方法を用いて行う。
アニーリング後、 ゥヱ一ハを反応容器から取り出し、 図 3に示すように、 R I E装置により最上層の p側コンタク ト層 20と、 p側クラッ ド層 19 とをエッチングして、 4 /mのストライプ幅を有するリッジ形状とする。 このように、 活性層よりも上部にある層をストライプ状のリ ッジ形状とす ることにより、 活性層の発光がストライプリッジの下に集中するようになつ て閾値が低下する。 特に超格子層よりなる p側クラッ ド層 1 9以上の層を リッジ形状とすることが好ましい。
次にリッジ表面にマスクを形成し、 R I Eにてエッチングを行い、 n側 ノ<ッファ層 1 1の表面を露出させる。 露出させたこの n側バッファ層 1 1 は n電極 2 3を形成するためのコンタク ト層としても作用する。 なお図 3 では n側バッファ層 1 1をコンタク ト層としているが、 0 & 1^基板1 0 0 までエッチングを行い、 露出した G a N基板 1 0 0をコンタク ト層とする こともできる。
次に P側コンタク ト層 2 0のリツジ最表面に N i と A uよりなる p電極 2 1をストライプ状に形成する。 p側コンタク ト層と好ましいォーミ ック が得られる P電極 2 1の材料としては、 例えば N i、 P t、 P d、 N i / A u、 P t /A u、 P d ZA u等を挙げることができる。
—方、 T iと A 1よりなる n電極 2 3を先ほど露出させた n側バッファ 層 1 1の表面にストライプ状に形成する。 n側バッファ層 1 1、 または G a N基板 1 0 0と好ましいォーミ ックが得られる n電極 2 3の材料として は A 1、 T i、 W、 C u、 Z n、 S n、 I n等の金属若しくは合金が好ま しい。
次に、 図 3に示すように p電極 2 1と、 n電極 2 3との間に露出した窒 化物半導体層の表面に S i 02よりなる絶縁膜 2 5を形成し、 この絶縁膜 2 5を介して p電極 2 1と電気的に接続した pパッ ド電極 2 2、 及び nパッ ド電極 2 4を形成する。 この pパッ ド電極 2 2は実質的な p電極 2 1の表 面積を広げて、 ρ電極側をワイヤーボンディング、 ダイボンディングでき るようにする作用がある。 一方、 nパッ ド電極 2 4は n電極 2 3の剥がれ を防止する作用がある。
以上のようにして、 n電極と p電極とを形成したゥュ一ハを研磨装置に 移送し、 ダイヤモンド研磨剤を用いて、 窒化物半導体を形成していない側 のサファイア基板をラッビングし、 サファイア基板の厚さを 70 zmとす る。 ラッピング後、 さらに細かい研磨剤で 1 zmポリシングして基板表面 を鏡面状とし、 AuZS nで全面をメタライズする。
その後、 A uZS n側をスクライブして、 ストライプ状の電極に垂直な 方向でバー状に劈開し、 劈開面に共振器を作製する。 共振器面に S i O2 と T i 02よりなる誘電体多層膜を形成し、 最後に p電極に平行な方向で、 バーを切断してレーザチップとした。 次にチップをフェースアップ （基板 とヒートシンクとが対向した状態） でヒートシンクに設置し、 それぞれの 電極をワイヤーボンディングして、 室温でレーザ発振を試みたところ、 室 温において、 閾値電流密度 2. 0 k A/cm2、 閾値電圧 4. 0Vで、 発振波 長 405 nmの連続発振が確認され、 1000時間以上の寿命を示した。
[実施例 28]
図 7は本発明の他の実施例に係るレーザ素子の構造を示す模式的な断面 図であり、 図 3と同じく レーザ光の共振方向に垂直な方向で素子を切断し た際の図を示している。 以下この図を元に実施例 28について説明する。 尚、 図 7において、 図 3及び図 4と同様のものには同様の符号を付して示 す。
サファイア （C面） よりなる基板の上に GaNよりなるバッファ層を介 して S iを 5 X 1018/cm3ドープした G a Nよりなる単結晶を 150〃m 'の膜厚で成長させた G aN基板 100を用意する。 この G aN基板 100 の上に実施例 27と同様にして、 n側バッファ層 11を成長させる。
(クラック防止層 13)
n側バッファ層 11成長後、 温度を 800°Cにして、 原料ガスに TMG、 TM I、 アンモニア、 不純物ガスにシランガスを用い、 S iを 5 X 1018 /cm3ドープした I no^G a0.9Nよりなるクラック防止層 13を 500ォ ングストロームの膜厚で成長させる。 このクラック防止層 13は I nを含 む n型の窒化物半導体、 好ましくは I nG aNで成長させることにより、 A 1を含む窒化物半導体層中にクラックが入るのを防止することができる。 なおこのクラック防止層は 100オングストローム以上、 0. 5 m以下 の膜厚で成長させることが好ましい。 100オングストロームよりも薄い と前記のようにクラック防止として作用しにく く、 0. 5 zmよりも厚い と、 結晶自体が黒変する傾向にある。
クラック防止層 13成長後、 実施例 27と同様にして、 変調ド一プされ た超格子よりなる n側クラッ ド層 14と、 アンド一プ n側光ガイ ド層 15 を成長させる。
(n側キャップ層 20)
続いて TMG、 TMA、 アンモニア、 シランガスを用い、 n側光ガイ ド 層 15よりもバンドギヤップエネルギーが大きい、 S iを 5 X 1018/cm3 ドープした n型 A 1 o.3Gac.7Nよりなる n側キャップ層 20を 300ォ ングストロームの膜厚で成長させる。
後は実施例 27と同様にして活性層 16、 p側キャップ層 17、 アンド ープ p側光ガイ ド層 18、 変調ドープされた超格子よりなる p側クラッ ド 層 19、 p側コンタク ト層 20を成長させる。
窒化物半導体層成長後、 同様にしてアニーリングを行い、 p型不純物を ドープした層をさらに低抵抗化させ、 アニーリング後、 図 7に示すように 最上層の p側コンタク ト層 20と、 p側クラッ ド層 19とをエッチングし て、 4 zmのストライプ幅を有するリッジ形状とする。
リッジ形成後、 ρ側コンタク ト層 20のリ ツジ最表面に N iZAuより なる p電極 21をストライプ状に形成し、 p電極 21以外の最表面の窒化 物半導体層のに S i 02よりなる絶縁膜 2 5を形成し、 この絶縁膜 2 5を 介して p電極 2 1と電気的に接続した pパッ ド電極 2 2を形成する。
以上のようにして、 p電極を形成したゥェ一ハを研磨装置に移送し、 サ ファイア基板を研磨により除去し、 G a N基板 1 0 0の表面を露出させる。 露出した G a N基板表面のほぼ全面に T i /A 1よりなる n電極 2 3を形 成する。
電極形成後 G a N基板の M面 （窒化物半導体を六方晶系で近似した場合 に六角柱の側面に相当する面） で劈開し、 その劈開面に S i 02と T i 02 よりなる誘電体多層膜を形成し、 最後に p電極に平行な方向で、 バーを切 断してレーザ素子とする。 このレーザ素子も同様に室温において連続発振 を示し、 実施例 2 7とほぼ同等の特性を示した。
[実施例 2 9 ]
実施例 2 7において、 n側バッファ層 1 1成長後、 実施例 2 8と同様に してクラック防止層 1 3を成長させる。 次にそのクラック防止層の上に、 S iを 1 X 1 0 1 9/cm3ドープした A 1 o .3 G a c .7 N層単一層のみよりなる n側クラッ ド層 1 4を 0. 4 mの膜厚で成長させる。 後は実施例 2 7と 同様にして、 レーザ素子を作製したところ、 同じく室温でレーザ発振を示 したが、 寿命は実施例 2 7のレーザ素子よりも若干短くなつた。
[実施例 3 0 ]
実施例 2 7において、 p側クラッ ド層 1 9成長時に、 M gを 1 X 1 0 2 () /cm3ド一プした A 1。 3 G a n . 7 N層単一層を 0. 4〃mの膜厚で成長させ る他は、 実施例 2 7と同様にして、 レーザ素子を作製したところ、 同じく 室温でレーザ発振を示したが、 寿命は実施例 2 7のレーザ素子よりも若干 短くなった。
[実施例 3 1 ] 実施例 27において、 n側クラッ ド層 14を超格子構造とせずに、 S i を 1 X 1018/cm3ドープした A 10.2G a0.8N層 0. 4 /mとする。 また、 P側クラッ ド層も同様に超格子構造とせず、 Mgを 1 X 1020/cm3ドープ した A 1。.2G a。.8N層 0. 4 zmとする。 代わりに、 n側光ガイ ド層 1 5をアンドープ I no.01Ga0.99 N層 30オングストロームと、 31を1 X 1017/cm3ドープした G a N層 30オングストロームとを積層した総膜 厚 0. 12 /mの超格子構造とし、 p側光ガイ ド層 18をアンド一プ I n 0.01G a0.99N層 30オングストロームと、 Mg.を 1 X 1017/cm3ドープ した G aN層 30オングストロームとを積層した総膜厚 0. 12 mの超 格子構造とする他は実施例 27と同様にしてレーザ素子を作製したところ、 同じく室温でレーザ発振を示したが、 寿命は実施例 27のレーザ素子より も若干短くなつた。
[実施例 32]
実施例 27において、 n側バッファ層 11を形成する際、 アンドープ G aN層を 30オングストロームと、 S iを l x l 019/cm3ド一プした A 1 0.05G a0.95N層を 30オングストロームとを積層した総膜厚 1. 2 m の超格子層とする。 後は実施例 27と同様にして、 n側クラッ ド層 14か ら上の層を成長させ、 レーザ素子とする。 但し n電極を形成する際、 エツ チングにより露出させる面は、 前述の 1. 2 mの超格子層の中間とし、 その超格子層に n電極を形成する。 このレーザ素子も同様に室温において 連続発振し、 閾値は実施例 27のものに比較して若干低下し、 寿命は 10 00時間以上であった。
[実施例 33]
図 8は本発明の他の実施例に係るレーザ素子の構造を示す模式的な断面 図であり、 他の図面と同一符号は同一層を示している。 以下、 この図を基 に実施例 33について説明する。
実施例 27と同じく、 2インチ ø、 （0001) C面を主面とするサファ ィァ基板 30の上に 500°Cにて、 GaNよりなるバッファ層 （図示せず） を 200オングストロームの膜厚で成長させた後、 温度を 1050°Cにし てアンドープ G aN層 31を 5 m膜厚で成長させる。 尚、 この成長させ る膜厚は、 5 //mに限定されるものではなく、 バッファ層よりも厚い膜厚 で成長させて、 10 m以下の膜厚に調整することが望ましい。 基板はサ ファイアの他、 S i C、 Z nO、 スピネル、 G a A s等窒化物半導体を成 長させるために知られている、 窒化物半導体と異なる材料よりなる基板を 用いることができる。
次にこのアンドープ G a N層 31成長後、 ゥユーハを反応容器から取り 出し、 この G aN層 31の表面に、 ストライプ状のフォ トマスクを形成し、 CVD装置によりストライプ幅 20 βΐη、 ストライプ間隔 （窓部） 5 fim の S i 02よりなる保護膜 32を 0. 1 zmの膜厚で形成する。 図 8はス トライプの長軸方向に垂直な方向で切断した際の部分的なゥェーハの構造 を示す模式断面図である。 保護膜の形状としてはストライプ状、 ドッ ト状、 碁盤目状等どのような形状でも良いが、 ァンドープ G a N層 31の露出部 分、 即ち保護膜が形成されていない部分 （窓部） よりも保護膜の面積を大 きくする方が、 結晶欠陥の少ない G aN基板 100を成長させやすい。 保 護膜の材料としては、 例えば酸化ゲイ素 （S i Ox) 、 窒化ゲイ素 （S i X NY) 、 酸化チタン （T i Ox) 、 酸化ジルコニウム （Z r Ox) 等の酸化 物、 窒化物、 またこれらの多層膜の他、 1200°C以上の融点を有する金 属等を用いることができる。 これらの保護膜材料は、 窒化物半導体の成長 温度 600°C〜1 100°Cの温度にも耐え、 その表面に窒化物半導体が成 長しないか、 成長しにくい性質を有している。 保護膜 3 2形成後、 ゥエーハを再度反応容器内にセッ トし、 1 0 5 0 °C で、 アンドープ G a Nよりなる G a N基板 1 0 0となる G a N層を 1 0 mの膜厚に成長させる。 成長させる G a N層の好ましい成長膜厚は、 先に 形成した保護膜 3 2の膜厚、 大きさによっても異なるが、 保護膜 3 2の表 面を覆うように保護膜上部において横方向 （厚さ方向に垂直な方向） にも 成長するように十分の厚さに成長させる。 このように窒化物半導体が成長 しにくい性質を有する保護膜 3 2の表面上に、 横方向に G a N層を成長さ せる手法で G a N基板 1 0 0を成長させると、 最初は保護膜 3 2の上には G a N層が成長せず、 窓部のアンド一プ G a N層 3 1の上に G a N層が選 択成長される。.続いて G a N層の成長を続けると、 G a N層が横方向に成 長して、 保護膜 3 2の上に覆いかぶさって行き、 隣接した窓から成長した G a N層同士でつながって、 保護膜 3 2の上に G a N層が成長したかのよ うな状態となる。 つまり、 G a N層 3 1上に保護膜 3 2を介して G a N層 を横方向に成長させる。 ここで、 重要なことは、 サフアイャ基板 3 0の上 に成長されている G a N層 3 1の結晶欠陥と、 保護膜 3 2の上に成長され ている G a N基板 1 0 0との結晶欠陥の数である。 すなわち、 異種基板と 窒化物半導体との格子定数のミスマッチにより、 異種基板の上に成長され る窒化物半導体には非常に多くの結晶欠陥が発生し、 この結晶欠陥は順次 上層に形成される窒化物半導体成長中を、 表面まで伝わる。 一方、 本実施 例 3 3のように、 保護膜 3 2上に横方向に成長された G a N基板 1 0 0は、 異種基板上に直接成長したものではなく、 隣接する窓から成長させた G a N層が、 保護膜 3 2上に横方向に成長することにより成長中につながった ものであるため、 結晶欠陥の数は異種基板から直接成長したものに比べて 非常に少なくなる。 従って、 異種基板上に成長された窒化物半導体層の上 に、 部分的に形成された保護膜を形成して、 その保護膜上に横方向に成長 されてなる GaN層を基板とすることにより、 実施例 27の GaN基板に 比較して、 はるかに結晶欠陥の少ない G aN基板が得られる。 実際、 アン ドープ G aN層 31の結晶欠陥は 101D/cm2以上あるが、 この実施例 33 の方法による GaN基板 100の結晶欠陥は 106Zcm2以下に減少させる ことができる。
以上のようにして G a N基板 100を形成した後、 該 G a N基板上に実 施例 27と同様にして S iを 1 X 1018/cm3ドープした G a Nよりなる n 側バッファ層、 件コンタク ト層 11を 5 /zmの膜厚で成長させた後、 実施 例 28と同様にして、 S iを 5 X 1018/cm3ドープした I n^G a Q.9N よりなるクラック防止層 13を 500オングストロームの膜厚で成長させ る。 尚、 クラック防止層 13は省略することもできる。
(中央部が高不純物濃度の超格子構造の n側クラッ ド層 14 )
次に、 1050°Cで、 TMG、 アンモニアガスを用い、 アンドープ G a N層を 20オングストロームの膜厚で成長させることにより、 ノくンドギヤッ プエネルギーの小さい第 2の窒化物半導体層を形成する。 次に同温度にて、 TMAを追加しアンドープ A 1 a0.9N層を 5オングストローム成長 させ、 続いてシランガスを追加し S iを 1 X 1 O'Vcm3ド一プした A 10 .iGao.gN層を 20オングストロームの膜厚で成長させた後、 S iを止 めてアンド一プ A 10 1G a。.9N層をさらに 5オングストロームの膜厚で 成長させることにより、 バンドギヤップエネルギーの大きい厚さ 30 /m の第 1の窒化物半導体層を形成する。 以後同様にして、 第 2の窒化物半導 体層と第 1の窒化物半導体層とを交互に繰り返し形成する。 尚、 実施例 3 3では、 第 2の窒化物半導体層と第 1の窒化物半導体層とがそれぞれ 12 0層になるように積層し、 0. 6 xm厚の、 超格子構造よりなる n側クラッ ド層 14を形成する。 次に、 実施例 27と同様にして、 n側光ガイ ド層 15、 活性層 16、 p 側キャップ層 1 7、 p側光ガイ ド層 18を順に成長させる。
(中央部が高不純物濃度の超格子構造の p側クラッ ド層 19 )
次に、 1050°Cで、 TMG、 アンモニアガスを用い、 アンドープ G a N層を 20オングストロームの膜厚で成長させることにより、 バンドギヤッ プエネルギーの小さい第 4の窒化物半導体層を形成する。 次に同温度にて、 TM Aを追加しアンドープ A 1。.iG a Q .9N層を 5オングストローム成長 させ、 続いて C p2Mgを追加し Mgを 1 X 1020/cm3ドープした A 10.ι G a。.9N層を 20オングストロームの膜厚で成長させた後、 C p2Mgを 止めてアンドープ A 1 CJ G a0.9N層をさらに 5オングストロームの膜厚 で成長させることにより、 バンドギヤップエネルギーの大きい厚さ 30 mの第 3の窒化物半導体層を形成する。 以後同様にして、 第 4の窒化物半 導体層と第 3の窒化物半導体層とを交互に繰り返し形成する。 尚、 実施例 33では、 第 4の窒化物半導体層と第 3の窒化物半導体層とがそれぞれ 1 20層になるように積層し、 0. 6 厚の、 超格子構造よりなる n側ク ラッ ド層 19を形成する。
そして最後に、 実施例 27と同様にして p側コンタク ト層 20を成長さ せた後、 ゥエーハを反応容器から取り出し、 アニーリングを行った後、 エツ チングを行い p側クラッ ド層 19以上の層をストライプ状のリッジ形状と する。
次に図 8に示すようにリッジに対して、 左右対称にエッチングを行い、 n電極 23を形成すべき n側バッファ層表面を露出させ、 n電極 23を形 成し、 一方 p側コンタク ト層 20のリツジ最表面にも p電極 21をストラ イブ状に形成する。 後は実施例 27と同様にして、 レーザ素子を作製した ところ、 実施例 27のものに比較して閾値で、 電流密度、 電圧でおよそ 1 0%低下し、 波長 405 nmの連続発振寿命は、 2000時間以上の寿命 を示した。 これは G aN基板 100に結晶欠陥の少ないものを使用したこ とによる、 窒化物半導体の結晶性の向上によるものが多大である。 なお図 8において、 GaN基板l 00を例えば 80 m以上の膜厚で成長させた 場合には、 異種基板 30〜保護膜 32は除去することも可能である。
[実施例 34 ]
実施例 33において、 n側クラッ ド層 14を成長させる際、 中央部を高 不純物濃度とせず、 通常のアンド一プ G a N層を 20オングストロームと、 S iを 1 X 1019Zcm3ドープした A 10 · G a 0.9N層を 20オングスト ロームとを積層し、 総膜厚 0. 6 mの超格子構造とする。
—方、 P側クラッ ド層 19を成長させる際も、 中央部を高不純物濃度と せずに、 アンド一プ G a N層を 20オングストロームと、 Mgを 1 X 10 20/cm3ドープした A 1 o^G a0.9N層を 20オングストロームとを積層し、 総膜厚 0. 6 mの超格子構造とする他は実施例 33と同様にしてレーザ 素子を作製したところ、 実施例 33のものに比較して、 若干閾値は低下し たが、 寿命はほぼ同じ 2000時間以上を示した。
[実施例 35]
実施例 33において、 n側クラッ ド層 14を成長させる際、 S iを l x 1019/cm3ドープした G aN層を 25オングストロームと、 アンドープ A 1 a Q.9N層を 25オングストロームとを交互に積層し、 総膜厚 0. 6 mの超格子構造とする。 一方、 p側クラッ ド層 19を成長させる際も、 Mgを 1 X 1020/cm3ドープした G a N層を 25オングストロームと、 ァ ンド一プ A 1 o.iG ao.9N層を 25オングストロームとを交互に積層し、 総膜厚 0. 6 zmの超格子構造とする他は実施例 33と同様にしてレーザ 素子を作製したところ、 実施例 33のものとほぼ同等の特性、 寿命を有す るレーザ素子が得られた。
[実施例 36]
実施例 33において、 n側クラッ ド層 14を成長させる際、 S iを I X 1019/cm3ドープした G aN層を 25オングストロームと、 S iを 1 x 1 017/cm3ドープした A 1 ac.9N層を 25オングストロ一ムとを交互 に積層し、 総膜厚 0. 6 mの超格子構造とする。 一方、 p側クラッ ド層 19を成長させる際も、 Mgを 1 X 1020/cm3ドープした G a N層を 25 オングストロームと、 Mgを 1 X 1018/cm3ドープした A 1 ao.9N 層を 25オングストロームとを交互に積層し、 総膜厚 0. 6 /mの超格子 構造とする他は実施例 33と同様にしてレーザ素子を作製したところ、 実 施例 33のものとほぼ同等の特性、 寿命を有するレーザ素子が得られた。
[実施例 37]
実施例 33において、 n側クラッ ド層を超格子構造とせずに、 ≤ 1を1 1019/cm3ド一プした A 1 nGao.sN層を 0. 6 zmの膜厚で成長さ せる。 一方、 p側クラッ ド層 19を成長させる際は、 Mgを 1 X 1 O / cm3ド一プした G a N層を 25オングストロームと、 1 x 10 ' ein3ドー プした A 1 D J G a。.9N層を 25オングストロームとを交互に積層し、 総 膜厚 0. 6； mの超格子構造とする他は実施例 33と同様にしてレーザ素 子を作製したところ、 実施例 33に比較して閾値は若干上昇したが同じく 1000時間以上の寿命を示した。
[実施例 38]
実施例 33において、 n側クラッ ド層、 及び p側クラッ ド層の超格子に おける不純物濃度を通常の変調ドープ （中央部が高濃度ではなく、 層内ほ ぼ均一） とし、 n側バッファ層 11を成長させる際に、 S i 1 X 1019 /cm3ドープした A 10.05G ac.95N層 5◦オングストロームと、 アンド一 プ G aN層 50オングストロームとを交互に成長させ、 総膜厚 2 mの超 格子層とする他は実施例 33と同様にしてレーザ素子を作製したところ、 実施例 33のものに比較して、 閾値が若干低下し、 寿命は 3000時間以 上を示した。
[実施例 39 ]
実施例 33において、 n側クラッ ド層 14をアンドープ G a N層 20ォ ングストロームと、 S iを 1 X 1019/cm3ドープした A 1 o.iGao.gN層 20オングストロームとを積層した総膜厚 0. ら β mの超格子構造とする。. 次の n側光ガイ ド層 15を S iを l x l 019/cni3ドープした G a N層 25 オングストロームと、 アンドープ A 1。 。5G ao.95N層 25オングストロ 一ムとを交互に成長させ、 総膜厚 0. 1 /zmの超格子構造とする。
一方、 p側光ガイ ド層も、 Mgを 1 X 1019/cm3ドープした G aN層 2 5オングストロームと、 アンドープ A 10.05G a0.95N層 25オングスト ロームとを交互に成長させ、 総膜厚 0. 1 mの超格子構造とする。 次に、 P側クラッ ド層 19をアンドープ G aN層 20オングストロームと、 Mg を 1 X 1020/cm3ドープした A 1 ao.9N層を 20オングストロ一ム とを交互に積層した、 総膜厚 0. 6 mの超格子構造とする他は、 同様に してレーザ素子を作製したところ、 実施例 33のものに比較して、 若干閾 値は低下し、 寿命は 3000時間以上を示した。
[実施例 40 ]
実施例 40は、 実施例 33と同様、 G a N基板 100を用いて構成した レーザ素子である。
すなわち、 実施例 40のレーザ素子は、 実施例 33と同様に構成された G aN基板 100上に以下の各半導体層が形成されて構成される。
まず、 その G aN基板 100の上に S iを 1 X 1018/cm3以上ドープ した n型 GaNよりなる n側コンタク ト層 （n側の第 2の窒化物半導体層） を 2 mの膜厚で成長させる。 なお、 この層をアンドープの G a Nと、 S iをドープした A 1 XG aい xN (0<X≤0. 4) からなる超格子層とし ても良い。
次に、 n側コンタク ト層を成長させた後、 温度を 800°Cにして、 窒素 雰囲気中、 TMG， TM I , アンモニア、 シランガスで、 S iを 5x 10 18/cm3ドープした I no.iG a0.9Nよりなるクラック防止層を 500ォ ングストロームの膜厚で成長させる。 こ pクラック防止層は I nを含む n 型の窒化物半導体、 好ましくは I nGaNで成長させることにより、 後に 成長させる A 1を含む窒化物半導体層中にクラックが入るのを防止するこ とができる。 なおこのクラック防止層は 100オングストローム以上、 0. 5 /zm以下の膜厚で成長させることが好ましい。 100オングストローム よりも薄いと前記のようにクラック防止として作用しにく く、 0. 5 m よりも厚いと、 結晶自体が黒変する傾向にある。
続いて、 1050°Cで TMA、 TMG、 アンモニア、 シランガスを用い、 S iを l x l 019/cm3ド一プした n型 A 1 o .2G a 0.8Nよりなる層を 4 0オングストロームと、 アンドープの G aN層を 40オングストロームの 膜厚で成長させ、 これらの層を交互に、 それぞれ 100層ずつ積層した、 総膜厚 0. 8 mの超格子よりなる n側クラッ ド層を成長させる。
続いて、 アンド一プ A 1 O . Q5G a0 95Nよりなる η側光ガイ ド層を 0. 1 zmの膜厚で成長させる。 この層には活性層の光を導波する光ガイ ド層 として作用し、 アンド一プの他、 n型不純物をドープしても良い。 またこ の層を G aNと A 1 GaNからなる超格子層とすることもできる。
次に、 アンド一プ I n。.01G a0.99Nよりなる活性層を 400オングス トロ一ムの膜厚で成長させる。 次に、 後で形成する P側光ガイ ド層よりもバンドキヤップエネルギーが 大きい Mgを 1 X 1019/cm3ド一プした p型 A 10.2G a o .8Nよりなる p側キヤップ層を 300オングストロームの膜厚で成長させる。
次に、 バンドキャップエネルギーが p側キャップ層よりも小さい、 A1 0.01Gao.99Nよりなる p側光ガイ ド層を 0. 1 mの膜厚で成長させる。 この層は、 活性層の光ガイ ド層として作用する。 なお、 この p側光ガイ ド 層をアンドープの窒化物半導体よりなる超格子層とすることもできる。 超 格子層とする場合にはバンドキャップエネルギーの大きな方の層 （障壁層） のバンドキヤップエネルギーは活性層より大きく、 p側クラッ ド層よりも 小さくする。
続いて Mgを 1 X 1019/cm3ドープした p型 A 1。 .2G a。 .8N層を 4 0オングストロームと、 アンド一プ G aNを 40オングストロームとを交 互に積層成長した総膜厚 0. 8 mの超格子層構造よりなる p側クラッ ド 層を成長させる。
最後に、 ρ側クラッ ド層の上に、 Mgを 1 X 102Vcm3ド一プした！） 型 GaNよりなる p側コンタク ト層を 150オングストロームの膜厚で成 長させる。 特にレーザ素子の場合、 A 1 G a Nを含む超格子構造の p側ク ラッ ド層に接して、 バンドキャップエネルギーの小さい窒化物半導体を ρ 側コンタク ト層として、 その膜厚を 500オングストローム以下と薄く し ているために、 実質的に p側コンタク ト層のキャリア濃度が高くなり p電 極と好ましいォーミ ックが得られて、 素子の閾値電流、 電圧が低下する傾 向にある。
以上にようにして窒化物半導体を成長させたゥ ーハを所定の温度でァ ニーリングを行い p型不純物をドープした層をさらに低抵抗化させた後、 ゥエーハを反応容器から取り出し、 R I E装置により最上層の p側コンタ ク ト層と、 p側クラッ ド層とをエッチングして、 4 zmのストライプ幅を 有するリ ッジ形状とする。 このように、 活性層よりも上部にある層をスト ライプ状のリ ッジ形状とすることにより、 活性層の発光がストライプリッ ジの下に集中するようになつて閾値が低下し、 特に超格子層よりなる p側 クラッ ド層以上の層をリッジ形状とすることが好ましい。
尚、 アニーリングの詳細な方法については、 本発明者らが先に出願した 米国特許第 5, 306, 662号に開示され、 本実施例のァニーリングにつ いても米国特許第 5， 306, 662号に開示された方法を用いて行う。 次にリ ッジ表面にマスクを形成し、 R I Eにてエッチングを行い、 n側 コンタク ト層の表面を露出させ、 T iと A 1よりなる n電極をストライプ 状に形成する。 一方 p側コンタク ト層のリッジ最表面には N iと Auより なる p電極をストライプ状に形成する。 p型 G aN層と好ましいォーミ ッ クが得られる電極材料としては、 例えば N i， P t, Pd， N i /Au, P t/Au, PdZAu等を挙げることができる。 n型 GaNと好ましい ォ一ミ ックが得られる電極材料としては A 1、 T i， W， Cu， Z n, S n, I n等の金属若しくは合金等を挙げることができる。
次に、 P電極と、 n電極との間に露出した窒化物半導体層の表面に S i 02 よりなる絶縁膜を形成し、 この絶縁膜を介して p電極と電気的に接続 した pパッ ド電極を形成する。 この pパッ ド電極は実質的な p電極の表面 積を広げて、 ρ電極側をワイヤーボンディング、 ダイボンディングできる ようにしている。
以上のようにして、 n電極と p電極とを形成したゥエーハを研磨装置に 移送し、 ダイヤモン ド研磨剤を用いて、 窒化物半導体を形成していない側 のサファイア基板をラッビングし、 サファイア基板の厚さを 70 imとす る。 ラッビング後、 さらに細かい研磨剤で 1 / mポリシングして基板表面 を鏡面状とし、 AuZS nで全面をメタライズする。
その後、 AuZS n側をスクライプして、 ストライプ状の電極に垂直な 方向でバー状に劈開し、 劈開面に共振器を作製する、 共振器面に S i 02 と T i 02よりなる誘電体多層膜を形成し、 最後に p電極に平行な方向で、 バーを切断してレーザチップとする。 次にチップをフユースアップ （基板 とヒートシンクとが対向した状態） でヒートシンクに設置し、 それぞれの 電極をワイヤーボンディングして、 室温でレーザ発振を試みたところ、 室 温において、 閾値電流密度 2. 0 k A/cm2. 閾値電圧 4. 0Vで、 発振 波長 368 nmの連続発振が確認され、 1000時間以上の寿命を示した。
[実施例 41 ]
実施例 41以下は実施形態 4に基づいて作成されたレーザ素子の例であ る。 以下、 図 9を参照して実施例 41について説明する。
(下地層 302)
2インチ ø、 C面を主面とするサファイアよりなる異種基板 301を M 0 VP E反応容器内にセッ トし、 温度を 500°Cにして、 トリメチルガリ ゥム （TMG) 、 アンモニア （NH3 ) を用い、 GaNよりなるバッファ 層 （図示せず） を 200オングストロームの膜厚で成長させる。 バッファ 層成長後、 温度を 1050°Cにして、 同じく G a Nよりなる下地層 302 を 4 の膜厚に成長させる。
(保護膜 303)
下地層 302成長後、 ゥユーハを反応容器から取り出し、 この下弛層 2 の表面に、 ストライプ状のフォ トマスクを形成し、 CVD装置によりスト ライプ幅 10 zm、 ストライプ間隔 （窓部） 2 zmの S i 02 よりなる保 護膜 303を 1 / mの膜厚で形成する。
(窒化物半導体基板 304) 保護膜 303形成後、 ゥュ一ハを再度 MO VP Eの反応容器内にセッ ト し、 温度を 1050°Cにして、 TMG、 アンモニアを用い、 アンドープ G a Nよりなる窒化物半導体基板 304を 20 の膜厚で成長させる。 成 長後の窒化物半導体基板 304の表面は保護膜のストライプ中央部と、 窓 部のストライプ中央部にはストライプ状の保護膜と平行に結晶欠陥が表出 していたが、 後にレーザ素子のリッジ形成時に、 リッジストライプがこの 結晶欠陥に係らないようにすることにより、 活性層に結晶欠陥が転位せず、 素子の信頼性が向上する。
(n側バッファ層 311=兼 n側コンタク ト層）
次に、 アンモニアと TMG、 不純物ガスとしてシランガスを用い、 第 2 の窒化物半導体層 4の上に S iを 3 X 1018/cm3ドープした G a Nより なる n側バッファ層 311を 5 /zmの膜厚で成長させる。
(クラック防止層 312)
次に、 TMG、 TMI (トリメチルインジウム） 、 アンモニアを用い、 温度を 800°Cにして I n0.06G a0.84Nよりなるクラック防止層 312 を 0. 15 mの膜厚で成長させる。
(n側クラッ ド層 313=超格子層）
続いて、 1050°Cで TMA、 TMG、 アンモニア、 シランガスを用い、 S iを lx l 018/cm3ドープした n型 A 10.！ 8G a 0.84Nよりなる第 1 の層を 25オングストロームの膜厚で成長させ、 続いてシランガス、 TM Aを止め、 アンドープの G a Nよりなる第 2の層を 25オングストローム の膜厚で成長させる。 そして第 1層 +第 2層 +第 1層 +第 2層 + · · · と いうように超格子層を構成し、 総膜厚 1. 2 zmの超格子よりなる n側ク ラッ ド層 313を成長させる。 この超格子よりなる n側クラッ ド層は A 1 平均組成が 8. 0%であるので、 その膜厚との積は 9. 6となる。 (n側光ガイ ド層 314)
続いて、 シランガスを止め、 1050°Cでアンドープ G aNよりなる n 側光ガイ ド層 314を 0. 1 mの膜厚で成長させる。
(活性層 315)
次に、 TMG、 TMI、 アンモニアを用い活性層 314を成長させる。 活性層は温度を 800°Cに保持して、 アンドープ I n。.2Gan.8Nよりな る井戸層を 40オングストロームの膜厚で成長させる。 次に TMIのモル 比を変化させるのみで同一温度で、 アンド一プ I no. Gao.^Nよりな る障壁層を 100オングストロ一ムの膜厚で成長させる。 井戸層と障壁層 とを順に積層し、 最後に障壁層で終わり、 総膜厚 440オングストローム の多重量子井戸構造 （MQW) の活性層を成長させる。
(P側キヤップ層 316)
次に、 温度を 1050°Cに上げ、 TMG、 TMA、 アンモニア、 Cp2 Mg (シクロペンタジェニルマグネシウム） を用い、 p側光ガイ ド層 31 7よりもバンドギヤップエネルギーが大きい、 Mgを 1 X 1020/cm3ド ープした p型 A 1 Q.3G a 0.7Nよりなる p側キャップ層 316を 300ォ ングストロームの膜厚で成長させる。
(P側光ガイ ド層 317)
続いて Cp2Mg、 TMAを止め、 1050°Cで、 バンドギャップエネ ルギ一が p側キヤップ層 316よりも小さい、 アンド一プ G a Nよりなる P側光ガイ ド層 317を 0. 1 mの膜厚で成長させる。
( P側クラッ ド層 318)
続いて、 1050°Cで Mgを 1 X 1020/cm3ド一プした p型 A 10.】 6 G ac.84Nよりなる第 3の層を 25オングストロームの膜厚で成長させ、 続いて TM Aのみを止め、 アンドープ G a Nよりなる第 4の層を 25オン グストロームの膜厚で成長させ、 総膜厚 0. 6 mの超格子層よりなる p 側クラッ ド層 3 1 8を成長させる。 この p側クラッ ド層も A 1の平均組成 が 8 %であるので、 膜厚との積は 4. 8となる。
( p側コンタク ト層 3 1 9 )
最後に、 1 0 5 0 °Cで、 p側クラッ ド層 3 1 8の上に、 M gを 2 X 1 0 20/ c m3ドープした P型 G a Nよりなる p側コンタク ト層 3 1 8を 1 5 0 オングストロームの膜厚で成長させる。
以上のようにして窒化物半導体を成長させたゥエーハを反応容器におい . て、 窒素雰囲気中 7 0 0 DCでアニーリングを行い、 p型不純物をドーブし た層をさらに低抵抗化させる。
アニーリング後、 ゥヱ一ハを反応容器から取り出し、 R I E装置により 最上層の P側コンタク ト層 3 1 8と、 p側クラッ ド層 3 1 7とをエツチン グして、 図 9に示すように 4 inのストライプ幅を有するリッジ形状とす る。 リッジストライプを形成する場合、 そのリッジス卜ライプは、 窒化物 半導体基板の表面に結晶欠陥が現れていない位置に形成する。
次にリッジ表面にマスクを形成し、 R I Eにてエッチングを行い、 n側 バッファ層 3 1 1の表面を露出させる。
次に P側コンタク ト層 3 1 9のリッジ最表面に N iと A uよりなる p電 極 3 2 0をストライプ状に形成し、 一方、 T i と A 1よりなる n電極 3 2 2を先ほど露出させた n側バッファ層 3 1 1の表面にストライプ状に形成 した後、 図 9に示すように p電極 3 2 0と、 n電極 3 2 2との間に露出し た窒化物半導体層の表面に S i 02 よりなる絶縁膜 3 2 3を形成し、 この 絶縁膜 3 2 3を介して p電極 3 2 0と電気的に接続した pパッ ド電極 3 2 1を形成する。
以上のようにして、 n電極と P電極とを形成したゥヱ一八のサファイア 基板を研磨して 70 /z mとした後、 ストライプ状の電極に垂直な方向で、 基板側からバー状に劈開し、 劈開面に共振器を作製する。 共振器面に S i 02と T i 02よりなる誘電体多層膜を形成し、 最後に p電極に平行な方向 で、 バーを切断してレーザ素子とする。
このレーザ素子をヒ一トシンクに設置し、 それぞれの電極をワイヤーボ ンデイングして、 室温でレーザ発振を試みたところ、 室温において連続発 振を示し、 単レーザ光の FFPは単一で、 その形状も楕円形で形の良いも のが得られていた。 また、 レーザ素子の特性に関しても、 我々が Jpj. J. Appl. Phys. Vol. 36 (1997) に発表したものに比較して、 閾値が 10% 以上低下し、 寿命は 50%以上向上した。
[実施例 42 ]
実施例 41において、 n側クラッ ド層 313を成長させる際に、 S i ド ープ n型 A 1 o.20G ao.80N25オングストロームと、 アンド一プ G aN 25オングストロとを積層し、 総膜厚 1. 0 //mの超格子よりなる n側ク ラッ ド層 313を成長させる他は同様にしてレーザ素子を作製した。 なお n側クラッ ド層は A 1平均組成が 10. 0%であるので、 その膜厚との積 は 10. 0である。 このレーザ素子も実施例 41とほぼ同様の特性を有し ていた。
[実施例 43 ]
実施例 41において、 n側クラッ ド層 313を成長させる際に、 S i ド ープ n型 A l o.20Ga0.80N25オングストロームと、 アンドープ GaN 25オングストロとを積層し、 総膜厚 0. Ί zmの超格子よりなる n側ク ラッ ド層 313を成長させる他は同様にしてレーザ素子を作製した。 n側 クラッ ド層は A 1平均組成が 1. 0%であるので、 その膜厚との積は 7. 0である。 このレーザ素子も実施例 41とほぼ同等の特性を有していた。 [実施例 44]
実施例 41において、 n側クラッ ド層 313を成長させる際に、 S i ド ープ n型 A 10 12G a 0.88N25オングストロームと、 アンドープ G a N 25オングスト口とを積層し、 総膜厚 0. 8 mの超格子よりなる n側ク ラッ ド層 313を成長させる他は同様にしてレーザ素子を作製した。 n側 クラッ ド層は A 1平均組成が 6. 0%であるので、 その膜厚との積は 4. 8である。 このレーザ素子は Jpn. J. Appl. Phys. Vol. 36 (1997)に発表 したものに比較して、 閾値が 5%以上低下し、 寿命は 20%以上向上した。
[実施例 45 ]
実施例 41において、 n側クラッ ド層 318を成長させる際に、 S i ド —プ n型 A 10.07G a0.93N層 25オングストロームと、 アンドープ G a N層 25オングストロームとを、 総膜厚 1. 4 mで成長させる他は同様 にして、 レーザ素子を作製した。 n側クラッ ド層は、 A 1平均組成が 3. 5%であるので、 その膜厚との積は 4. 9である。 このレーザ素子は実施 例 44のものとほぼ同等の特性を示した。 産業上の利用可能性
以上説明したように、 本発明に係る窒化物半導体素子は、 活性層以外の P型窒化物半導体領域又は n型窒化物半導体領域において、 超格子層を用 いて構成しているので、 電力効率を極めて良くすることができる。
すなわち、 従来の窒化物半導体素子では、 活性層を多重量子井戸構造と することは提案されていたが、 活性層を挟む、 例えばクラッ ド層等は単一 の窒化物半導体層で構成されているのが通常であった。 しかし、 本発明の 窒化物半導体素子では量子効果が出現するような層を有する超格子層をク ラッ ド層、 若しくは電流を注入するコンタク ト層として設けているため、 クラッ ド層側の抵抗率を低くすることができる。 これによつて、 例えば L D素子の閾値電流、 閾値電圧を低くでき、 該素子を長寿命とすることがで きる。 さらに従来の L E Dは静電気に弱かったが、 本発明では静電耐圧に 強い素子を実現できる。 このように V f 、 閾値電圧が低くできるので、 発 熱量も少なくなり、 該素子の信頼性も向上させることができる。 本発明の 窒化物半導体素子によれば、 L E D、 L D等の発光素子はもちろんのこと、 窒化物半導体を用いた太陽電池、 光センサー、 トランジスタ等に利用する と非常の効率の高いデバイスを実現することが可能となりその産業上の利 用価値は非常に大きい。
また、 実施形態 4及び実施例 4 1〜4 5で示したように、 本発明に係る 別の窒化物半導体発光素子によれば、 発光がコア部に閉じ込めることがで きるようになりシングルモードのレーザ光が得られる。 しかも、 レーザ光 のスポッ ト形状も単一な楕円となり、 一定の遠視野パターンが得られる。 従来、 窒化物半導体はサファイアという窒化物半導体よりも屈折率の小さ い材料を使用するため、 従来の問題は避けられないように思われてきたが、 本発明によりサファイアに限らず、 窒化物半導体よりも屈折率の小さい、 どのような基板の上にレーザ素子を作製しても、 シングルモードで、 きれ いな形状のレーザ光が得られるため、 書き込み、 読みとり光源として、 そ の利用価値は非常に大きい。 また本実施形態 4ではレーザ素子について説 明したが、 本発明はレーザ素子だけでなく、 L E D素子、 スーパールミネッ セントダイォードのような他の発光素子にも適用可能である。

Claims

請 求 の 範 囲
1. 1又は 2以上の窒化物半導体層からなる p導電側の半導体領域と、 該 p導電側の半導体領域を介してキヤリァが注入されて所定の動作をする 窒化物半導体からなる活性層とを備えた窒化物半導体素子において、 前記 P導電側の半導体領域の少なくとも 1つの窒化物半導体層は、 それ ぞれ窒化物半導体からなりかつ互いに組成の異なる第 1の層と第 2の層と が積層された超格子層であることを特徴とする窒化物半導体素子。
2. 1又は 2以上の窒化物半導体層からなる n導電側の半導体領域と 1 又は 2以上の窒化物半導体層からなる p導電側の半導体領域との間に、 窒 化物半導体からなる活性層を有する窒化物半導体素子において、
前記 P導電側の半導体領域又は前記 n導電側の半導体領域の少なくとも —つの窒化物半導体層は、 それぞれ窒化物半導体からなりかつ互いに組成 の異なる第 1の層と第 2の層とが積層された超格子層であることを特徴と する窒化物半導体素子。
3. 前記超格子層は、 1 0 0オングストローム以下の膜厚を有する窒化 物半導体からなる第 1の層と、 該第 1の層と組成が異なりかつ 1 0 0オン グストローム以下の膜厚を有する窒化物半導体からなる第 2の層とが積層 された請求項 1又は 2に記載の窒化物半導体素子。
4. 前記第 1の層、 及び第 2の層の内の少なくとも一方が、 A 1を含む 窒化物半導体からなる請求項 3に記載の窒化物半導体素子。
5. 前記 A 1を含む窒化物半導体が、 式 A l v G a i— YN (ただし、 0 < Y≤l ) であらわされる窒化物半導体である請求項 4に記載の窒化物半導 体素子。
6. 前記超格子層において、 前記第 1の層が式 I n xG a !—xN ( 0≤X ≤1) で表される窒化物半導体からなり、 かつ前記第 2の層が式 A 1 YG aj.vN (0≤Υ≤1. Χ = Υ≠0) で表される窒化物半導体からなる請 求項 5に記載の窒化物半導体素子。
7. 前記超格子層において、 前記第 1の層が式 I nxGaい χΝ (0≤Χ < 1) で表される窒化物半導体からなり、 かつ前記第 2の層が式 A 1 YG a!-vN (0<Y< 1) で表される窒化物半導体からなる請求項 6に記載 の窒化物半導体素子。
8. 前記第 1の層及び前記第 2の層がそれぞれ、 70オングストローム 以下の膜厚を有する窒化物半導体からなる請求項 3乃至 6のうちのいずれ か 1項に記載の窒化物半導体素子。
9. 前記第 1の層及び第 2の層の膜厚がそれぞれ、 10オングストロー ム以上である請求項 8記載の窒化物半導体素子。
10. 前記窒化物半導体素子がさらに、 前記 ρ導電側の半導体領域にお いて、 Ρ電極を形成するための ρ側コンタク ト層を備え、 該 ρ側コンタク ト層の膜厚が 500オングストローム以下である請求項 1乃至 9の内のい ずれか 1項に記載の窒化物半導体素子。
11. 前記該 ρ側コンタク ト層の膜厚がさらに、 300オングストロー ム以下、 10オングストローム以上である請求項 10に記載の窒化物半導 体素子。
12. 前記窒化物半導体素子がさらに、 前記 ρ導電側の半導体領域にお いて、 ρ電極を形成するための ρ側コンタク ト層を含んでなり、
前記超格子層が、 前記活性層と前記 ρ側コンタク ト層との間に形成され た請求項 1乃至 11の内のいずれか 1項に記載の窒化物半導体素子。
13. 前記窒化物半導体素子がさらに、 基板上に第 1のバッファ層を介 して形成された、 膜厚 0. 1 /m以上の窒化物半導体からなる第 2のバッ ファ層と、 該第 2のバッファ層上に形成された、 n型不純物がドープされ た窒化物半導体からなる n側コンタク ト層を n導電側の半導体領域に有し、 該 n側コンタク ト層に n電極が形成されてなる請求項 1乃至 1 2のうちの 1つに記載の窒化物半導体素子。
1 4. 前記第.2のバッファ層の不純物濃度が、 前記 n側コンタク ト層に 比較して低濃度である請求項 1 3に記載の窒化物半導体素子。
1 5 . 前記第 1のバッファ層、 及び前記第 2のバッファ層の内の少なく とも一方は、 膜厚 1 0 0オングストロー厶以下の互いに組成が異なる窒化 物半導体層が積層された超格子層よりなることを特徴とする請求項 1 3ま たは 1 4に記載の窒化物半導体素子。
1 6. 前記窒化物半導体素子がさらに、 前記 n導電側の半導体領域にお いて、 n電極を形成するための n側コンタク ト層を含み、
前記超格子層が、 前記活性層と前記 n側コンタク ト層との間に形成され た請求項 2乃至 1 2の内のいずれか 1項に記載の窒化物半導体素子。
1 7 . 前記第 1の層及び前記第 2の層の内の少なくとも一方に、 該層の 導電型を n型又は p型に設定する不純物がド一プされた請求項 3乃至 1 6 の内のいずれか 1項に記載の窒化物半導体素子。
1 8 . 前記第 1の層及び前記第 2の層にドープされた、 該層の導電型を n型又は p型に設定する不純物の濃度が互いに異なる請求項 3乃至 1 6の 内のいずれか 1項に記載の窒化物半導体素子。
1 9. 前記超格子層は、 n電極が形成される n側コンタク ト層として形 成きれたことを特徴とする請求項 3乃至 1 8の内のいずれか 1項に記載の 窒化物半導体素子。
2 0 . 前記窒化物半導体素子が、 p導電側の半導体領域に超格子層を備 えたレーザ発振素子であって、 前記 P導電側の半導体領域の超格子層及び該超格子層より上の層に、 そ の長手方向が共振方向に一致しかつ所定の幅を有するリ ッジ部が形成され た請求項 1〜 1 9の内の 1つに記載の窒化物半導体素子。
2 1 . n側クラッ ド層を含む n導電側の半導体領域と、 p側クラッ ド層 を含む P導電側の半導体領域との間に活性層を備え、 該活性層においてレ 一ザ発振する窒化物半導体素子において、
前記 n側クラッ ド層が、 1 0 0オングストローム以下の膜厚を有する窒 化物半導体からなる第 1の層と、 該第 1の層と組成が異なりかつ 1 0 0ォ ングストローム以下の膜厚を有する窒化物半導体からなる第 2の層とが積 層された超格子層であり、 かつ前記 p側クラッ ド層が、 1 0 0オングスト ローム以下の膜厚を有する窒化物半導体からなる第 3の層と、 該第 3の層 と組成が異なりかつ 1 0 0オングストローム以下の膜厚を有する窒化物半 導体からなる第 4の層とが積層された超格子層であることを特徴とする窒 化物半導体素子。
2 2 . 前記!)側クラッ ド層及び該 p側クラッ ド層より上の層に、 その長 手方向が共振方向に一致しかつ所定の幅を有するリッジ部が形成された請 求項 2 1に記載の窒化物半導体素子。
2 3 . 1又は 2以上の窒化物半導体層からなる n導電側の半導体領域と 1又は 2以上の窒化物半導体層からなる p導電側の半導体領域との間に、 窒化物半導体からなる活性層を有する窒化物半導体素子であって、 前記 n導電側の半導体領域の少なくとも 1つの窒化物半導体層は、 互い に組成が異なりかつ互いに n型不純物濃度が異なる第 1と第 2の窒化物半 導体層とが積層されてなる n側超格子層であることを特徴とする窒化物半 導体素子。
2 4 . 1又は 2以上の窒化物半導体層からなる n導電側の半導体領域と 1又は 2以上の窒化物半導体層からなる p導電側の半導体領域との間に、 窒化物半導体からなる活性層を有する窒化物半導体素子であつて、 前記 p導電側の半導体領域の少なくとも 1つの窒化物半導体層は、 互い に組成が異なりかつ互いに p型不純物濃度が異なる第 3と第 4の窒化物半 導体層とが積層されてなる p側超格子層であることを特徴とする窒化物半 導体素子。
2 5. 1又は 2以上の窒化物半導体層からなる n導電側の半導体領域と 1又は 2以上の窒化物半導体層からなる p導電側の半導体領域との間に、 窒化物半導体からなる活性層を有する窒化物半導体素子であって、 前記 n導電側の半導体領域の少なくとも 1つの窒化物半導体層は、 互い に組成が異なりかつ互いに n型不純物濃度が異なる第 1と第 2の窒化物半 導体層とが積層されてなる n側超格子層であり、
前記 P導電側の半導体領域の少なくとも 1つの窒化物半導体層は、 互い に組成が異なりかつ互いに p型不純物濃度が異なる第 3と第 4の窒化物半 導体層とが積層されてなる p側超格子層であることを特徴とする窒化物半 導体素子。
2 6. 前記 n側超格子層において、 前記第 1の窒化物半導体層は、 前記 第 2の窒化物半導体層より大きいバンドギヤップエネルギーと前記第 2の 窒化物半導体層より大きい n型不純物濃度とを有する請求項 2 3又は 2 5 記載の窒化物半導体素子。
2 7 . 前記第 1の窒化物半導体層において、 前記第 2の窒化物半導体層 に近接する部分の n型不純物濃度を前記第 2の窒化物半導体層から離れた 部分に比較して小さく した請求項 2 6記載の窒化物半導体素子。
2 8 . 前記第 1の窒化物半導体層の n型不純物濃度が 1 X 1 0 1 7/cm3〜 1 1 0 2Vcm3の範囲にあり、 第 2の窒化物半導体層の n型不純物濃度が 1 x 1019/cm3以下である請求項 26又は 27記載の窒化物半導体素子。
29. 前記 n側超格子層において、 前記第 1の窒化物半導体層は、 前記 第 2の窒化物半導体層より大きいバンドギャップエネルギーと前記第 2の 窒化物半導体層より小さい n型不純物濃度とを有する請求項 23又は 25 記載の窒化物半導体素子。
30. 前記第 2の窒化物半導体層において、 前記第 1の窒化物半導体層 に近接する部分の n型不純物濃度を前記第 1の窒化物半導体層から離れた 部分に比較して小さくした請求項 29記載の窒化物半導体素子。
31. 前記第 1の窒化物半導体層の n型不純物濃度が 1 X 1019/cm3以 下であり、 前記第 2の窒化物半導体層の n型不純物濃度が 1 X 1017/cm3 〜1 X 102Vcm3の範囲である請求項 29又は 30記載の窒化物半導体素 子。
32. 前記第 1の窒化物半導体層は A 1 YG aい YN (0<Y< 1) から なり、 前記第 2の窒化物半導体層は I nxG at-xN (0≤X< 1) からな る請求項 26〜31のうちの 1つに記載の窒化物半導体素子。
33. 前記第 2の窒化物半導体層が G a Nからなる請求項 32記載の窒 化物半導体素子。
34. 前記第 1の窒化物半導体層は A 1 xG a!-xN (0 <X< 1) から なり、 前記第 2の窒化物半導体層は A 1 YG aい YN (0<Y< 1, X>Y) からなる請求項 26〜31のうちの 1つに記載の窒化物半導体素子。
35. 前記第 1の窒化物半導体層又は前記第 2の窒化物半導体層には、 n型不純物がドープされていない請求項 26〜34のうちのいずれか 1つ に記載の窒化物半導体素子。
36. 前記 p側超格子層において、 前記第 3の窒化物半導体層は、 前記 第 4の窒化物半導体層より大きいバンドギャップエネルギーと前記第 4の 窒化物半導体層より大きい p型不純物濃度とを有する請求項 24又は 25 記載の窒化物半導体素子。
37. 前記第 3の窒化物半導体層において、 前記第 4の窒化物半導体層 に近接する部分の p型不純物濃度を前記第 4の窒化物半導体層から離れた 部分に比較して小さくした請求項 36記載の窒化物半導体素子。
38. 前記第 3の窒化物半導体層の p型不純物濃度が 1 X 1018/cni3〜 1 1021/cra3の範囲にあり、 第 4の窒化物半導体層の p型不純物濃度が 1 102 Vera3以下であ.る請求項 33又は 34記載の窒化物半導体素子。
39. 前記 p側超格子層において、 前記第 3の窒化物半導体層は、 前記 第 4の窒化物半導体層より大きいバンドギャップエネルギーと前記第 4の 窒化物半導体層より小さい p型不純物濃度とを有する請求項 24又は 25 記載の窒化物半導体素子。
40. 前記第 4の窒化物半導体層において、 前記第 3の窒化物半導体層 に近接する部分の p型不純物濃度を前記第 3の窒化物半導体層から離れた 部分に比較して小さく した請求項 39記載の窒化物半導体素子。
41. 前記第 3の窒化物半導体層の p型不純物濃度が 1 X 102Vcm3以 下であり、 第 4の窒化物半導体層の p型不純物濃度が 1 X 1018/cms〜l X 1021/cm3の範囲である請求項 39又は 40記載の窒化物半導体素子。
42. 前記第 3の窒化物半導体層は A 1 YG aい YN (0<Y< 1) から なり、 前記第 4の窒化物半導体層は I nxGa,— XN (0≤X< 1) からな る請求項 36〜41のうちの 1つに記載の窒化物半導体素子。
43. 前記第 4の窒化物半導体層が G a Nからなる請求項 42記載の窒 化物半導体素子。
44. 前記第 3の窒化物半導体層は A 1 XG ai-xN (0<X< 1) から なり、 前記第 4の窒化物半導体層は A 1 YG aい YN (0<Y< 1, X>Y) からなる請求項 3 6〜4 1のうちの 1つに記載の窒化物半導体素子。
4 5. 前記第 3の窒化物半導体層又は前記第 4の窒化物半導体層には、
P型不純物がドープされていない請求項 3 6〜4 4のうちのいずれか 1つ に記載の窒化物半導体素子。
4 6. 前記 n側超格子層において、 前記第 1の窒化物半導体層は、 前記 第 2の窒化物半導体層より大きいバンドギャップエネルギーと前記第 2の 窒化物半導体層より大きい n型不純物濃度とを有しかつ、
前記 P側超格子層において、 前記第 3の窒化物半導体層は、 前記第 4の 窒化物半導体層より大きいバンドギヤップエネルギーと前記第 4の窒化物 半導体層より大きい p型不純物濃度とを有する請求項 2 5記載の窒化物半 導体素子。
4 7. 前記第 1の窒化物半導体層の n型不純物濃度が 1 X 1 0 1 7/cm3〜 1 X 1 0 2Vcm3の範囲であって、 第 2の窒化物半導体層の n型不純物濃度 が 1 X 1 0 1 9/cm3以下でありかつ、
前記第 3の窒化物半導体層の p型不純物濃度が 1 X 1 0 1 8/cni3〜l X 1 0 21 /cm3の範囲であつて、 前記第 4の窒化物半導体層の p型不純物濃度が l x l 0 2 Vcm3以下である請求項 4 6記載の窒化物半導体素子。
4 8. 前記 n側超格子層において、 前記第 1の窒化物半導体層は、 前記 第 2の窒化物半導体層より大きいバンドギヤップエネルギーと前記第 2の 窒化物半導体層より大きい n型不純物濃度とを有しかつ、
前記 P側超格子層において、 前記第 3の窒化物半導体層は、 前記第 4の 窒化物半導体層より大きいバンドギヤップエネルギーと前記第 4の窒化物 半導体層より小さい p型不純物濃度とを有する請求項 2 5記載の窒化物半 導体素子。
4 9. 前記第 1の窒化物半導体層の n型不純物濃度が 1 X 1 0 1 7/cm3〜 1 x 1 0 2Vcm3の範囲であって、 第 2の窒化物半導体層の n型不純物濃度 が 1 X 1 0 1 Vcm3以下でありかつ、
前記第 3の窒化物半導体層の p型不純物濃度が 1 X 1 0 2Vcm3以下であ り、 にあり、 第 4の窒化物半導体層の p型不純物濃度が 1 X 1 0 1 8/cm3〜 1 X 1 0 2 1 /cm3の範囲である請求項 4 8記載の窒化物半導体素子。
5 0. 前記 n側超格子層において、 前記第 1の窒化物半導体層は、 前記 第 2の窒化物半導体層より大きいバンドギャップエネルギーと前記第 2の 窒化物半導体層より小さい n型不純物濃度とを有しかつ、
前記 P側超格子層において、 前記第 3の窒化物半導体層は、 前記第 4の 窒化物半導体層より大きいバンドギヤップエネルギ一と前記第 4の窒化物 半導体層より大きい p型不純物濃度とを有する請求項 2 5記載の窒化物半 導体素子。
5 1 . 前記第 1の窒化物半導体層の n型不純物濃度が 1 X 1 O ^/cm3以 下であって、 前記第 2の窒化物半導体層の n型不純物濃度が 1 X 1 0 1 V cm3〜 1 x 1 0 2 Vcm3の範囲でありかつ、
前記第 3の窒化物半導体層の p型不純物濃度が 1 X 1 0 1 8/cm3〜l X 1 0 21 /cm3の範囲であつて、 前記第 4の窒化物半導体層の p型不純物濃度が 1 1 0 2 Vcm3以下である請求項 5 0記載の窒化物半導体素子。
5 2. 前記 n側超格子層において、 前記第 1の窒化物半導体層は、 前記 第 2の窒化物半導体層より大きいバンドギヤップエネルギーと前記第 2の 窒化物半導体層より小さい n型不純物濃度とを有しかつ、
前記 P側超格子層において、 前記第 3の窒化物半導体層は、 前記第 4の 窒化物半導体層より大きいバンドギャップエネルギ一と前記第 4の窒化物 半導体層より小さい p型不純物濃度とを有する請求項 2 5記載の窒化物半 導体素子。
53. 前記第 1の窒化物半導体層の n型不純物濃度が 1 x 1019/cni3以 下であって、 前記第 2の窒化物半導体層の n型不純物濃度が 1 X 1017/ cm3〜 1 x 102 Vcm3の範囲でありかつ、
前記第 3の窒化物半導体層の P型不純物濃度が 1 X 102Vcm3以下であ り、 第 4の窒化物半導体層の p型不純物濃度が 1 X 1018/cm3〜l X 10 21/cni3の範囲である請求項 52記載の窒化物半導体素子。
54. 前記 n側超格子層において、 前記第 1の窒化物半導体層は A 1Y Gaj-vN (0<Y< 1) からなり、 前記第 2の窒化物半導体層は I nxG a !-xN (0≤X< 1) からなりかつ、
前記 p側超格子層において、 前記第 3の窒化物半導体層は A 1 YG
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N (0<Y< 1) からなり、 前記第 4の窒化物半導体層は I nxGa^ χΝ (0≤Χ< 1) からなる請求項 46〜53のうちの 1つに記載の窒化物半 導体素子。
55. 前記第 2と第 4の窒化物半導体素子がそれぞれ、 GaNからなる 請求項 46〜 53のうちの 1つに記載の窒化物半導体素子。
56. 前記 n側超格子層において、 前記第 1の窒化物半導体層は A 1 X G a i-xN (0<X< 1) からなり、 前記第 2の窒化物半導体層は A 1 YG ai-γΝ (0 < Y< 1, Χ>Υ) からなり、
前記 Ρ側超格子層において、 前記第 3の窒化物半導体層は A 1 xG a i-x N (0 <X< 1) からなり、 前記第 4の窒化物半導体層は A 1 YG aい YN (0<Yく 1, Χ〉Υ) からなる請求項 46〜53のうちの 1つに記載の 窒化物半導体素子。
57. 前記第 1の窒化物半導体層又は前記第 2の窒化物半導体層は、 η 型不純物がドープされていないアンドープ層である請求項 46〜56のう ちの 1つに記載の窒化物半導体素子。
58. 前記第 3の窒化物半導体層又は前記第 4の窒化物半導体層は、 p 型不純物がドープされていないァンドープ層である請求項 46〜56のう ちの 1つに記載の窒化物半導体素子。
59. 前記活性層が I nG aN層を含む請求項 23〜58のうちのいず れか 1つに記載の窒化物半導体素子。
60. 前記 I nGaN層が量子井戸層である請求項 59記載の窒化物半 導体素子。
61. 前記窒化物半導体素子は、 前記活性層が p.側クラッ ド層と n側ク ラッ ド層の間に位置するレーザ発振素子であって、
前記 p側クラッ ド層と前記 n側クラッ ド層のうちの少なくとも一方が、 前記 n側超格子層又は前記 p側超格子層である請求項 23~60のうちの いずれか 1つに記載の窒化物半導体素子。
62. 前記窒化物半導体素子は、 レーザ発振素子であって、
前記 P側クラッ ド層と活性層との間、 又は前記 p側クラッ ド層と活性層 との間の少なくとも一方に、 I nを含む窒化物半導体又は G a Nからなり、 不純物濃度が 1 X 1019/cm3以下である光ガイ ド層が形成された請求項 6 1記載の窒化物半導体素子。
63. 前記光ガイ ド層が超格子構造を有する請求項 62記載の窒化物半 導体素子。
64. 前記光ガイ ド層と活性層との間にさらに、 前記活性層の井戸層及 び前記光ガイ ド層よりも大きいバンドギヤップエネルギーを有しかつ膜厚 0. 1 zm以下の窒化物半導体よりなるキャップ層が形成され、 該キヤッ プ層の不純物濃度が 1 X 1018/cm3以上である請求項 62又は 63記載の 窒化物半導体素子。
65. 前記光ガイ ド層と前記キャップ層とが p導電側窒化物半導体層側 に形成されていることを特徴とする請求項 6 4に記載の窒化物半導体素子。
6 6 . 窒化物半導体とは異なる材料よりなる異種基板上に窒化物半導体 層を成長させ、 該成長された窒化物半導体層上に、 該窒化物半導体層の表 面を部分的に露出させるように保護膜を形成した後、 露出された窒化物半 導体層から前記保護膜を覆うように成長させた窒化物半導体層からなる窒 化物半導体基板の上に、 請求項 2 3〜6 5のうちのいずれか 1つに記載の 窒化物半導体素子を形成した窒化物半導体素子。
6 7. 前記 p側クラッ ド層が超格子層であって、 前記 p側クラッ ド層及 び該 P側クラッ ド層より上の層に、 その長手方向が共振方向に一致しかつ 所定の幅を有するリッジ部が形成された請求項 6 1〜6 6の内の 1つに記 載の窒化物半導体素子。
6 8 . n側クラッ ド層と p側クラッ ド層との間に、 I nを含む第 1の窒 化物半導体層を有する活性層を備えた窒化物半導体発光素子において、 前記 n側クラッ ド層は、 A 1を含む第 2の窒化物半導体層を有する厚さ 0. 5 z m以上の超格子層からなり、 かつ該 n側クラッ ド層の A 1の平均 組成が、 該 n側クラッ ド層の/ で表した厚さと該 n側クラッ ド層に含ま れる百分率で表した A 1の平均組成との積が 4 . 4以上になるように設定 されたことを特徴とする窒化物半導体発光素子。
6 9 . 前記 n側クラッ ド層の厚さが 0. 8 m以上であり、 前記 n側ク ラッ ド層に含まれる A 1の平均組成が 5. 5 %以上である請求項 6 8記載 の窒化物半導体発光素子。
7 0 . 前記 n側クラッ ド層の厚さが 1 . 0 m以上であり、 前記 n側ク ラッ ド層に含まれる A 1の平均組成が 5 %以上である請求項 6 8記載の窒 化物半導体発光素子。
7 1 . 前記 n側クラッ ド層の厚さが 1 . 2 以上であり、 前記 n側ク ラッ ド層に含まれる A 1の平均組成が 4. 5%以上である請求項 68記載 の窒化物半導体発光素子。
72. 前記 P側クラッ ド層は、 A 1を含む第 3の窒化物半導体層を有す る超格子層からなり、 前記 n側クラッ ド層が前記 p側クラッ ド層より厚い 請求項 68記載の窒化物半導体発光素子。
73. 前記 p側クラッ ド層が 1. 0 mより薄い請求項 72記載の窒化 物半導体発光素子。
74. 前記 n側クラッ ド層と p側クラッ ド層の、 前記活性層を含む層の 厚さ力、 200A以上、 1. 0 m以下の範囲に設定された請求項 68〜 73のうちのいずれか 1項に記載の窒化物半導体発光素子。
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