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JP2001339121A - 窒化物半導体発光素子とそれを含む光学装置 - Google Patents

窒化物半導体発光素子とそれを含む光学装置

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Publication number
JP2001339121A
JP2001339121A JP2000158189A JP2000158189A JP2001339121A JP 2001339121 A JP2001339121 A JP 2001339121A JP 2000158189 A JP2000158189 A JP 2000158189A JP 2000158189 A JP2000158189 A JP 2000158189A JP 2001339121 A JP2001339121 A JP 2001339121A
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JP
Japan
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light emitting
nitride semiconductor
emitting device
substrate
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Withdrawn
Application number
JP2000158189A
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English (en)
Inventor
Yuzo Tsuda
有三 津田
Takayuki Yuasa
貴之 湯浅
Shigetoshi Ito
茂稔 伊藤
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Sharp Corp
Original Assignee
Sharp Corp
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Publication date
Application filed by Sharp Corp filed Critical Sharp Corp
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Priority to PCT/JP2001/003825 priority patent/WO2001093388A1/ja
Priority to KR10-2002-7015969A priority patent/KR100537711B1/ko
Priority to EP01926138A priority patent/EP1291989B1/en
Priority to US10/276,512 priority patent/US6924512B2/en
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 発光効率の高い窒化物半導体発光素子を提供
する。 【解決手段】 窒化物半導体発光素子は、複数の量子井
戸層と複数の障壁層とが交互に積層された多重量子井戸
構造を有する発光層１０６を含み、その量子井戸層はＸ
Ｎ1-x-y-zＡｓxＰyＳｂz（０≦ｘ≦０．１５、０≦ｙ≦
０．２、０≦ｚ≦０．０５、ｘ＋ｙ＋ｚ＞０）からな
り、ここでＸは１種以上のＩＩＩ族元素であり、障壁層
は少なくともＡｌを含む窒化物半導体層からなることを
特徴としている。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、発光効率の高い窒
化物半導体発光素子とこれを利用した光学装置に関する
ものである。
【０００２】
【従来の技術】従来から、窒化物半導体は、発光素子や
ハイパワー半導体デバイスとして利用または研究されて
いる。窒化物半導体発光素子の場合、青色から橙色まで
の広い色範囲内の発光素子を作製することができる。近
年では、その窒化物半導体発光素子の特性を利用して、
青色や緑色の発光ダイオードや、青紫色の半導体レーザ
などが開発されている。また、特開平１０−２７０８０
４では、ＧａＮＡｓ井戸層／ＧａＮ障壁層からなる発光
層を含む発光素子が報告されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、特開平
１０−２７０８０４に記載のＧａＮＡｓ／ＧａＮ発光層
では、Ｎの含有率の高い六方晶系とＮの含有率の低い立
方晶系（閃亜鉛構造）に相分離を起こしやすく、発光効
率の高い発光素子が得られにくい。
【０００４】そこで、本発明では、窒化物半導体からな
る量子井戸構造を有する発光層を含む窒化物半導体発光
素子において、その発光層の結晶性を改善するとともに
相分離を抑制することによって、その発光効率を向上さ
せることを主目的としている。
【０００５】
【課題を解決するための手段】本発明によれば、窒化物
半導体発光素子は、複数の量子井戸層と複数の障壁層と
が交互に積層された多重量子井戸構造を有する発光層を
含み、それらの量子井戸層はＸＮ1-x-y-zＡｓxＰyＳｂz
（０≦ｘ≦０．１５、０≦ｙ≦０．２、０≦ｚ≦０．０
５、ｘ＋ｙ＋ｚ＞０）からなり、ここでＸは１種以上の
ＩＩＩ族元素であり、障壁層は少なくともＡｌを含む窒
化物半導体層からなることを特徴としている。
【０００６】このように、光を発する作用を生じる発光
層は量子井戸層と障壁層とを含んでおり、量子井戸層は
障壁層に比べて小さなエネルギバンドギャップを有して
いる。
【０００７】障壁層は、さらにＩｎを含むことが好まし
い。障壁層はまた、Ａｓ、Ｐ、およびＳｂから選択され
たいずれかの元素をさらに含むことが好ましい。
【０００８】窒化物半導体発光素子は基板を含み、発光
層の両主面のうちでその基板に近い第１主面に接する第
１隣接半導体層と基板から遠い第２主面に接する第２隣
接半導体層とにおいて、少なくとも第２隣接半導体層は
少なくともＡｌを含む窒化物半導体からなることが好ま
しい。第１隣接半導体層または第２隣接半導体層と直接
接しているのは、量子井戸層であることが好ましい。
【０００９】障壁層のＡｌ含有量は５×１０18／ｃｍ3
以上であることが好ましい。障壁層において、Ｖ族元素
中のＡｓ含有量は７．５％以下、Ｐ含有量は１０％以
下、そしてＳｂ含有量は２．５％以下であることが好ま
しい。
【００１０】発光層は、２層以上で１０層以下の井戸層
を含んでいることが好ましい。量子井戸層は、０．４ｎ
ｍ以上で２０ｎｍ以下の厚さを有していることが好まし
い。障壁層は、１ｎｍ以上で２０ｎｍ以下の厚さを有し
ていることが好ましい。
【００１１】井戸層と障壁層の少なくとも一方は、Ｓ
ｉ、Ｏ、Ｓ、Ｃ、Ｇｅ、Ｚｎ、Ｃｄ、およびＭｇから選
択された少なくとも１種のドーパントが添加されている
ことが好ましい。そのようなドーパントの添加量は、１
×１０16〜１×１０20／ｃｍ3の範囲内にあることが好
ましい。
【００１２】窒化物半導体発光素子の基板材料として
は、ＧａＮが好ましく用いられ得る。以上のような窒化
物半導体発光素子は、光情報読出装置、光情報書込装
置、光ピックアップ装置、レーザプリンタ装置、プロジ
ェクタ装置、表示装置、白色光源装置などの種々の光学
装置において好ましく用いられ得るものである。
【００１３】
【発明の実施の形態】本発明の実施の形態のより具体的
な例として、種々の実施例が以下において説明される。
【００１４】一般に、窒化物半導体結晶層を成長させる
際には、ＧａＮ、サファイア、６Ｈ−ＳｉＣ、４Ｈ−Ｓ
ｉＣ、３Ｃ−ＳｉＣ、Ｓｉ、スピネル（ＭｇＡｌ2Ｏ4）
などが基板材料として用いられる。ＧａＮ基板と同様
に、窒化物半導体からなる他の基板をも用いることもで
き、たとえばＡｌxＧａyＩｎzＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ
≦１、０≦ｚ≦１、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）基板を用いること
もできる。窒化物半導体レーザの場合では、垂直横モー
ドの単峰化のためにはクラッド層よりも屈折率の低い層
がそのクラッド層の外側に接している必要があり、Ａｌ
ＧａＮ基板を用いることが好ましい。さらに、Ｓｉ、
Ｏ、Ｃｌ、Ｓ、Ｃ、Ｇｅ、Ｚｎ、Ｃｄ、Ｍｇ、またはＢ
ｅが基板にドーピングされてもよい。ｎ型窒化物半導体
基板のためには、これらのドーピング剤のうちでＳｉ、
Ｏ、およびＣｌが特に好ましい。
【００１５】以下の実施例においては上述のような基板
のうちで主にサファイア基板と窒化物半導体のＣ面｛０
００１｝基板について説明されるが、その基板の主面と
なる面方位としては、Ｃ面のほかに、Ａ面｛１１−２
０｝、Ｒ面｛１−１０２｝、またはＭ面｛１−１００｝
を用いてもよい。また、それらの面方位から２度以内の
オフ角度を有する基板であれば、その上に成長させられ
る半導体結晶層の表面モフォロジが良好になる。
【００１６】結晶層を成長させる方法としては、有機金
属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）、分子線エピタキシ法（Ｍ
ＢＥ）、ハイドライド気相成長法（ＨＶＰＥ）などが一
般的に利用される。これらの中でも、作製される窒化物
半導体層の結晶性や生産性を考慮すれば、基板としては
ＧａＮまたはサファイアを使用し、結晶成長方法として
はＭＯＣＶＤ法を利用するのが最も一般的である。
【００１７】（実施例１）以下において、本発明の実施
例１による窒化物半導体レーザダイオード素子が説明さ
れる。
【００１８】図１の模式的な断面図に示された実施例１
による窒化物半導体レーザダイオード素子は、Ｃ面（０
００１）サファイア基板１００、ＧａＮバッファ層１０
１、ｎ型ＧａＮコンタクト層１０２、ｎ型Ｉｎ0.07Ｇａ
0.93Ｎクラック防止層１０３、ｎ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎク
ラッド層１０４、ｎ型ＧａＮ光ガイド層１０５、発光層
１０６、ｐ型Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎ遮蔽層１０７、ｐ型Ｇａ
Ｎ光ガイド層１０８、ｐ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9クラッド層１
０９、ｐ型ＧａＮコンタクト層１１０、ｎ型電極１１
１、ｐ型電極１１２、およびＳｉＯ2誘電体膜１１３を
含んでいる。
【００１９】図１のレーザダイオード素子を作製する場
合、まずＭＯＣＶＤ装置内へサファイア基板１００をセ
ットし、Ｖ族元素のＮ用原料としてのＮＨ3（アンモニ
ア）とＩＩＩ族元素のＧａ用原料としてのＴＭＧａ（ト
リメチルガリウム）を利用して、比較的低い５５０℃の
基板温度の下でＧａＮバッファ層１０１を２５ｎｍの厚
さに成長させる。次に、上記のＮ用とＧａ用の原料に加
えてＳｉＨ4（シラン）をも利用して、１０５０℃の温
度の下でｎ型ＧａＮコンタクト層１０２（Ｓｉ不純物濃
度：１×１０18／ｃｍ3）を３μｍの厚さに成長させ
る。続いて、基板温度を７００℃ないし８００℃程度に
下げ、ＩＩＩ族元素のＩｎ用原料としてＴＭＩｎ（トリ
メチルインジウム）を利用して、ｎ型Ｉｎ0.07Ｇａ0.93
Ｎクラック防止層１０３を４０ｎｍの厚さに成長させ
る。再び基板温度を１０５０℃に上げて、ＩＩＩ族元素
のＡｌ用原料としてＴＭＡｌ（トリメチルアルミニウ
ム）を利用して厚さ０．８μｍのｎ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎ
クラッド層１０４（Ｓｉ不純物濃度：１×１０18／ｃｍ
3）を成長させ、続いてｎ型ＧａＮ光ガイド層１０５
（Ｓｉ不純物濃度：１×１０18／ｃｍ3）を０．１μｍ
の厚さに成長させる。
【００２０】その後、基板温度が８００℃に下げられ、
厚さ６ｎｍのＡｌ0.02Ｉｎ0.07Ｇａ 0.91Ｎ障壁層の複数
と厚さ４ｎｍのＧａＮ1-xＡｓx（ｘ＝０．０２）井戸層
の複数とが交互に積層された多重量子井戸構造を有する
発光層１０６を形成する。この実施例では、発光層１０
６は障壁層で開始して障壁層で終了する多重量子井戸構
造を有し、３層の量子井戸層を含んでいる。これらの障
壁層と井戸層の成長の際には、それらの両方が１×１０
18／ｃｍ3のＳｉ不純物濃度を有するように、ＳｉＨ4が
添加された。なお、障壁層と井戸層の成長の間または井
戸層と障壁層の成長の間に、１秒以上で１８０秒以下の
成長中断期間を挿入してもよい。こうすることによっ
て、障壁層と井戸層の平坦性が向上し、発光半値幅を小
さくすることができる。
【００２１】一般に、井戸層中においてＡｓ、Ｐ、また
はＳｂの含有量は、目的とする発光素子の発光波長に応
じて調節することができる。たとえば、青紫色の４１０
ｎｍ近傍の発光波長を得るためには、ＧａＮ1-xＡｓxの
場合にはｘ＝０．０２、ＧａＮ1-yＰyの場合にはｙ＝
０．０３、そしてＧａＮ1-zＳｂzの場合にはｚ＝０．０
１にすればよい。また、青色の４７０ｎｍ付近の発光波
長を得るためには、ＧａＮ1-xＡｓxの場合にはｘ＝０．
０３、ＧａＮ1-yＰyの場合にはｙ＝０．０６、そしてＧ
ａＮ1-zＳｂzの場合にはｚ＝０．０２にすればよい。さ
らに、緑色の５２０ｎｍ近傍の発光波長を得るために
は、ＧａＮ1-xＡｓxの場合にはｘ＝０．０５、ＧａＮ
1-yＰyの場合にはｙ＝０．０８、そしてＧａＮ1-zＳｂz
の場合にはｚ＝０．０３にすればよい。さらにまた、赤
色の６５０ｎｍ近傍の発光波長を得るためには、ＧａＮ
1-xＡｓxの場合にはｘ＝０．０７、ＧａＮ1-yＰyの場合
にはｙ＝０．１２、そしてＧａＮ1-zＳｂzの場合にはｚ
＝０．０４にすればよい。
【００２２】さらに、井戸層としてＩｎＧａＮＡｓ系ま
たはＩｎＧａＮＰ系の半導体を用いる場合に目的とする
発光波長を得るためには、Ｉｎの含有割合ｙに応じて、
表１または表２に示された数値を含有割合ｘの値として
採用すればよい。
【００２３】
【表１】
【００２４】
【表２】
【００２５】発光層１０６を形成した後には、基板を再
び１０５０℃まで昇温して、厚さ２０ｎｍのｐ型Ａｌ
0.2Ｇａ0.8Ｎ遮蔽層１０７、厚さ０．１μｍのｐ型Ｇａ
Ｎ光ガイド層１０８、厚さ０．５μｍのｐ型Ａｌ0.1Ｇ
ａ0.9Ｎクラッド層１０９、および厚さ０．１μｍのｐ
型ＧａＮコンタクト層１１０を順次成長させる。なお、
ｐ型不純物としては、ＥｔＣＰ2Ｍｇ（ビスエチルシク
ロペンタジエニルマグネシウム）を利用して５×１０19
〜２×１０20／ｃｍ3の濃度でＭｇが添加され得る。
【００２６】ｐ型ＧａＮコンタクト層１１０におけるｐ
型不純物濃度は、ｐ型電極１１２との接合面に近づくに
従って高められることが好ましい。そうすれば、ｐ型電
極との間のコンタクト抵抗がより低減され得る。また、
ｐ型層内におけるｐ型不純物であるＭｇの活性化を妨げ
る残留水素を除去するために、ｐ型層の成長中に微量の
酸素を混入させてもよい。
【００２７】ｐ型ＧａＮコンタクト層１１０の成長後、
ＭＯＣＶＤ装置のリアクタ内の全ガスを窒素キャリアガ
スとＮＨ3に代えて、６０℃／分の冷却速度で温度を降
下させる。基板温度が８００℃に低下した時点でＮＨ3
の供給を停止し、その８００℃の基板温度を５分間維持
してから室温まで冷却させる。なお、このような一時的
な基板の保持温度は６５０℃から９００℃の範囲内であ
ることが好ましく、保持時間は３分から１０分の範囲内
であることが好ましい。また、その保持温度から室温ま
での冷却速度は、３０℃／分以上であることが好まし
い。
【００２８】こうして形成された成長膜の表面をラマン
測定によって評価したところ、従来の窒化物半導体膜で
利用されているｐ型化アニールを行なわなくても、成長
直後において既にｐ型の特性を示していた。また、ｐ型
電極１１２を形成したときに、そのコンタクト抵抗も低
減していた。
【００２９】本発明におけるように発光層がＡｓ、Ｐ、
またはＳｂを含む場合、熱による発光層の損傷（相分離
による発光強度の低下と色斑の発生など）が生じやす
く、ＮＨ3以外の雰囲気中で発光層の成長温度より高い
温度で基板を保持することは発光強度の低下を招くので
好ましくない。したがって、上述のようにＭＯＣＶＤ装
置から基板を取出す過程でｐ型化を行なう手法は、基板
の取出後にｐ型化のためのアニールの省略を可能にし、
非常に有用なものである。なお、従来のｐ型化アニール
を省略しなければさらにＭｇの活性化率が向上するが、
その際には、発光層の損傷を考慮に入れて少なくとも発
光層の成長温度以下（約９００℃以下）においてアニー
ル時間を短く（１０分以下）する必要がある。他方、図
１（または図７または図９）に示されているように発光
層１０６（９０４）の側面（レーザダイオードの場合は
光射出端面を除く）を誘電体膜１１３（９１０）で覆っ
てからアニールすることによって発光層からの窒素また
はＡｓ（またはＰまたはＳｂ）の抜けを防止し、発光層
の相分離や偏析を抑制することができる。
【００３０】次に、ＭＯＣＶＤ装置から取出したエピタ
キシャルウェハをレーザダイオード素子に加工するプロ
セスについて説明する。
【００３１】まず、反応性イオンエッチング装置を用い
てｎ型ＧａＮコンタクト層１０２の一部を露出させ、こ
の露出部分上にＨｆ／Ａｕの順の積層からなるｎ型電極
１１１を形成する。このｎ型電極１１１の材料として
は、Ｔｉ／Ａｌ、Ｔｉ／Ｍｏ、Ｈｆ／Ａｌなどの積層を
用いることもできる。Ｈｆは、ｎ型電極のコンタクト抵
抗を下げるのに有効である。ｐ型電極部分では、サファ
イア基板１００の＜１−１００＞方向に沿ってストライ
プ状にエッチングを行ない、ＳｉＯ2誘電体膜１１３を
蒸着し、ｐ型ＧａＮコンタクト層１１０を露出させ、Ｐ
ｄ／Ａｕの順序の積層を蒸着し、こうして幅２μｍのリ
ッジストライプ状のｐ型電極１１２を形成する。このｐ
型電極の材料としては、Ｎｉ／Ａｕ、またはＰｄ／Ｍｏ
／Ａｕなどの積層を用いることもできる。
【００３２】最後に、劈開またはドライエッチングを利
用して、共振器長が５００μｍのファブリ・ペロー共振
器を作製する。この共振器長は、一般に３００μｍから
１０００μｍの範囲内にあることが好ましい。共振器の
ミラー端面は、サファイア基板のＭ面と一致するように
形成される（図２参照）。劈開とレーザ素子のチップ分
割は、図２中の破線２Ａと２Ｂに沿って基板側からスク
ライバを用いて行なわれる。こうすることによって、レ
ーザ端面の平面性が得られるとともにスクライブによる
削り滓がエピタキシャル層の表面に付着しないので、発
光素子の歩留りが良好になる。
【００３３】なお、レーザ共振器の帰還法としては、フ
ァブリ・ペロー型に限られず、一般に知られているＤＦ
Ｂ（分布帰還）型、ＤＢＲ（分布ブラグ反射）型なども
用い得ることはいうまでもない。
【００３４】ファブリ・ペロー共振器のミラー端面を形
成した後には、そのミラー端面にＳｉＯ2とＴｉＯ2の誘
電体膜を交互に蒸着し、７０％の反射率を有する誘電体
多層反射膜を形成する。この誘電体多層反射膜として
は、ＳｉＯ2／Ａｌ2Ｏ3などの多層膜を用いることもで
きる。
【００３５】なお、ｎ型ＧａＮコンタクト層１０２の一
部を反応性イオンエッチングを用いて露出させたのは、
絶縁性のサファイア基板１００が使用されているからで
ある。したがって、ＧａＮ基板またはＳｉＣ基板のよう
な導電性を有する基板を使用する場合には、ｎ型ＧａＮ
層１０２の一部を露出させる必要はなく、その導電性基
板の裏面上にｎ型電極を形成してもよい。また、上述の
実施例では基板側から複数のｎ型層、発光層、複数のｐ
型層の順に結晶成長させているが、逆に複数のｐ型層、
発光層、および複数のｎ型層の順に結晶成長させてもよ
い。
【００３６】次に、上述のようなレーザダイオードチッ
プをパッケージに実装する方法について述べる。まず、
上述のような発光層を含むレーザダイオードがその特性
を生かして高密度記録用光ディスクに適した青紫色（波
長４１０ｎｍ）の高出力（５０ｍＷ）レーザとして用い
られる場合、サファイア基板は熱伝導率が低いので、放
熱対策に注意を払わなければならない。たとえば、Ｉｎ
半田材を用いて半導体接合を下側にしてチップをパッケ
ージ本体に接続することが好ましい。また、パッケージ
本体やヒートシンク部に直接にチップを取付けるのでは
なくて、Ｓｉ、ＡｌＮ、ダイヤモンド、Ｍｏ、ＣｕＷ、
ＢＮなどの良好な熱伝導性を有するサブマウントを介し
て接合させてもよい。
【００３７】他方、熱伝導率の高いＳｉＣ基板、窒化物
半導体基板（たとえばＧａＮ基板）、またはＧａＮ厚膜
基板（たとえば図８に示す基板８００の種基板８０１を
研削除去したもの）上に前述の発光層を含む窒化物半導
体レーザダイオードを作製した場合には、たとえばＩｎ
半田材を用いて半導体接合を上側にしてパッケージ本体
に接続することが好ましい。この場合にも、パッケージ
本体やヒートシンク部に直接チップの基板を取付けるの
ではなくてＳｉ、ＡｌＮ、ダイヤモンド、Ｍｏ、Ｃｕ
Ｗ、ＢＮなどのサブマウントを介して接続してもよい。
【００３８】以上のようにして、発光層を構成している
井戸層にＡｓ（またはＰまたはＳｂ）を含む窒化物半導
体を用いたレーザダイオードを作製することができる。
【００３９】次に、上述の実施例のレーザダイオードに
含まれる発光層１０６に関連してさらに詳細に説明す
る。
【００４０】本発明のようにＡｓ、Ｐ、またはＳｂを含
む窒化物半導体の井戸層では現在実用化されているＩｎ
ＧａＮ井戸層に比べて電子とホールの有効質量が小さく
なるので、ＩｎＧａＮ層を用いた従来のレーザ発振しき
い値電流密度に比べてそのしきい値を低くすることがで
きる。このことによって、低消費電力でかつ高出力のレ
ーザ素子やその長寿命化の実現が可能となる。
【００４１】しかしながら、窒化物半導体結晶において
Ａｓ、Ｐ、またはＳｂの混晶比率が高くなれば、その結
晶中でＮの含有率の高い六方晶系とＮの含有率の低い立
方晶系（閃亜鉛鉱構造）に相分離を起こしてしまう。こ
れを抑制するためには、発光層を構成している井戸層と
障壁層とを適正化する必要がある。
【００４２】まず、井戸層は、７００℃以上で９００℃
以下の温度で成長させなければならない。なぜならば、
Ａｓ、Ｐ、またはＳｂを含む井戸層は、この成長温度範
囲から外れれば容易に相分離を生じてしまうからであ
る。
【００４３】また、井戸層の厚さは０．４〜２０ｎｍの
範囲内にあることが好ましい。なぜならば、井戸層中の
Ａｓ、Ｐ、またはＳｂの含有比率が低い場合に、たとえ
ば青紫色の波長帯域（４００ｎｍ前後）では、井戸層の
厚さが２０ｎｍ以下であれば相分離を起こしている領域
を３％以下に抑制することができるからである。また、
井戸層中のＡｓ、Ｐ、またはＳｂの含有比率が高い場合
には、たとえば赤色の波長帯域（６５０ｎｍ前後）で
は、井戸層の厚さが５ｎｍ以下であれば相分離を起こし
ている領域を３％以下に抑制することができる。他方、
井戸層の厚さが０．４ｎｍ以上であることを要するの
は、この厚さより薄ければ井戸層が発光領域として作用
しなくなるからである。
【００４４】次に、障壁層の適正化に関して、まず上記
の相分離現象をより的確に把握するために、ＧａＮＡｓ
井戸層／ＧａＮ障壁層の発光層を作製して、透過型電子
顕微鏡（ＴＥＭ）でその発光層の界面を観察した。その
結果、ＧａＮ層上のＧａＮＡｓ層との界面よりもＧａＮ
Ａｓ層上のＧａＮ層との界面において顕著な相分離が観
察された。また、井戸層と障壁層との積層数が増大する
に従ってこの傾向が顕著になり、エピタキシャル成長最
外表面に近い領域においては、発光層がほとんど相分離
を起こしていた。
【００４５】このような事実から、ＧａＮＡｓ井戸層の
相分離がその井戸層上に接する障壁層を介して次々と伝
播し、最外表面近傍で発光層全域が相分離を起こしてし
まったと考えられる。このことは、このような発光層で
は複数の井戸層と障壁層が交互に積層された多重量子井
戸構造を作製することが困難であることを示唆してい
る。また、ＧａＮＡｓ層上のＧａＮ層との界面において
相分離が顕著であったことからして、ＧａＮＡｓ層上に
ＧａＮ層が成長する際に、ＧａのＮに対する吸着率より
もＡｓに対する吸着率の方が高いであろうと考えられ
る。また、ＧａＮ結晶は、本来は１０００℃以上で成長
させることが好ましいが、井戸層の相分離を抑制するた
めには井戸層と同じ温度で成長させなければならず、Ｇ
ａＮの結晶性の低下がＧａとＡｓとの吸着率を高めてい
ると考えられる。さらに、発光層上にｐ型層を成長させ
る際にその温度を１０００℃以上に上げる必要がある
が、このような高温ではＧａＮＡｓ井戸層表面にＡｓ偏
析を生じやすく、井戸層と障壁層との界面におけるＡｓ
の内部拡散による相分離を誘発するものと考えられる。
【００４６】上述のような相分離は、ＧａＮＰ、ＧａＮ
Ｓｂ、ＧａＮＡｓＰＳｂ、ＩｎＧａＮＡｓ、ＩｎＧａＮ
Ｐ、ＩｎＧａＮＳｂ、またはＩｎＧａＮＡｓＰＳｂ等の
井戸層のように、Ａｓ、Ｐ、またはＳｂを含む他の窒化
物半導体井戸層においても同様に生じ得ることである。
ただし、少なくともＡｓ、Ｐ、またはＳｂを含みかつＡ
ｌをも含む井戸層は、後述の本発明による障壁層におけ
るのと同様の効果が得られ、井戸層として好ましく用い
られ得る。たとえば、ＡｌＩｎＧａＮＡｓ、ＡｌＩｎＧ
ａＮＰ、ＡｌＩｎＧａＮＳｂ、またはＡｌＩｎＧａＮＡ
ｓＰＳｂ等が井戸層として用いられ得る。
【００４７】井戸層の相分離を抑制するためには、Ａｌ
を含む窒化物半導体の障壁層が望まれる。Ａｌは気相反
応性が高いので、エピタキシャルウェハの表面に到達す
る前に、ほとんどがＡｌを含有する窒化物半導体結晶核
となってそのウェハ表面上に堆積する。そして、Ａｌは
化学的結合力が強いので、Ａｓ、Ｐ、またはＳｂを含む
井戸層上にその安定な障壁層を積層しても、Ａｓ（また
はＰまたはＳｂ）との結合による再結晶化を生じること
がない。また、安定な障壁層は、井戸層中からのＡｓ
（またはＰまたはＳｂ）やＮの抜けを防止するようにも
作用し得る。
【００４８】さらに、ｐ型層を積層するために基板温度
を井戸層の成長温度より高い温度（１０００℃以上）に
上げても、Ａｌを含有する窒化物半導体結晶は安定に存
在し得るので、Ａｓ（またはＰまたはＳｂ）の偏析によ
る障壁層内への拡散が生じにくい。したがって、Ａｌを
含有する障壁層は１つの井戸層の相分離の影響が他の井
戸層に伝播することを防止するように作用し得る。すな
わち、Ａｌを含有する障壁層を利用することによって、
多重量子井戸構造の作製が可能になる。
【００４９】しかし、Ａｌを含有する窒化物半導体結晶
は、一般に成長温度を（９００℃以上に）上げなければ
結晶性が悪くなる。しかし、Ａｓ、Ｐ、Ｓｂ、またはＩ
ｎのいずれかの元素をその障壁層中に添加することによ
り、その障壁層の成長温度を井戸層の成長温度と同程度
まで下げることができる。これによって、障壁層の高い
成長温度に起因する発光層中の相分離を防止するととも
に、障壁層の結晶性を良好にすることができる。このよ
うな障壁層中のＶ族元素におけるＡｓ、Ｐ、またはＳｂ
のそれぞれの含有量としては、Ａｓの場合には７．５％
以下、Ｐの場合には１０％以下、そしてＳｂの場合には
２．５％以下であることが好ましい。これは、Ａｌを含
む障壁層であってもＡｓ、Ｐ、またはＳｂの含有量が多
くなりすぎれば、相分離が生じ始めるからである。ま
た、障壁層中のＩＩＩ族元素におけるＩｎの含有量は１
５％以下であればよい。なぜならば、障壁層がＡｌを含
有しているので、Ｉｎが１５％以下であれば従来のＩｎ
ＧａＮでは観察された相分離がほとんど見られないから
である。
【００５０】また、Ａｌと、Ａｓ、Ｐ、またはＳｂとの
元素を含有する障壁層中に、さらにＩｎが添加されても
よい。なぜならば、Ｉｎを含有すれば障壁層中のエネル
ギバンドギャップが小さくなるので、Ａｓ、Ｐ、または
Ｓｂの含有量を小さくすることができるからである。
【００５１】障壁層の厚さについては、１ｎｍ以上で２
０ｎｍ以下であることが好ましい。多重量子井戸構造に
よるサブバンドを構成するためには、障壁層の厚さは井
戸層に比べて同等か薄い方が好ましいが、井戸層の相分
離の影響を遮蔽するためには井戸層に比べて同等か少し
厚い方が好ましい。
【００５２】発光層の不純物の添加に関しては、本実施
例では井戸層と障壁層の両方に不純物としてＳｉＨ
4（Ｓｉ）を添加したが、片方の層のみに添加してもよ
いし、両層ともに添加されなくてもレーザ発振は可能で
ある。しかし、フォトルミネッセンス（ＰＬ）測定によ
れば、井戸層と障壁層との両方にＳｉＨ4を添加した場
合に、添加しない場合に比べてＰＬ発光強度が約１．２
倍から１．４倍程度強くなった。このことから、発光ダ
イオードにおいては、発光層中にＳｉＨ4（Ｓｉ）など
の不純物を添加する方が好ましい。本発明の井戸層を構
成しているのはＡｓ、Ｐ、またはＳｂを含む混晶系であ
るので、その井戸層中にＩｎが含まれていても、Ａｓ、
ＰおよびＳｂを全く含まないＩｎＧａＮ結晶に比べて、
Ｉｎによる局在準位を形成しにくいので、発光強度は井
戸層の結晶性に強く依存すると考えられる。したがっ
て、Ｓｉなどの不純物を添加することによって発光層の
結晶性を向上させる必要がある。すなわち、このような
不純物によって結晶成長のための核を生成し、その核を
もとにして井戸層が結晶成長することによってその結晶
性が向上する。本実施例ではＳｉ（ＳｉＨ4）を１×１
０18／ｃｍ3の濃度で添加したが、Ｓｉ以外にＯ、Ｓ、
Ｃ、Ｇｅ、Ｚｎ、Ｃｄ、Ｍｇなどを添加しても同様の効
果が得られる。また、これらの添加原子の濃度は約１×
１０16〜１×１０20／ｃｍ3程度が好ましい。
【００５３】一般に、レーザダイオードの場合には、障
壁層のみに不純物を添加する変調ドープを行なえば、井
戸層内でのキャリア吸収がないためにしきい値電流密度
が低下するが、むしろ本発明の井戸層においては不純物
を添加した方がレーザのしきい値が低かった。これは、
本実施例においては窒化物半導体基板と異なるサファイ
ア基板から出発して結晶成長を進めているので、結晶欠
陥が多く（貫通転位密度が約１×１０10／ｃｍ2）、井
戸層内での不純物によるキャリア吸収を考慮するよりも
不純物を添加して結晶性を向上させた方がレーザしきい
値電流密度の低減に有効であったと考えられる。
【００５４】図３において、発光層（多重量子井戸構
造）に含まれる井戸層の数とレーザしきい値電流密度と
の関係が示されている。すなわち、このグラフの横軸は
井戸層の数を表わし、縦軸はしきい値電流密度（ｋＡ／
ｃｍ2）を表わしている。また、○印はサファイア基板
を用いた場合のレーザしきい値電流密度を表わし、●印
はＧａＮ基板を用いた場合を表わしている。図３からわ
かるように、井戸層数が１０層以下のときにしきい値電
流密度が１０ｋＡ／ｃｍ2以下になり、室温連続発振が
可能となる。また、発振しきい値電流密度をさらに低減
するためには、井戸層数が２層以上で５層以下であるこ
とが好ましい。さらに、サファイア基板よりもＧａＮ基
板を用いた場合にしきい値電流密度が低くなることがわ
かる。
【００５５】発光層１０６上には、ｐ型ＡｌＧａＮ遮蔽
層１０７とｐ型層１０８がこの順に積層するように設け
られている。このｐ型層１０８は、レーザダイオードの
場合にはｐ型光ガイド層に対応するが、発光ダイオード
の場合にはｐ型クラッド層またはｐ型コンタクト層に対
応する。
【００５６】ＰＬ測定によれば、遮蔽層１０７がない場
合とある場合との比較では、遮蔽層がある場合の方が設
計発光波長からのシフト量が小さくてＰＬ発光強度も強
かった。上述のレーザダイオードの発光層に関連して述
べたように、発光層１０６に比べてその上のｐ型層１０
８の成長温度は高いので発光層の相分離を促すように作
用する。しかし、発光層とその上のｐ型層との間に接す
る界面にＡｌを含有する遮蔽層１０７を設けることによ
って、発光層の相分離を抑制しかつＡｓ、Ｐ、またはＳ
ｂを含有する発光層１０６からの影響（相分離など）が
ｐ型層１０８へ伝播することをも防止し得ると考えられ
る。特に、多重量子井戸構造を有する発光層１０６が井
戸層で開始して井戸層で終了する図４（ｂ）の構造を有
する場合に、遮蔽層１０７の効果が顕著に認められた。
【００５７】以上のことから、遮蔽層１０７は、少なく
ともＡｌを含有していることが重要である。また、遮蔽
層の極性はｐ型であることが好ましい。なぜならば、遮
蔽層がｐ型でなければ発光層近傍のｐｎ接合の位置が変
化して発光効率が低下するからである。
【００５８】上述の場合と同様に、ｎ型ＡｌＧａＮ遮蔽
層を発光層１０６とｎ型層１０５との間に接するように
設けてもよい。このｎ型層１０５は、レーザダイオード
の場合にはｎ型光ガイド層に相当するが、発光ダイオー
ドの場合にはｎ型クラッド層またはｎ型コンタクト層に
相当する。そのようなｎ型ＡｌＧａＮ遮蔽層の効果は、
ｐ型ＡｌＧａＮ遮蔽層１０７とほぼ同様である。
【００５９】次に、発光層のバンドギャップ構造に関し
ては、図６において従来のバンドギャップ構造（特開平
１０−２７０８０４）が示され、図４（ａ）において本
実施例のバンドギャップ構造が示されている。図６にお
ける従来のバンドギャップ構造では、クラッド層がＡｌ
ＧａＮ、光ガイド層がＧａＮ、障壁層がＧａＮ、そして
井戸層がＧａＮＡｓで構成されていて、光ガイド層と障
壁層が同一の窒化物半導体材料であるので、それらのエ
ネルギバンドギャップと屈折率も同じである。したがっ
て、この場合にはサブバンドによる多重量子井戸効果を
得にくく、レーザダイオードの場合には利得の減少（し
きい値電流密度の増加）を招き、発光ダイオードの場合
には波長の半値幅の増加（色斑の原因）を招く。また、
ＡｌＧａＮクラッド層／ＧａＮ光ガイド層の場合には、
もともと互いの屈折率差が小さくて障壁層もＧａＮで構
成されているので光閉込め効果が小さく、垂直横モード
の特性が良好ではない。
【００６０】そこで、本実施例においては、図４（ａ）
に示されているように、光ガイド層に比べて障壁層のエ
ネルギバンドギャップが小さくされる。これによって、
図６に示された従来例に比べてサブバンドによる多重量
子井戸効果が得やすくなり、かつ光ガイド層よりも障壁
層の屈折率が大きくなって光閉じ込め効果が向上し、垂
直横モードの特性（単峰化）が改善される。特に、障壁
層がＡｓ、Ｐ、またはＳｂを含有している場合に、その
屈折率が大きくなる傾向が顕著であって好ましい。
【００６１】上述のように光ガイド層に比べて障壁層の
エネルギバンドギャップを小さくする発光層の構成は、
図４（ａ）と（ｂ）に示されているように２種類が可能
である。すなわち、多重量子井戸構造を有する発光層が
障壁層で始まって障壁層で終わる構成と井戸層で始まっ
て井戸層で終わる構成のいずれであってもよい。また、
遮蔽層を用いない場合の発光層のバンドギャップ構造
は、図５（ａ）と（ｂ）に示された状態になる。
【００６２】（実施例２）実施例２では、実施例１で述
べられた多重量子井戸構造を有する発光層中の井戸層と
障壁層の窒化物半導体材料が種々に変えられた。これら
の井戸層と障壁層の窒化物半導体材料の組合せが表３に
示されている。
【００６３】
【表３】
【００６４】表３において、△印はあまり好ましくない
井戸層と障壁層の窒化物半導体材料の組合せを示し、◎
印は好ましい組合せを示している。なお、表３中でＡｌ
ＧａＮ障壁層のみがあまり好ましくないのは、以下の理
由からである。すなわち、前述のように、本発明の井戸
層の成長温度が７００℃以上９００℃以下でなければそ
の井戸層内で結晶系の異なる相分離が生じてしまう。と
ころが、ＡｌＧａＮ障壁層の適正な成長温度は少なくと
も９００℃以上であるので、その障壁層をその適正成長
温度で成長させれば、井戸層内で相分離が生じてしま
う。他方、井戸層に適正な成長温度（７００℃以上９０
０℃以下）で障壁層を成長させれば、その場合にはＡｌ
ＧａＮ障壁層の結晶性が低下してしまって好ましくな
い。唯一、ＡｌＧａＮ障壁層と井戸層の両方に適する成
長温度は９００℃しかなく、結晶成長範囲が狭く制御性
に乏しいからである。
【００６５】表３において、井戸層はＡｓ、Ｐ、または
Ｓｂのいずれかの元素を含んでいるが、これらの複数種
の元素を含んでいてもよい。すなわち、ＸＧａＮ
1-x-y-zＡｓxＰyＳｂz（０≦ｘ≦０．１５、０≦ｙ≦
０．２、０≦ｚ≦０．０５、ｘ＋ｙ＋ｚ＞０）の混晶で
あってもよく、ここでＸは１種以上のＩＩＩ族元素を表
わす。なお、これらの窒化物半導体材料を利用した発光
層に関するその他の条件は、実施例１の場合と同様であ
る。
【００６６】（実施例３）図７に示された実施例３にお
いては、実施例１で用いられたサファイア基板１００の
代わりに主面としてＣ面（｛０００１｝面）を有するｎ
型ＧａＮ基板７００が用いられた。ＧａＮ基板を用いる
場合、ＧａＮバッファ層１０１を省略してｎ型ＧａＮ層
１０２を直接ＧａＮ基板上に成長させてもよい。しか
し、現在商業的に入手可能なＧａＮ基板はその結晶性や
表面モホロジーが十分に良好ではないので、これらの改
善のためにＧａＮバッファ層１０１を挿入する方が好ま
しい。
【００６７】この実施例３ではｎ型ＧａＮ基板７００を
用いているので、ｎ型電極１１１はＧａＮ基板７００の
裏面に形成することができる。また、ＧａＮ基板は劈開
端面が非常に平滑であるので、共振器長が３００μｍの
ファブリ・ペロー共振器を低いミラー損失で作製するこ
とができる。なお、実施例１の場合と同様に、共振器長
は、一般に３００μｍから１０００μｍの範囲内にある
ことが好ましい。共振器のミラー端面は、ＧａＮ基板７
００の｛１−１００｝面に対応するように形成される。
また、レーザ素子の劈開とチップ分割は、前述の図２の
場合と同様に基板側からスクライバによって行なわれ
る。さらに、レーザ共振器の帰還手法として、前述のＤ
ＦＢやＴＢＲを用いることももちろん可能であり、さら
にミラー端面に実施例１の場合と同様の誘電多層反射膜
が形成されてもよいことも言うまでもない。
【００６８】サファイア基板の代わりにＧａＮ基板を用
いることによって、エピタキシャルウェハ中にクラック
を生じることなく、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層１０４と
ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１０９の厚さを大きくするこ
とができる。好ましくは、これらのＡｌＧａＮクラッド
層の厚さは、０．８〜１．０μｍの範囲内に設定され
る。これによって、垂直横モードの単峰化と光閉じ込め
効率が改善され、レーザ素子の光学特性の向上とレーザ
しきい値電流密度の低減を図ることができる。
【００６９】ところで、前述のように本発明による発光
層に含まれる井戸層の特性はその井戸層の結晶性（結晶
欠陥）に強く依存するので、本実施例におけるようにＧ
ａＮ基板を用いて該井戸層を含む窒化物半導体レーザダ
イオード素子を作製すれば、その発光層中の結晶欠陥密
度（たとえば貫通転位密度）が低減され、サファイア基
板が用いられた実施例１に比べてレーザ発振しきい値電
流密度が１０％から２０％だけ低減する（図３参照）。
【００７０】なお、本実施例における発光層に関するそ
の他の条件については、実施例１の場合と同様である。
ただし、発光層中の不純物濃度に関しては、障壁層中の
みに不純物を添加する変調ドープ、または井戸層に３×
１０18／ｃｍ3以下の濃度の不純物を添加することによ
って、レーザしきい値電流密度が実施例１に比べて低減
した。これは、前述のように発光層の結晶性がサファイ
ア基板を用いた場合に比べて向上したためであると考え
られる。
【００７１】（実施例４）実施例４は、実施例１のサフ
ァイア基板１００を図８に示された基板８００に置き換
えたことを除いて、実施例１または実施例３と同様であ
る。図８の基板８００は、順次積層された種基板８０
１、バッファ層８０２、ｎ型ＧａＮ膜８０３、誘電体膜
８０４、およびｎ型ＧａＮ厚膜８０５を含んでいる。
【００７２】このような基板８００の作製においては、
まず、種基板８０１上にＭＯＣＶＤ法によって５５０℃
の比較的低温でバッファ層８０２を積層する。その上
に、１０５０℃の温度においてＳｉをドーピングしなが
ら厚さ１μｍのｎ型ＧａＮ膜８０３が形成される。
【００７３】ｎ型ＧａＮ膜８０３の形成されたウェハを
ＭＯＣＶＤ装置から取出し、スパッタ法、ＣＶＤ法、ま
たはＥＢ蒸着法を利用して誘電体膜８０４を厚さ１００
ｎｍに形成し、リソグラフィ技術を用いてその誘電体膜
８０４が周期的なストライプ状パターンに加工される。
これらのストライプはｎ型ＧａＮ膜８０３の＜１−１０
０＞方向に沿っており、この方向に直交する方向の＜１
１−２０＞方向に１０μｍの周期的ピッチと５μｍのス
トライプ幅とを有している。
【００７４】次に、ストライプ状に加工された誘電体膜
８０４が形成されたウェハがＨＶＰＥ装置内にセットさ
れ、１×１０18／ｃｍ3のＳｉ濃度と３５０μｍの厚さ
を有するｎ型ＧａＮ厚膜８０５が１１００℃の成長温度
において堆積される。
【００７５】ｎ型ＧａＮ厚膜８０５が形成されたウェハ
はＨＶＰＥ装置から取出され、その上に実施例１（図１
参照）と同様のレーザダイオードが作製された。ただ
し、この実施例４においては、レーザダイオードのリッ
ジストライプ部分１Ａが図８のライン８１０と８１１の
直上に位置しないように作製された。これは、貫通転位
密度（すなわち結晶欠陥密度）の少ない部分にレーザ素
子を作製するためである。このようにして作製された実
施例４のレーザダイオードの特性は、基本的に実施例３
の場合と同様であった。
【００７６】なお、基板８００は、研磨機で種基板８０
１を除去した後にレーザダイオード用基板として用いら
れてもよい。また、基板８００はバッファ層８０２以下
のすべての層を研磨機で除去した後にレーザダイオード
基板として用いられてもよい。さらに、基板８００は、
誘電体膜８０４以下のすべての層を研磨機で除去した後
にレーザダイオード用基板として用いられもよい。種基
板８０１が除去される場合、実施例３の場合と同様に、
その基板の裏面上にｎ型電極１１１を形成することがで
きる。なお、種基板８０１は、レーザダイオードが作製
された後に除去することも可能である。
【００７７】上記の基板８００の作製において、種基板
８０１としては、Ｃ面サファイア、Ｍ面サファイア、Ａ
面サファイア、Ｒ面サファイア、ＧａＡｓ、ＺｎＯ、Ｍ
ｇＯ、スピネル、Ｇｅ、Ｓｉ、６Ｈ−ＳｉＣ、４Ｈ−Ｓ
ｉＣ、３Ｃ−ＳｉＣなどのいずれが用いられてもよい。
バッファ層８０２としては、４５０℃から６００℃の比
較的低温で成長させられたＧａＮ層、ＡｌＮ層、Ａｌx
Ｇａ1-xＮ（０＜ｘ＜１）層、またはＩｎyＧａ1-yＮ
（０＜ｙ≦１）層のいずれが用いられてもよい。ｎ型Ｇ
ａＮ膜８０３の代わりとして、ｎ型ＡｌzＧａ1-zＮ（０
＜ｚ＜１）膜が用いられ得る。誘電体膜８０４として
は、ＳｉＯ2膜、ＳｉＮx膜、ＴｉＯ2膜、またはＡｌ2Ｏ
3膜のいずれが用いられてもよい。ｎ型ＧａＮ厚膜８０
５の代わりとして、ｎ型ＡｌwＧａ1-wＮ（０＜ｗ≦１）
厚膜であってもよく、その膜厚は２０μｍ以上であれば
よい。
【００７８】（実施例５）実施例５においては、実施例
１の光ガイド層の材料が種々変えられた。実施例１では
ｎ型光ガイド層１０５とｐ型光ガイド層１０８の両方が
ＧａＮで形成されていたが、それらのＧａＮ層の窒素原
子の一部がＡｓ、Ｐ、またはＳｂのいずれかの元素で置
換されてもよい。すなわち、ＧａＮ1-x-y-zＡｓxＰyＳ
ｂz（０≦ｘ≦０．０７５、０≦ｙ≦０．１、０≦ｚ≦
０．０２５、ｘ＋ｙ＋ｚ＞０）の光ガイド層を用いるこ
とができる。
【００７９】従来のＡｌＧａＮクラッド層／ＧａＮ光ガ
イド層では、たとえクラッド層中のＡｌ含有量を増大さ
せたとしても、これらの互いの層の屈折率差が小さく、
逆に格子不整合が増加してクラックの発生や結晶性の低
下を招く。他方、ＡｌＧａＮクラッド層とＧａＮＡｓＰ
Ｓｂ光ガイド層との組合せの場合、Ａｓ、Ｐ、またはＳ
ｂによるバンドギャップにおける非常に大きなボウイン
グ効果のために、従来に比べてわずかな格子不整合でエ
ネルギギャップ差が大きくなるとともに屈折率差も大き
くなる。このことによって、窒化物半導体レーザダイオ
ード素子においてレーザ光を効率よく閉じ込めることが
でき、垂直横モード特性（単峰化）が向上する。
【００８０】ＧａＮ1-x-y-zＡｓxＰyＳｂz（０≦ｘ≦
０．０７５、０≦ｙ≦０．１、０≦ｚ≦０．０２５、ｘ
＋ｙ＋ｚ＞０）光ガイド層における組成比率に関して
は、その光ガイド層が発光層中の障壁層に比べてエネル
ギバンドギャップが大きくなるようにｘ、ｙ、およびｚ
の組成比を調整すればよい。たとえば、青紫色レーザ
（波長４１０ｎｍ）素子中のＧａＮ1-xＡｓx光ガイド層
の場合にはＡｓの組成比率ｘが０．０２以下、ＧａＮ
1-yＰy光ガイド層の場合にはＰの組成比率ｙが０．０３
以下、そしてＧａＮ1-zＳｂz光ガイド層の場合にはＳｂ
の組成比率ｚが０．０１以下に調整される。なお、この
実施例５における発光層に関する他の条件は、実施例１
の場合と同様である。
【００８１】（実施例６）実施例６は、窒化物半導体発
光ダイオード素子に関するものである。図９において、
この実施例６の窒化物半導体発光ダイオード素子の模式
的な縦断面図（ａ）と上面図（ｂ）が示されている。
【００８２】図９（ａ）の発光ダイオード素子は、Ｃ面
（０００１）サファイア基板９００、ＧａＮバッファ層
９０１（膜厚３０ｎｍ）、ｎ型ＧａＮ層コンタクト９０
２（膜厚３μｍ、Ｓｉ不純物濃度１×１０18／ｃ
ｍ3）、ｎ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎ遮蔽層兼クラッド層９０
３（膜厚２０ｎｍ、Ｓｉ不純物濃度１×１０18／ｃ
ｍ3）、発光層９０４、ｐ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎ遮蔽層兼
クラッド層９０５（膜厚２０ｎｍ、Ｍｇ不純物濃度６×
１０19／ｃｍ3）、ｐ型ＧａＮコンタクト層９０６（膜
厚２００ｎｍ、Ｍｇ不純物濃度１×１０20／ｃｍ3）、
透光性ｐ型電極９０７、パッド電極９０８、ｎ型電極９
０９、および誘電体膜９１０を含んでいる。
【００８３】ただし、このような発光ダイオード素子に
おいて、ｎ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎ遮蔽層兼クラッド層９０
３は省略されてもよい。また、ｐ型電極９０７はＮｉま
たはＰｄで形成され、パッド電極９０８はＡｕで形成さ
れ、そしてｎ型電極９０９はＨｆ／Ａｕ、Ｔｉ／Ａｌ、
Ｔｉ／Ｍｏ、またはＨｆ／Ａｌの積層体で形成され得
る。
【００８４】この実施例の発光層においては、井戸層と
障壁層のそれぞれにＳｉＨ4（Ｓｉ不純物濃度５×１０
17／ｃｍ3）が添加されている。なお、これらの井戸層
と障壁層の窒化物半導体材料については、実施例１の場
合と同様である。また、サファイア基板９００の代わり
にＧａＮ基板を用いた場合は実施例３と同様の効果が得
られ、図８に示す基板を用いた場合には実施例４と同様
の効果が得られる。さらに、ＧａＮ基板は導電性基板で
あるので、図９（ｂ）のように発光素子の片面側にｐ型
電極９０７とｎ型電極９０９の両方を形成してもよい
し、ＧａＮ基板の裏面上にｎ型電極を形成してエピタキ
シャル最外表面上に透光性ｐ型電極を形成してもよい。
【００８５】なお、この実施例６における発光層９０４
に含まれる井戸層と障壁層に関する条件は、実施例１の
場合と同様である。
【００８６】図１０においては、発光ダイオード素子の
発光層に含まれる井戸層数と発光強度の関係が示されて
いる。すなわち、このグラフにおいて横軸は井戸層数を
表わし、縦軸は発光強度（ａｒｂ．ｕｎｉｔｓ：規格化
された任意単位）を表わしている。すなわち、図１０に
おいて、発光ダイオードの発光強度は、ＧａＮＰ井戸層
（ＧａＮＡｓ井戸層またはＧａＮＳｂ井戸層でもよい）
の代わりに従来のＩｎＧａＮ井戸層を用いた場合を基準
（破線）にして規格化されて示されている。また、グラ
フ中の○印はサファイア基板を用いた場合の発光強度を
示し、●印はＧａＮ基板を用いた場合の発光強度を示し
ている。このグラフから、発光ダイオードに含まれる井
戸層の好ましい数は２層以上で１０層以下であることが
わかる。また、サファイア基板よりもＧａＮ基板を用い
た場合に発光強度が向上することがわかる。
【００８７】（実施例７）実施例７は、窒化物半導体ス
ーパールミネッセントダイオード素子に関するものであ
る。この発光素子における構成や結晶成長方法は実施例
１の場合と同様である。なお、サファイア基板の代わり
にＧａＮ基板を用いた場合には実施例３と同様の効果が
得られ、図８に示された基板を用いた場合には実施例４
と同様の効果が得られる。また、発光層に含まれる井戸
層数と発光強度との関係については、実施例６の場合と
同様である。
【００８８】（実施例８）実施例８においては、実施例
１、３、４、６、および７における発光層中の井戸層と
障壁層に不純物Ｓｉの代わりに１×１０20／ｃｍ3のＣ
が添加された。このように、井戸層と障壁層において不
純物Ｓｉの代わりにＣを用いた場合にも同様の効果が得
られた。
【００８９】（実施例９）実施例９においては、実施例
１、３、４、６、および７における発光層中の井戸層と
障壁層に不純物としてＳｉの代わりに１×１０16／ｃｍ
3のＭｇが添加された。このように、井戸層と障壁層に
おいて不純物としてＳｉの代わりにＭｇを用いた場合に
も同様の効果が得られた。
【００９０】（実施例１０）実施例１０においては、実
施例１、３、４、６、および７における発光層に含まれ
る井戸層と障壁層が５周期のＧａＮ0.98Ｐ0.02井戸層
（厚さ２ｎｍ）／Ａｌ 0.01Ｉｎ0.06Ｇａ0.93Ｎ障壁層
（厚さ４ｎｍ）に変更されたが、それぞれの実施例と同
様の効果が得られた。
【００９１】（実施例１１）実施例１１においては、実
施例１、３、４、６、および７の発光層に含まれる井戸
層と障壁層が１０周期のＧａＮ0.95Ｓｂ0.05井戸層（厚
さ０．４ｎｍ）／ＧａＮ障壁層（厚さ１ｎｍ、Ａｌ濃度
５×１０18／ｃｍ3）に変えられたことのみにおいてそ
れぞれの実施例と異なっていた。これらの実施例１１に
よる発光素子と従来の発光素子についてＰＬ測定を行な
ったところ、全くＡｌを含まないＧａＮ障壁層を含む従
来の素子では発光層中の相分離に起因する複数の発光波
長ピークが観察されたが、実施例１１による素子では１
つの発光波長ピークのみが観察された。このことから、
実施例１１における発光素子では、発光層中の相分離が
抑制されたものと考えられる。
【００９２】（実施例１２）実施例１２においては、実
施例１、３、４、６、および７における発光層に含まれ
る井戸層と障壁層が２周期のＧａＮ0.97Ａｓ0.03井戸層
（厚さ６ｎｍ）／Ｉｎ0.04Ａｌ0.02Ｇａ0.94Ｎ0.99Ｐ
0.01障壁層（厚さ６ｎｍ）に変更されたが、それぞれの
実施例と同様の効果が得られた。
【００９３】（実施例１３）実施例１３においては、実
施例１、３、４、６、および７における発光層に含まれ
る井戸層と障壁層が４周期のＧａＮ0.98Ａｓ0.02井戸層
（厚さ４ｎｍ）／Ａｌ0.01Ｇａ0.99Ｎ0.99Ａｓ0.01障壁
層（厚さ１０ｎｍ）に変えられたが、それぞれの実施例
と同様の効果が得られた。
【００９４】（実施例１４）実施例１４においては、実
施例１、３、４、６、および７における発光層に含まれ
る井戸層と障壁層が３周期のＧａＮ0.97Ｐ0.03井戸層
（厚さ１８ｎｍ）／Ａｌ0.01Ｇａ0.99Ｎ0.98Ｐ0.02障壁
層（厚さ２０ｎｍ）に変えられたが、それぞれの実施例
と同様な効果が得られた。
【００９５】（実施例１５）実施例１５においては、実
施例１、３、４、６、および７における発光層に含まれ
る井戸層と障壁層が３周期のＧａＮ0.97Ｐ0.03井戸層
（厚さ５ｎｍ）／Ａｌ 0.1Ｇａ0.9Ｎ0.94Ｐ0.06障壁層
（厚さ５ｎｍ）に変えられたが、それぞれの実施例と同
様な効果が得られた。
【００９６】（実施例１６）実施例１６においては、実
施例１、３、４、６、および７における発光層に含まれ
る井戸層と障壁層が３周期のＩｎ0.05Ｇａ0.95Ｎ0.98Ｐ
0.02井戸層（厚さ４ｎｍ）／Ａｌ0.01Ｉｎ0.06Ｇａ0.93
Ｎ障壁層（８ｎｍ）に代えられたが、それぞれの実施例
と同様な効果が得られた。
【００９７】（実施例１７）実施例１７においては、実
施例１、３、４、６、および７における発光層に含まれ
る井戸層と障壁層が５周期のＩｎ0.1Ｇａ0.9Ｎ0.94Ａｓ
0.06井戸層（２ｎｍ）／Ａｌ0.01Ｉｎ0.06Ｇａ0.93Ｎ障
壁層（４ｎｍ）に代えられたが、それぞれの実施例と同
様な効果が得られた。
【００９８】（実施例１８）実施例１８においては、実
施例１、３、４、６、および７における発光層に含まれ
る井戸層と障壁層が５周期のＡｌ0.01Ｉｎ0.1Ｇａ0.89
Ｎ0.94Ａｓ0.06井戸層（２ｎｍ）／Ａｌ0.01Ｉｎ0.06Ｇ
ａ0.93Ｎ障壁層（４ｎｍ）に代えられたが、それぞれの
実施例と同様な効果が得られた。
【００９９】（実施例１９）実施例１９においては、実
施例１、３、４、６、および７における発光層に含まれ
る井戸層と障壁層が３周期のＡｌ0.01Ｉｎ0.05Ｇａ0.94
Ｎ0.96Ｐ0.04井戸層（４ｎｍ）／Ａｌ0.01Ｉｎ0.06Ｇａ
0.93Ｎ障壁層（８ｎｍ）に代えられたが、それぞれの実
施例と同様な効果が得られた。
【０１００】（実施例２０）実施例２０においては、実
施例１から５による窒化物半導体レーザを利用した光学
装置が作製された。本発明によるたとえば青紫色（４０
０〜４１０ｎｍの発光波長）窒化物半導体レーザを利用
した光学装置では、従来の窒化物半導体レーザに比べて
レーザ発振しきい値電流密度が低くて、レーザ光中の自
然放出光が減少してノイズ光も低減する。また、そのよ
うなレーザ素子は高出力（５０ｍＷ）でかつ高温雰囲気
中で安定して動作し得るので、高密度記録再生用光ディ
スクの記録再生用光学装置に適している。
【０１０１】図１１において、本発明によるレーザ素子
１を含む光学装置の一例として、光ピックアップ装置２
を含む光ディスク情報記録再生装置が模式的なブロック
図で示されている。この光学情報記録再生装置におい
て、レーザ光３は入力情報に応じて光変調器４で変調さ
れ、走査ミラー５およびレンズ６を介してディスク７上
に記録される。ディスク７は、モータ８によって回転さ
せられる。再生時にはディスク７上のピット配列によっ
て光学的に変調された反射レーザ光がビームスプリッタ
９を通して検出器１０で検出され、これによって再生信
号が得られる。これらの各要素の動作は、制御回路１１
によって制御される。レーザ素子１の出力については、
通常は記録時に３０ｍＷであり、再生時には５ｍＷ程度
である。
【０１０２】本発明によるレーザ素子は上述のような光
ディスク記録再生装置に利用され得るのみならず、レー
ザプリンタ、光の三原色（青色、緑色、赤色）レーザダ
イオードによるプロジェクタなどに利用し得る。
【０１０３】（実施例２１）実施例２１においては、実
施例６と７による窒化物半導体発光ダイオードが光学装
置に利用された。一例として、本発明による発光層を用
いた光の三原色（赤色、緑色、青色）による発光ダイオ
ードまたはスーパールミネッセントダイオードを含む白
色光源を作製することができ、またそれらの三原色を用
いたディスプレイを作製することもできた。
【０１０４】従来の液晶ディスプレイに用いられていた
ハロゲン光源に代わってこのような本発明による発光素
子を利用した白色光源を用いることによって、低消費電
力でかつ高輝度のバックライトを得ることができる。す
なわち、本発明の発光素子を利用した白色光源は、携帯
ノートパソコン、携帯電話などによるマン・マシンイン
ターフェイスの液晶ディスプレイ用バックライトとして
利用でき、小型化されかつ高鮮明な液晶ディスプレイを
提供することが可能になる。
【０１０５】なお、本発明におけるＸＮ1-x-y-zＡｓxＰ
yＳｂz井戸層は、ｘ≦０．１５、ｙ≦０．２、およびｚ
≦０．０５の条件を満たさなければならない。なぜなら
ば、この条件を満たさなければその井戸層の結晶性が悪
化するためである。
【０１０６】
【発明の効果】以上のように、本発明によれば、複数の
量子井戸層と複数の障壁層とが交互に積層された多重量
子井戸構造を有する発光層を含む窒化物半導体発光素子
において、その量子井戸層をＸＮ1-x-y-zＡｓxＰyＳｂz
（０≦ｘ≦０．１５、０≦ｙ≦０．２、０≦ｚ≦０．０
５、ｘ＋ｙ＋ｚ＞０）で形成しかつ障壁層にＡｌを含有
させることにより、井戸層の相分離を抑制してその発光
素子の発光効率を向上させることができる。なお、ここ
でＸは１種以上のＩＩＩ族元素を表わしている。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施例による窒化物半導体レーザ素
子の構造を示す模式的な断面図である。
【図２】 実施例によるレーザ素子のチップ分割を説明
するための模式的な上面図である。
【図３】 レーザ素子の井戸層数としきい値電流密度と
の関係を示すグラフである。
【図４】 実施例による発光素子中のエネルギバンドギ
ャップ構造を模式的に示す図である。
【図５】 実施例による発光素子中のエネルギバンドギ
ャップ構造の他の例を模式的に示す図である。
【図６】 従来の発光素子中のエネルギバンドギャップ
構造を模式的に示す図である。
【図７】 実施例として窒化物半導体基板を用いたレー
ザ素子の構造を示す模式的な断面図である。
【図８】 本発明による発光素子において利用され得る
窒化物半導体厚膜基板を示す模式的な断面図である。
【図９】 （ａ）は本発明による発光ダイオード素子の
一例を示す模式的な断面図であり、（ｂ）は（ａ）のダ
イオード素子に対応する模式的な上面図である。
【図１０】 本発明による発光ダイオード素子の井戸層
数と発光強度との関係を示すグラフである。
【図１１】 本発明による発光素子が用いられた光学装
置の一例としての光ディスク記録再生装置を示す模式的
なブロック図である。
【符号の説明】
１００，９００ サファイア基板、１０１，９０１ Ｇ
ａＮバッファ層、１０２，９０２ ｎ型ＧａＮ層、１０
３ ｎ型Ｉｎ0.07Ｇａ0.93Ｎクラック防止層、１０４
ｎ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎクラッド層、１０５ ｎ型ＧａＮ
光ガイド層、１０６，９０４ 発光層、１０７ ｐ型Ａ
ｌ0.2Ｇａ0.8Ｎ遮蔽層、１０８ ｐ型ＧａＮ光ガイド
層、１０９ ｐ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎクラッド層、１１
０，９０６ｐ型ＧａＮコンタクト層、１１１，９０９
ｎ型電極、１１２ ｐ型電極、１１３ ＳｉＯ2誘電体
膜、７００ ｎ型ＧａＮ基板、８００ 基板、８０１
種基板、８０２ バッファ層、８０３ ｎ型ＧａＮ膜、
８０４，９１０ 誘電体膜、８０５ ｎ型ＧａＮ厚膜、
９０３ ｎ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎ遮蔽層兼クラッド層、９
０５ ｐ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎ遮蔽層兼クラッド層、９０
７ 透光性ｐ型電極、９０８ パッド電極、１Ａ リッ
ジストライプ部、２Ａ 劈開面、２Ｂ チップ分割面、
１ レーザ素子、２ 光ピックアップ、３ レーザ光、
４ 光変調器、５ 走査ミラー、６ レンズ、７ ディ
スク、８ モータ、９ ビームスプリッタ、１０ 光検
出器、１１ 制御回路。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 伊藤 茂稔 大阪府大阪市阿倍野区長池町22番22号 シ ャープ株式会社内 Ｆターム(参考） 5F041 CA04 CA05 CA33 CA34 CA40 CA46 CA53 CA54 CA56 CA57 CA65 CA73 FF01 FF11 FF13 FF14 5F073 AA13 AA51 AA55 AA74 BA06 CA07 CA24 CB05 CB07 CB10 CB22 DA05 DA25 EA29

Claims (14)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 複数の量子井戸層と複数の障壁層とが交
    互に積層された多重量子井戸構造を有する発光層を含
    み、 前記量子井戸層はＸＮ1-x-y-zＡｓxＰyＳｂz（０≦ｘ≦
    ０．１５、０≦ｙ≦０．２、０≦ｚ≦０．０５、ｘ＋ｙ
    ＋ｚ＞０）からなり、ここでＸは１種以上のＩＩＩ族元
    素であり、 前記障壁層は少なくともＡｌを含む窒化物半導体層から
    なることを特徴とする窒化物半導体発光素子。
  2. 【請求項２】 前記障壁層はさらにＩｎを含むことを特
    徴とする請求項１に記載の窒化物半導体発光素子。
  3. 【請求項３】 前記障壁層はＡｓ、Ｐ、およびＳｂから
    選択されたいずれかの元素をさらに含むことを特徴とす
    る請求項１または２に記載の窒化物半導体発光素子。
  4. 【請求項４】 前記窒化物半導体発光素子に含まれる複
    数の半導体層を成長させるための基板を含み、前記発光
    層の両主面のうちで前記基板に近い第１主面に接する第
    １隣接半導体層と前記基板から遠い第２主面に接する第
    ２隣接半導体層とにおいて、少なくとも前記第２隣接半
    導体層は少なくともＡｌを含む窒化物半導体からなるこ
    とを特徴とする請求項１から３のいずれかの項に記載の
    窒化物半導体発光素子。
  5. 【請求項５】 前記第１隣接半導体層または前記第２隣
    接半導体層と直接接しているのは前記井戸層であること
    を特徴とする請求項４に記載の窒化物半導体発光素子。
  6. 【請求項６】 前記障壁層のＡｌ含有量が５×１０18／
    ｃｍ3以上であることを特徴とする請求項１に記載の窒
    化物半導体発光素子。
  7. 【請求項７】 前記障壁層において、Ｖ族元素中のＡｓ
    含有量は７．５％以下、Ｐ含有量は１０％以下、そして
    Ｓｂ含有量は２．５％以下であることを特徴とする請求
    項３に記載の窒化物半導体発光素子。
  8. 【請求項８】 前記発光層は２層以上で１０層以下の前
    記井戸層を含んでいることを特徴とする請求項１から４
    のいずれかの項に記載の窒化物半導体発光素子。
  9. 【請求項９】 前記井戸層は０．４ｎｍ以上で２０ｎｍ
    以下の厚さを有していることを特徴とする請求項１から
    ３のいずれかの項に記載の窒化物半導体発光素子。
  10. 【請求項１０】 前記障壁層は１ｎｍ以上で２０ｎｍ以
    下の厚さを有していることを特徴とする請求項１から３
    のいずれかの項に記載の窒化物半導体発光素子。
  11. 【請求項１１】 前記井戸層と前記障壁層の少なくとも
    一方は、Ｓｉ、Ｏ、Ｓ、Ｃ、Ｇｅ、Ｚｎ、Ｃｄ、および
    Ｍｇから選択された少なくとも１種のドーパントが添加
    されていることを特徴とする請求項１から３のいずれか
    の項に記載の窒化物半導体発光素子。
  12. 【請求項１２】 前記ドーパントの添加量は１×１０16
    〜１×１０20／ｃｍ 3の範囲内にあることを特徴とする
    請求項１１に記載の窒化物半導体発光素子。
  13. 【請求項１３】 前記発光素子はＧａＮ基板を利用して
    形成されていることを特徴とする請求項１から１２のい
    ずれかの項に記載の窒化物半導体発光素子。
  14. 【請求項１４】 請求項１から１３のいずれかの項に記
    載された前記窒化物半導体発光素子を含むことを特徴と
    する光学装置。
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