JP2004356256A - 窒化物半導体発光素子及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】発光効率の向上と発振閾値電流密度が十分に低い窒化物半導体発光素子を提供することである。
【解決手段】窒化物半導体発光素子は、ｎ型窒化物半導体からなる第１層１００〜１０３とｐ型窒化物半導体からなる第２層１０５〜１０８との間に、窒化物半導体からなる障壁層と不純物を含まないＩｎＧａＮからなる井戸層とを有する量子井戸構造の発光層１０４を設け、さらに、障壁層と井戸層の間にＩｎＧａＮからなる中間層を設けて、障壁層、井戸層、及び中間層のＩｎ組成比がそれぞれ異なる構成とする。
【選択図】 図３

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、窒化物半導体レーザ素子、発光ダイオード、スーパールミネッセントダイオード等の発光素子及びその製造方法と、該発光素子を備えた光学装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、窒化物半導体素子の構造として、Ｓｉ等のｎ型不純物を含まないＩｎ_０．１５Ｇａ_０．８５Ｎからなる４ｎｍの井戸層とｎ型不純物としてＳｉを含むＩｎ_０．０２Ｇａ_０．９８Ｎからなる１０ｎｍの障壁層とが積層された多重量子井戸構造の発光層を有する素子が、非特許文献１で開示されている。
【０００３】
図５は、従来の多重量子井戸構造である発光層のバンドダイヤグラムを示す図である。図５に示された発光層は、不純物がドーピングされていないＩｎＧａＮ層からなる井戸層と、ｎ型の不純物としてＳｉが添加され、井戸層よりＩｎ組成の低いＩｎＧａＮ層からなる障壁層とで構成される。
【０００４】
【非特許文献１】
ＪＰＮ．Ｊ．ＡＰＰｌ．Ｐｈｙｓ．Ｖｏｌ．３９（２０００）ＰＰ．Ｌ６４７−Ｌ６５０
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、非特許文献１に開示されている窒化物半導体レーザ素子には、発光効率（本明細書においては発光強度で比較している）が低く、また発振閾値電流密度も高いという課題がある。
【０００６】
本発明は、上記の問題点に鑑み、発光効率の向上と発振閾値電流密度が十分に低い窒化物半導体発光素子を提供することを目的とする。また、その窒化物半導体発光素子の製造方法を提供することも目的とする。更に、その窒化物半導体発光素子を備えた光学装置を提供することも目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために本発明は、ｎ型窒化物半導体からなる第１層とｐ型窒化物半導体からなる第２層との間に、窒化物半導体からなる障壁層と不純物を含まないＩｎＧａＮからなる井戸層とを有する量子井戸構造の発光層を形成した窒化物半導体発光素子において、前記障壁層と井戸層の間にＩｎＧａＮからなる中間層を設け、前記障壁層、井戸層、及び中間層のＩｎ組成比がそれぞれ異なることにより、発光効率の向上と低閾値電流密度化が可能となる。
【０００８】
なお、前記中間層の一主面は、前記第１層側の障壁層の一主面と接することが望ましい。また、前記障壁層は、不純物を含まないＩｎＧａＮ、又はｎ型の不純物を含むＧａＮを用いることができる。
【０００９】
また上記の窒化物半導体発光素子において、前記中間層のＩｎ組成比は、前記障壁層と井戸層のＩｎ組成比の間の値であることが望ましい。そして、前記中間層の層厚は、前記井戸層の層厚以下であることが望ましい。
【００１０】
また、前記障壁層の層厚は４ｎｍ以上１２ｎｍ以下で、前記井戸層の層厚は、２ｎｍ以上７ｎｍ以下であることが望ましい。
【００１１】
また、前記中間層はＩｎ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０＜ｘ≦０．１）であり、且つ前記井戸層はＩｎ_ｙＧａ_１−ｙＮ（ｘ＜ｙ≦０．１８）とすることができる。
【００１２】
また、前記第１層、第２層、又は発光層に、Ａｓ又はＰの何れかを含むことができる。
【００１３】
また、上記の窒化物半導体発光素子はそれを備えた光学装置に好適に用いることができる。
【００１４】
そして、上記の窒化物半導体発光素子の障壁層を積層する工程の成長温度は、前記中間層を積層する工程の成長温度以上、且つ該成長温度より高温側に１５０℃以内の温度とすることが望ましい。
【００１５】
【発明の実施の形態】
本明細書で述べる発光層は、特に説明がない限り複数の井戸層と複数の障壁層から構成された多重量子井戸構造を有する。その多重量子井戸は、井戸層／障壁層／井戸層／障壁層・・・／井戸層のように井戸層で始まって井戸層で終了する構造であっても良いし、障壁層／井戸層／障壁層／井戸層・・・／障壁層のように障壁層で始まって障壁層で終了する構造であっても構わない。
【００１６】
〈実施形態１〉
本実施形態は、ｎ型窒化物半導体からなる第１層とｐ型窒化物半導体からなる第２層との間に、窒化物半導体からなる障壁層と実質的に不純物を含まないＩｎＧａＮからなる井戸層とが積層された多重量子井戸構造の発光層を有する窒化物半導体レーザ素子において、井戸層と障壁層の間に、井戸層と障壁層との間のＩｎ組成比をもつＩｎＧａＮ中間層を含み、中間層の一主面が、第１層側の障壁層の一主面と接することによって、発光効率の向上と発振閾値電流密度の低減を図るものである。
【００１７】
図１は、実施形態１の発光層のバンドダイヤグラムの一例を示す図である。この窒化物半導体レーザ素子は、アンドープのＩｎＧａＮ層からなる井戸層と、井戸層の第２層側の一主面と接したｎ型ＧａＮからなる障壁層と、井戸層の第１層側の一主面と接した中間層とで構成される。この中間層は、井戸層および障壁層のいずれのＩｎ組成比とも異なるアンドープのＩｎＧａＮ層よりなる。
【００１８】
また、図２は実施形態１の発光層のバンドダイヤグラムの他の例を示す図である。この窒化物半導体レーザ素子は、アンドープのＩｎＧａＮ層からなる井戸層と、井戸層の第１層側及び第２層側のいずれの主面とも直接接しないｎ型ＧａＮからなる障壁層と、井戸層の第１層側及び第２層側双方の主面と接する中間層とで構成される。この中間層は、井戸層および障壁層のいずれのＩｎ組成比とも異なるアンドープのＩｎＧａＮ層よりなる。
【００１９】
従来例である図５の窒化物半導体レーザ素子と本発明の図１及び図２の窒化物半導体レーザ素子を個別に作製した。本発明の窒化物半導体レーザ素子の製造方法は以下の実施形態２で詳細に述べる。
【００２０】
従来及び本発明の窒化物半導体レーザ素子の、ＬＥＤモードにおけるＥＬ発光強度を注入電流密度が０．６７ｋＡ／ｃｍ^２の条件で測定したところ、本発明の窒化物半導体レーザ素子のＥＬ発光強度は、従来のそれと比較して強いことがわかった。任意単位の強度で比較すると、従来例の素子で１３．６の発光強度であったのに対して、本発明の素子は図１又は図２のいずれの構造であっても２２．３の発光強度を示した。従来の素子に対して、本発明の素子は発光強度が１．６倍に向上していることがわかる。この測定結果は、同じ注入電流密度であるため、それぞれの活性層（発光層）の発光効率を直接反映していると考えられ、本発明の素子は従来の素子に比べて発光効率が向上しているといえる。
【００２１】
また、本発明者らによる他の実験結果によると、図５で示された従来の素子の障壁層をｎ型ＩｎＧａＮ層からｎ型ＧａＮ層に変更しても、そのＥＬ発光強度は殆ど同じであった。これらの実験結果から、窒化物半導体レーザ素子の発光効率を向上させるための一つの重要な手段として、発光層に用いられる障壁層が少なくともＩｎＧａＮ層（但し、井戸層のＩｎ組成比と異なる）か、あるいは、ＧａＮ層であって、さらに、障壁層と井戸層の間に中間層が必要であることがわかる。
【００２２】
本発明の発光層の構造を用いることによって、窒化物半導体レーザ素子の発光強度（発光効率）が向上する理由は、今だ明確になっていないが、本発明者らは、障壁層の形成後に連続して井戸層を形成する場合、それぞれの層の結晶組成が大きく異なっているため、障壁層の上に積層された井戸層の結晶性が劣化するのではないかと推測している。
【００２３】
一般に、ＩｎＧａＮは、その組成として含まれるＩｎが凝集して層内で組成不均一を起こし易い。この組成不均一は、下層から伝搬した欠陥上で特に生じやすい傾向にある。そのため、従来例のように、組成差の大きい障壁層と井戸層を連続的に接して積層した場合、Ｉｎ組成の高い井戸層中に組成不均一が生じ、発光効率を低下させると考えられる。
【００２４】
しかし、図１に示すように、障壁層と井戸層の間に、それぞれの間のＩｎ組成比を有する中間層を挿入することで、下層から伝搬する欠陥が中間層で遮断され、井戸層まで伝わる欠陥が減少してＩｎ組成比の高い井戸層中でＩｎの凝集による組成不均一が低減され、発光効率が向上すると考えられる。さらに、図２に示すように、井戸層から見て第１層側及び第２層側双方の障壁層との間にそれぞれの間のＩｎ組成比を有する中間層を挿入することにより、中間層による欠陥の遮断がより一層促進され、井戸層に伝わる欠陥がさらに減少することが期待される。
【００２５】
また、実施形態２において詳細に述べるように、窒化物半導体レーザ素子においては、発光層の上に近接して比較的Ａｌ組成比の高い（１５％以上４０％未満）ｐ型ＡｌＧａＮ蒸発防止層が積層されている。本発明の障壁層の構造を有することによって、この蒸発防止層からの歪が適度に緩和されるのではないかと思われる。
【００２６】
〈障壁層および中間層への不純物のドーピング〉
障壁層および中間層には、不純物がドーピングされてもされなくても構わないが、本発明者らの実験結果によれば、障壁層および中間層に全く不純物がドーピングされなかった場合、窒化物半導体レーザ素子のＥＬ発光強度は非常に弱かった。これは、井戸層に注入されるキャリアの密度が不十分なためではないかと考えている。従って、少なくとも障壁層および中間層として用いるＩｎＧａＮあるいはＧａＮには不純物をドーピングすることが好ましい。
【００２７】
さらに好ましくは、障壁層と中間層の構成が、ｎ型の不純物であるＳｉがドーピングされたＧａＮ層と実質的に不純物を含まないＩｎＧａＮ層の組み合わせであった。これは、障壁層に不純物が存在しないことによって、障壁層内での自由キャリアによる散乱を低減し内部損失が増大するのを防いで閾値電流密度を低くすることができるからである。また、ＧａＮ障壁層は、ＩｎＧａＮからなる井戸層や中間層より高い成長温度帯域（井戸層の成長温度に対して＋１５０℃以内）で成長することによって、結晶性を改善することが可能となる。ｎ型不純物としてドーピングされるＳｉの濃度は、１×１０^１７〜５×１０^１８ｃｍ^−３が好ましい。
【００２８】
窒化物半導体レーザ素子の低閾値電流密度化において、井戸層は実質的に不純物を含まないＩｎＧａＮから構成されることが好ましい。これは、井戸層内での自由キャリアによる散乱を低減し内部損失が増大するのを防いで閾値電流密度を低くするためである。
【００２９】
〈障壁層に係わる製造方法について〉
発光層の製造方法において、障壁層であるＧａＮ層は、同じ中間層であるＩｎＧａＮと同じ成長温度（７００℃〜８３０℃）か、それよりも１５０℃以内の高い温度で成長させることが好ましい。ＩｎＧａＮ層の成長温度よりも１５０℃を超えた高い成長温度でＧａＮ層を成長させると、ＧａＮ層の結晶性はより向上するものの、繰り返し積層された障壁層より下方の井戸層および中間層が熱によるダメージを受けて結晶性が悪化するためである。逆に、ＩｎＧａＮ層の成長温度よりも低い成長温度でＧａＮ層を成長させると、井戸層あるいは中間層であるＩｎＧａＮの熱ダメージは減少するが、障壁層であるＧａＮの結晶性悪化が顕著となり、着目している障壁層より上方に繰り返し積層する中間層あるいは井戸層の結晶性を悪化させ、Ｉｎ組成比の不均一を招くため好ましくない。
【００３０】
〈発光層の層厚について〉
上述のように、窒化物半導体レーザ素子における発光効率向上と閾値電流密度低減のため、障壁層は、中間層および井戸層の結晶性を悪化させずに且つＧａＮ層の結晶性も損なわない範囲の温度で成長させる必要がある。障壁層のみを考慮すると、その層厚は、ＩｎＧａＮ中間層の全層厚と等しいかそれよりも薄いことが好ましい。すなわち、成長する温度をできるだけ高くして結晶性を確保しつつ、井戸層および中間層の熱ダメージを押さえるため、高温に保たれる障壁層成長時間を短くして障壁層を薄くする。これにより、発光層全体の結晶性を上げることができる。
【００３１】
具体的には、障壁層は５ｎｍ以上１２ｎｍ以下の厚さであることが好ましい。障壁層が５ｎｍよりも薄くなると、それより下方に成長済みの井戸層への熱的ダメージは軽減されるものの、バンド構造の傾きが弱くなるために、却って発光効率を低下させることになる。逆に、障壁層の厚みが１２ｎｍよりも厚くなると、それより下方に成長済みの井戸層への熱的ダメージが顕著になり、欠陥の減少効果よりも熱的なダメージの影響を受けて、発光効率の低下と閾値電流密度の増大を招く。
【００３２】
また、実質的に不純物がドーピングされていないＩｎＧａＮ層からなる井戸層の厚みは、２ｎｍ以上７ｎｍ以下が好ましい。井戸層の厚みが２ｎｍよりも薄くなると、井戸層内部に形成される量子準位が高くなり、キャリアが井戸層の外へ染み出して発光効率が低下する。逆に、井戸層の厚みが７ｎｍよりも厚くなると、中間層により、伝搬を阻止された下方からの欠陥に加えて、本質的に凝集し易い性質を持つＩｎにより、井戸層自体から新たな欠陥が生じ、発光効率の低下を招く。
【００３３】
〈発光層のＩｎ組成比〉
中間層を含む複数層または単層の井戸層と障壁層からなる多重量子井戸あるいは単一量子井戸構造の発光層は、次に述べるＩｎＧａＮ層を用いることができる。
【００３４】
中間層のＩｎ組成比は、Ｉｎ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０＜ｘ≦０．１）とすることができる。特に好ましいＩｎ組成比は、０＜ｘ≦０．０５である。この範囲のＩｎ組成比とすることで、中間層を用い、且つ前述した障壁層厚さの範囲内において、井戸層の結晶性を向上させることが可能となる。
【００３５】
また、井戸層の組成比は目的とする素子の発振波長に合せてＩｎ_ｙＧａ_１−ｙＮ（ｘ＜ｙ≦０．１８）の範囲とすることができる。さらに、ｘ＜ｙ≦０．１となるＩｎ組成比が好ましい。本発明の発光層は従来例と比較して、障壁層と井戸層の間に中間層を有し、発光層全体の平均Ｉｎ組成比が高くなる傾向にあり、従来例に沿った設計では長波長化するため、井戸層のＩｎ組成比を低くする必要がある。従来例では高いＩｎ組成比が必要であった井戸層のＩｎを減らすことができる本発明の活性層は、本質的に、Ｉｎが凝集し難い特徴を有している。このことと中間層の効果により、さらにＩｎ凝集を押さえて発光効率の低下を防止し、閾値電流密度を低くすることができる。また、Ｉｎ組成が低いことで、井戸層の結晶成長温度を従来に比べて高く設定することができ発光層全体の結晶性が向上する。
【００３６】
〈窒化物半導体レーザ素子構造へのＡｓまたはＰの添加〉
窒化物半導体レーザ素子構造に結晶組成としてＡｓを添加する場合は、ＡｓＨ_３（アルシン）又はＴＢＡｓ（ターシャリブチルアルシン）を、同様にＰを添加する場合は、ＰＨ_３（ホスフィン）またはＴＢＰ（ターシャリブチルホスフィン）を、それぞれ用いることができる。また、窒化物半導体のＮ原料として、ＮＨ_３以外にジメチルヒドラジンを用いることもできる。
【００３７】
窒化物半導体レーザ素子構造中に添加されるＡｓまたはＰの組成比は、対象の窒化物半導体層を構成する元素群の総和をＸとし、同じく或る窒化物半導体層に含有されたＮ元素の組成比をＹとするとき、ＸはＹよりも小さく、Ｘ／（Ｘ＋Ｙ）は０．３（３０％）以下であり、特に０．１５（１５％）以下であることが好ましい。また、元素群の総和の下限値は、１×１０^１８／ｃｍ^３以上である。
【００３８】
元素群の総和の組成比Ｘが１５％よりも高くなると、窒化物半導体層内の特定の領域ごとに元素の組成比の異なる相分離が生じる可能性が高くなり好ましくない。さらに元素群の総和の組成比Ｘが３０％よりも高くなると、前記の相分離から六方晶系と立方晶系が混在する結晶系分離に移行し易くなり、結晶性の低下を招く。一方、元素群の総和の添加量が１×１０^１８／ｃｍ^３よりも小さくなると、例えば下記で述べる発光層に上記の元素群が含有されたことによる効果が得られにくくなる。
【００３９】
ＡｓおよびＰの元素群のうち少なくとも何れかの元素が、本発明の窒化物半導体レーザ素子の発光層に添加されると、発光層の電子と正孔の有効質量を小さく、また電子と正孔の移動度を大きくすることができる。前者は少ない電流注入量でレーザ発振のためのキャリア反転分布が得られることを意味し、後者は発光層で電子とホールが発光再結合によって消滅しても新たに電子・ホールが拡散により高速に注入されることを意味する。即ち、発光層にＡｓおよびＰの元素群のうち何れも含有しないＩｎＧａＮ系窒化物半導体レーザ素子と比べて、さらに閾値電流密度が低く、自励発振特性の優れた（雑音特性に優れた）半導体レーザ素子を作製することができる。
【００４０】
また、ＡｓおよびＰの元素群のうち少なくとも何れかの元素は、上記の発光層以外の層、例えば、光ガイド層、クラッド層、コンタクト層およびクラック防止層にも用いることができる。
【００４１】
〈実施形態２〉
実施形態２は、図１で説明した多重量子井戸構造の発光層を含む窒化物半導体レーザ素子である。実施形態２で用いられる各種の構成やそのパラメータ等は適宜実施形態１と同様に変更することができる。
【００４２】
図３は実施形態２の窒化物半導体レーザ素子の断面図である。窒化物半導体レーザ素子は、（０００１）面ｎ型ＧａＮ基板１００、ｎ型ＧａＮ層１０１、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層１０２、ｎ型ＧａＮ光ガイド層１０３、発光層１０４、ｐ型ＡｌＧａＮキャリアブロック層１０５、ｐ型ＧａＮ光ガイド層１０６、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１０７、ｐ型ＧａＮコンタクト層１０８、ｎ電極１０９、ｐ電極１１０およびＳｉＯ_２誘電体膜１１１から構成されている。
【００４３】
まず、有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）装置を用いてｎ型ＧａＮ基板１００上に素子構造を順次積層する。Ｖ族原料としてＮＨ_３を、ＩＩＩ族原料としてＴＭＧａ（トリメチルガリウム）またはＴＥＧａ（トリエチルガリウム）を用い、ｎ型不純物としてＳｉＨ_４を用いて、１０５０℃にてｎ型ＧａＮ層１０１の下地層を１μｍ形成する。このｎ型ＧａＮ層１０１はｎ型ＧａＮ基板１００の表面モフォロジーの改善と研磨によるＧａＮ基板表面に残留した応力歪みを緩和させてエピタキシャル成長に相応しい最表面を形成するためのものである。
【００４４】
次に、ＩＩＩ族原料としてＴＭＡｌ（トリメチルアルミニウム）またはＴＥＡｌ（トリエチルアルミニウム）を追加して、１．２μｍ厚のｎ型ＡｌＧａＮクラッド層１０２（Ｓｉ不純物濃度１×１０^１８／ｃｍ^３）を成長させ、続いてｎ型ＧａＮ光ガイド層１０３（Ｓｉ不純物濃度１×１０^１８／ｃｍ^３）を０．１μｍ成長させる。ここで、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層１０２のＡｌ組成比は０．０７とした。
【００４５】
その後、基板温度を８００℃に安定させ、厚さ４ｎｍでＳｉがドーピングされたＧａＮ障壁層（Ｓｉ不純物濃度は１×１０^１８／ｃｍ^３）、厚さ４ｎｍでアンドープのＩｎ_０．０５Ｇａ_０．９５Ｎ中間層および厚さ４ｎｍでアンドープのＩｎ_０．１５Ｇａ_０．８５Ｎ井戸層を１周期とした３周期の多重量子井戸活性層を交互に積層し、最後にＧａＮ障壁層を積層した発光層１０４を形成する。その際、障壁層の厚さとして、好ましくは４ｎｍであるが、４ｎｍから１２ｎｍの範囲であれば、なんら差し支えない。
【００４６】
次に、基板温度を１０５０℃として安定させ、厚さ２０ｎｍのｐ型ＡｌＧａＮキャリアブロック層１０５、厚さ０．１μｍのｐ型ＧａＮ光ガイド層１０６、厚さ０．５μｍのｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１０７および厚さ０．１μｍのｐ型ＧａＮコンタクト層１０８を順次成長させる。ここで、ｐ型ＡｌＧａＮキャリアブロック層１０５のＡｌ組成比は０．３、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１０７のＡｌ組成比は０．１とした。また、ｐ型不純物としてＭｇ（ＥｔＣＰ_２Ｍｇ：ビスエチルシクロペンタジエニルマグネシウム）を用いた。
【００４７】
続いて、成長が完了したウエハーをＭＯＣＶＤ装置より取り出し、電極を形成する。ｎ電極１０９は、ウエハーの裏面にＨｆ／Ａｌの順序で形成し、ｎ電極１０９にｎ型電極パッドとしてＡｕを蒸着する。ｎ電極材料としては、他に、Ｔｉ／Ａｌ、Ｔｉ／ＭｏやＨｆ／Ａｕ等を用いることができる。
【００４８】
ｐ電極１１０はストライプ状にエッチングし、リッジストライプ構造とする。リッジストライプの幅は１．７μｍとした。その後、ＳｉＯ_２誘電体膜１１１を２００ｎｍ蒸着し、ｐ型ＧａＮコンタクト層１０８が露出するように加工し、ｐ電極１１０としてＰｄ（１５ｎｍ）／Ｍｏ（１５ｎｍ）／Ａｕ（２００ｎｍ）を順に蒸着し、素子が完成する。
【００４９】
〈実施形態３〉
実施形態３は、図２で説明した多重量子井戸構造の発光層を含む窒化物半導体レーザ素子である。実施形態３で用いられる各種の構成やそのパラメータ等は適宜実施形態１と同様に変更することができる。
【００５０】
実施形態２と同様に、有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）装置を用いてｎ型ＧａＮ基板１００上に素子構造を順次積層する。実施形態２と異なる点は、基板温度を８００℃に安定させ、厚さ４ｎｍでＳｉがドーピングされたＧａＮ障壁層（Ｓｉ不純物濃度は１×１０^１８／ｃｍ^３）、厚さ４ｎｍでアンドープのＩｎ_０．０５Ｇａ_０．９５Ｎ中間層、厚さ４ｎｍでアンドープのＩＮ_０．１５Ｇａ_０．８５Ｎ井戸層および厚さ４ｎｍでアンドープのＩｎ_０．０５Ｇａ_０．９５Ｎ中間層を１周期とした３周期の多重量子井戸活性層を交互に積層し、最後にＧａＮ障壁層を積層した発光層１０４を形成する点である。その際、障壁層の厚さとして、好ましくは４ｎｍであるが、４ｎｍから１２ｎｍの範囲であれば、なんら差し支えない。
【００５１】
実施形態２又は実施形態３の窒化物半導体レーザ素子には、ｎ型ＧａＮ層１０１とｎ型ＡｌＧａＮクラッド層１０２との間にクラック防止層を挿入することができる。クラック防止層として、実施形態１で述べた、ＧａＮＰ、ＧａＮＡｓ、ＧａＮＰ／ＧａＮ超格子およびＧａＮＡｓ／ＧａＮ超格子を用いることができる。クラック防止層を挿入することにより、主としてＡｌＧａＮからなるクラッド層に生じるクラックを防止することが可能となる。
【００５２】
なお実施形態２又は実施形態３において、井戸層は３周期に限らず、１０周期以下であれば閾値電流密度を低く保つことができ、室温連続発振が可能であった。
【００５３】
発明者らの知見によれば、発光層１０４のｐ型窒化物半導体層側の最外層である障壁層とｐ型ＡｌＧａＮキャリアブロック層１０５との間に厚さ７ｎｍ以上３５ｎｍ以下のアンドープＩｎＧａＮ層またはアンドープＧａＮ層またはアンドープＡｌＧａＮ層またはＳｉドープＧａＮ層またはＳｉドープＡｌＧａＮ層を挿入すると、閾値電流密度がより低減して好ましい。
【００５４】
ｐ型ＡｌＧａＮキャリアブロック層１０５のＡｌ組成比が高いことにより結晶性が低下し、転位等の結晶欠陥を発生させ、その欠陥を介したスパイク拡散によりＭｇが発光層に侵入するモデルを考える。このモデルによれば、前記のいずれかの層を挿入することによって、ｐ型層からのスパイク拡散でＭｇが発光層に侵入することを防止することができる。また、これらの層を挿入することによって、ｐ−ｎジャンクションの位置を固定することができるため、製造歩留まりを向上させることが可能となる。なお、ｐ型ＡｌＧａＮキャリアブロック層１０５のＡｌ組成は０．３以外であっても差し支えない。
【００５５】
また、ｎ型ＧａＮ光ガイド層１０３とｐ型ＧａＮ光ガイド層１０６は、その層に実施形態１で述べたＡｓまたはＰが結晶組成として添加されても差し支えない。ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層１０２とｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１０７のＡｌ組成は、上記以外であっても構わないし、ＧａＮ／ＡｌＧａＮからなる超格子を用いても構わない。また、実施形態１で述べたＡｓまたはＰが組成として添加されても構わない。
【００５６】
実施形態２又は実施形態３では、基板としてＧａＮ基板１００を用いたが、ＡｌＧａＮ基板、サファイア基板、（１１１）面Ｓｉ基板、サファイア基板上に形成されたＥＬＯＧ（Ｅｐｉｔａｘｉａｌｌｙ Ｌａｔｅｒａｌｌｙ Ｏｖｅｒｇｒｏｗｎ ＧａＮ）基板、ＧａＮ基板上に形成されたＥＬＯＧ基板またはＳｉ（１１１）面上に形成されたＥＬＯＧ基板を用いても構わない。ＥＬＯＧ基板を用いる場合は、成長抑制膜（例えばＳｉＯ_２膜）の幅の中央上方、および成長抑制膜が形成されていない領域の幅の中央上方に、窒化物半導体レーザ素子のリッジストライプ部分またはその電流狭窄部分が含まれないようにすることによって、レーザが長寿命化する。
【００５７】
また実施形態２又は実施形態３では、本発明を窒化物半導体レーザ素子に適用したが、発光ダイオードやスーパールミネッセントダイオード等、発光素子全般に問題無く用いることができる。
【００５８】
〈実施形態４〉
本実施形態では、本発明の窒化物半導体レーザ素子を半導体光学装置に適用した場合について説明する。
【００５９】
本発明の窒化物半導体レーザ素子は、半導体光学装置、例えば光ピックアップに組み込むことでその特性を発揮できる。窒化物半導体レーザ素子は、レーザ発振閾値電流密度が低い（発光効率が高い）ことから低消費電力であり、電源容量が限られる携帯機器との親和性が高い。例えば、携帯型の高密度記録再生用光ディスク装置に用いることができる。
【００６０】
図４に本発明の窒化物半導体レーザ素子を光ディスク装置（ＤＶＤ装置などの光ピックアップを有する装置）に組み込んだ場合の概略図を示す。光ピックアップ２０７の窒化物半導体レーザ素子２０８から発振されたレーザ光２００は、入力情報に応じて光変調器２０１で変調され、スプリッター２０５、追従鏡２１０、及びレンズ２０３を通して光ディスク２０４上に集光され、情報を記録する。再生時は、光ディスク２０４上に記録されたピット配列により光学的に変調されたレーザ光がスプリッター２０５を通して光検出器２０９で検出され、再生信号となる。これらの動作は制御回路２０６によって逐次制御され、光ディスク２０４はモータ２１１によって回転される。それぞれの動作でのレーザ出力は、典型的に、記録時において３０ｍＷ、再生時において５ｍＷ程度である。
【００６１】
本発明の光学装置は、光ピックアップを含む光ディスク装置の他に、例えば、レーザプリンタ、バーコードリーダおよび三原色（青色、緑色、赤色）レーザによるプロジェクタ等にも利用可能することができる。また、本発明の窒化物半導体レーザ素子を適用した発光ダイオードやスーパールミネッセントダイオードは、高輝度白色光源装置として利用することができる。
【００６２】
【発明の効果】
本発明によると、発光効率が高く、レーザ発振閾値電流密度の低い窒化物半導体発光素子、その製造方法、及びその窒化物半導体発光素子を利用した高性能半導体光学装置の提供が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施形態１の発光層のバンドダイヤグラムの一例を示す図である。
【図２】実施形態１の発光層のバンドダイヤグラムの他の例を示す図である。
【図３】実施形態２の窒化物半導体レーザ素子の断面図である。
【図４】本発明の光ディスク装置の概略図である。
【図５】従来の多重量子井戸構造である発光層のバンドダイヤグラムを示す図である。
【符号の説明】
１００ ｎ型ＧａＮ基板
１０１ ｎ型ＧａＮ層
１０２ ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層
１０３ ｎ型ＧａＮ光ガイド層
１０４ 発光層
１０５ ｐ型ＡｌＧａＮキャリアブロック層
１０６ ｐ型ＧａＮ光ガイド層
１０７ ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層
１０８ ｐ型ＧａＮコンタクト層
１０９ ｎ電極
１１０ ｐ電極
１１１ ＳｉＯ_２誘電体膜

Claims (11)

1. ｎ型窒化物半導体からなる第１層とｐ型窒化物半導体からなる第２層との間に、窒化物半導体からなる障壁層と不純物を含まないＩｎＧａＮからなる井戸層とを有する量子井戸構造の発光層を形成した窒化物半導体発光素子において、
   前記障壁層と井戸層の間にＩｎＧａＮからなる中間層を設け、前記障壁層、井戸層、及び中間層のＩｎ組成比がそれぞれ異なることを特徴とする窒化物半導体発光素子。
2. 前記中間層の一主面が、前記第１層側の障壁層の一主面と接することを特徴とする請求項１記載の窒化物半導体発光素子。
3. 前記障壁層は、不純物を含まないＩｎＧａＮ、又はｎ型の不純物を含むＧａＮからなることを特徴とする請求項１又は２記載の窒化物半導体発光素子。
4. 前記中間層のＩｎ組成比は、前記障壁層と井戸層のＩｎ組成比の間の値であることを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載の窒化物半導体発光素子。
5. 前記中間層の層厚は、前記井戸層の層厚以下であることを特徴とする請求項１〜４の何れかに記載の窒化物半導体発光素子。
6. 前記障壁層の層厚は、４ｎｍ以上１２ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１〜５の何れかに記載の窒化物半導体発光素子。
7. 前記井戸層の層厚は、２ｎｍ以上７ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１〜６の何れかに記載の窒化物半導体発光素子。
8. 前記中間層はＩｎ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０＜ｘ≦０．１）であり、且つ前記井戸層はＩｎ_ｙＧａ_１−ｙＮ（ｘ＜ｙ≦０．１８）であることを特徴とする請求項１〜７の何れかに記載の窒化物半導体発光素子。
9. 前記第１層、第２層、又は発光層に、Ａｓ又はＰの何れかを含むことを特徴とする請求項１〜８の何れかに記載の窒化物半導体発光素子。
10. 請求項１〜９の何れかに記載の窒化物半導体発光素子を備えた光学装置。
11. ｎ型窒化物半導体からなる第１層とｐ型窒化物半導体からなる第２層との間に、窒化物半導体からなる障壁層と不純物を含まないＩｎＧａＮからなる井戸層と前記障壁層及び井戸層の間にＩｎＧａＮからなる中間層とを有する量子井戸構造の発光層を形成した窒化物半導体発光素子の製造方法であって、
    前記障壁層を積層する工程の成長温度は、前記中間層を積層する工程の成長温度以上、且つ該成長温度より高温側に１５０℃以内の温度であることを特徴とする窒化物半導体発光素子の製造方法。

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