JP3904709B2 - 窒化物系半導体発光素子およびその製造方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ等の窒化物系の化合物半導体を用いた発光素子およびその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
窒化物系化合物半導体については、サフアイヤ、ＳｉＣ、スピネルなどの基板上に成長する六方晶型結晶が現在のところ、最も良好な結晶とされている。しかしサファイヤ基板、スピネル基板は導電性が低いため電極はｐ型、ｎ型とも窒化物半導体表面に形成している。半導体レーザのような高電流注入では表面を電流が多く流れるいわゆるリーク電流が生じ、発光に寄与する電流が少ないため、発光効率が低く、半導体レーザの信頼性も低い。さらに、リーク電流を防いだり、半導体レーザを低電流動作させるために必要な電流密度を上げるための、電流狭窄構造を形成することが困難である。このため、従来は低動作電流で高電流注入においてもリーク電流がなく信頼性の高い半導体レーザ構造が得られていない。
【０００３】
また、従来の光ディスク記録の読み出し用光へッドとしての半導体レーザは、発振中の強度変化によるノイズが問題となっており、この対策として例えば自励発振型構造が用いられるが、超薄膜活性層構造では自励発振を得ることは難しい。このため、高周波重畳法やレーザ自体を二種類用いる方法などか採用されているが、いずれも構造は複雑である。また、活性層の膜厚を場所により変えて２種類のレーザを形成する方法も報告されているが、この方法では活性層の厚さの制御が極めて難しいという問題がある。また、読み出しと書き込みを行うヘッドでは出力の異なる２種類のレーザを用いることが一般的であるが、いずれもその構造は複雑である。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
このように従来の窒化物系半導体レーザでは光ディスク記録の読み出し側光へッドとして実用可能な性能を満たした半導体レーザを安価に容易に作成することは困難であった。
【０００５】
したがって、本発明の目的は上記事情を考慮し、簡単な構造で自励発振を行うことが可能な窒化物系半導体発光素子およびその製造方法を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本願第１の発明は、基板上に活性層およびこれに隣接する隣接層を含む、六方晶系の結晶構造を有する３元以上のIII −Ｖ族化合物半導体からなる混晶層が積層形成された窒化物系半導体発光素子において、前記隣接層はＩｎＧａＮを含む多重量子井戸構造を有しており、前記隣接層には、この隣接層を構成するインジウムの濃度が周辺より高い島状領域が点在し、前記島状領域の最大径が１００ｎｍ以下であり、かつ前記島状領域の不純物濃度が周辺部の不純物濃度に比べて低いことを特徴とする窒化物系半導体発光素子である。
【０００７】
本願第２の発明は、前記活性層には穴状領域が点在し、この穴状領域が前記隣接層を形成する半導体によって埋め込まれていることを有する前記第１の発明に記載の窒化物系半導体発光素子である。
【０００８】
本願第３の発明は、前記隣接層には穴状領域が点在していることを有する前記第１の発明に記載の窒化物系半導体発光素子である。
【０００９】
本願第４の発明は、前記活性層は多重量子井戸構造を有しており、この活性層には、この活性層を構成するインジウムの濃度が周辺より高い島状領域が点在し、この島状領域は、この領域を囲む領域の材料のバンドギャップに比べて同じか、または、１０ｍｅＶ以内の差で小さいバンドギャップを有する前記第１の発明に記載の窒化物系半導体発光素子である。
【００１０】
本願第５の発明は、前記不純物はＳｉ、Ｃ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｐｂの内の少なくも１つであることを有する前記第１乃至第４の発明に記載の窒化物系半導体発光素子である。
【００１１】
本願第６の発明は、前記島状領域相互の間隔をｄ、その周辺部の屈折率をｎ、前記島状領域の発光波長をλとした時、λｍ＝２ｎｄ（ｍ＝１、２、３、４）を満たすことを有する前記第４の発明に記載の窒化物系半導体発光素子である。
【００１２】
本願第７の発明は、前記活性層には穴状領域が点在し、この穴状領域が前記隣接層を形成する半導体によって埋め込まれており、かつ、前記隣接層には穴状領域が点在し、この穴状領域が前記隣接層に隣接し活性層側ではない層を形成する半導体によって埋め込まれていることを有する前記第４乃至６の発明に記載の窒化物系半導体発光素子である。
【００１７】
本願第９の発明は、基板上に活性層およびこれに隣接する多重量子井戸隣接層を含む、六方晶系の結晶構造を有する３元以上のIII −Ｖ族化合物半導体からなる混晶層を積層形成した窒化物系半導体発光素子の製造方法において、前記多重量子井戸隣接層はＩｎＧａＮを含む多重量子井戸構造を有しており、井戸層の成長用の原料ガスと障壁層の成長用の原料ガスを交互に所定時間供給して井戸層および障壁層を交互に成長させるとともに、前記井戸層の成長と前記障壁層の成長との間に所定の待機時間を設けて、前記多重量子井戸隣接層に、この多重量子井戸隣接層を構成するインジウムの濃度が周辺より高くかつ不純物濃度が周辺部の不純物濃度に比べて低い最大径が１００ｎｍ以下の島状領域を点在して形成することを有する窒化物系半導体発光素子の製造方法である。
【００１８】
本願第１０の発明は、前記井戸層の成長用の原料ガスはトリメチルインジウム、トリメチルガリウムおよびアンモニアガスであり、前記障壁層の成長用の原料ガスはトリメチルガリウムおよびアンモニアガスであることを有する第９の発明に記載の窒化物系半導体発光素子の製造方法である。
【００１９】
本願第１３の発明は、基板上に活性層およびこれに隣接する多重量子井戸隣接層を含む、六方晶系の結晶構造を有する３元以上のIII −Ｖ族化合物半導体からなる混晶層を積層形成した窒化物系半導体発光素子を有機金属を用いた気相成長により製造するに際し、前記気相成長の原料ガスとして、トリメチルインジウム、トリメチルガリウムおよびアンモニアガスを用い、成長温度を７００℃以上８５０℃以下とし、かつ、すべての原料ガスとキャリアガス流量の総和を標準換算で一分間に１０リットル以上５０リットル以下とし、さらにＶ族元素とＩＩＩ族元素のモル流量比を１０００以上１５０００以下で、前記活性層のエピタキシャル成長を行い、さらに水素、窒素、及びアンモニアを流しながら昇温した後、前記活性層に点在して形成された穴状領域を前記多重量子井戸隣接層を形成する半導体によって埋め込むことを有する窒化物系半導体発光素子の製造方法である。
【００２０】
要約すれば、本発明は、窒化物半導体発光素子の活性層または活性層に隣接する隣接層を可飽和吸収領域にすることにより自励発振を生じさせるようにしたものである。
【００２１】
したがって、本発明によれば、自励発振を複雑な構造を用いずに発生することかでき、低ノイズの特性をもった光デイスク記録の読み出し用半導体レーザを形成できる。また、書き込み用を読み出し用と同じ構造で作製が可能で、書き込み読み出し両用へツドの構造を簡素化できる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面を用いて詳細に説明する。
図１は本発明の第１の実施形態に係わる窒化物系半導体レーザの概略構成を説明する断面図である。同図中で、１００はサファイヤ基板、１０１はｎ型ＧａＮバッファー層（Ｓｉドーブ、３〜５×１０18ｃｍ-3、０．１μｍ）であり、１０２はｎ型ＧａＮコンタクト層（Ｓｉドーブ、３〜５×１０18ｃｍ-3、４μｍ）、１０３はｎ型ＡｌＧａＮクラッド層（Ｓｉドープ、５×１０17ｃｍ-3、０．３μｍ）、１０４はｎ型Ｉｎ0.1 Ｇａ0.9 Ｎ／ＧａＮ多重量子井戸(multiple quantum well) 隣接層（Ｓｉドーブ、５×１０17ｃｍ-3、井戸幅２ｎｍ、障壁幅４ｎｍ、ペアー数３）、１０５はＩｎ0.3 Ｇａ0.7 Ｎ／ＧａＮ多重量子井戸活性層（アンドープ、井戸幅２ｎｍ、障壁幅４ｎｍ、ペアー数３）、１０６はｐ型ＧａＮ隣接層（Ｍｇドープ，５×１０17ｃｍ-3、０．１μｍ）、１０７はｐ型ＡｌＧａＮクラッド層（Ｍｇドープ、５×１０17ｃｍ-3、０．３μｍ）、１０８はｐ型ＧａＮコンタクト層（Ｍｇドープ、１〜３×１０18ｃｍ-3、０．５μｍ）、１０９はｎ型ＧａＮ通電障壁層（Ｓｉドープ、１×１０18ｃｍ-3、０．３μｍ）、１１０はｐ側電極、１１１はｎ側電極である。
【００２３】
図１に示した半導体レーザの製造方法は次のとおりである。始めに有機金属を用いた気相成長（Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｕｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：ＭＯＣＶＤ）法により、サファイア基板１００の上に、ｎ型ＧａＮバッファー層１０１からｎ型ＧａＮ層１０９まで成長する。その後、ｎ型ＧａＮ層１０９の上に一部フォトリソグラフィーによりマスクを形成し、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１０７が露出するまでエッチングを行う。次に、ｐ型ＧａＮコンタクト層１０８を成長する。その後ｎ型ＧａＮコンタクト層１０２を形成するためにｎ型ＧａＮコンタクト層１０２を形成する部分をマスクで覆いエッチング除去する。マスクを除去しｎ側電極１１１、ｐ側電極１１０を形成し、図１の構造の窒化物系半導体レーザが製造できる。
【００２４】
ここで、前記ｎ型Ｉｎ0.1 Ｇａ0.9 Ｎ／ＧａＮ多重量子井戸隣接層１０４（Ｓｉドープ、井戸幅２ｎｍ、障壁幅４ｎｍ、ペアー数３）は次のように成長させる。成長温度は７６０℃、Ｉｎ0.1 Ｇａ0.9 Ｎ層の成長には、ＴＭＩ（トリメチルインジウム）、ＴＭＧ（トリメチルガリウム）、アンモニアガスおよびシランを用い、通常の厚膜成長で１μｍ／ｈの成長速度が得られる条件下で８秒間成長する。これによって幅２ｎｍの井戸層が形成される。ついで、１秒間の待機時間をおいてＴＭＧ（トリメチルガリウム）、アンモニアガスおよびシランを用い、同じ成長速度の条件下で１８秒間成長させる。これによって幅４ｎｍの障壁層が形成される。以下同じプロセスを３回繰り返し、井戸（ｗｅｌｌ）層と障壁（ｂａｒｒｉｅｒ）層のペアを３組積層形成した。
【００２５】
このようにして成長した多重量子井戸隣接層１０４には、層の面内方向において、Ｉｎ組成が局所的に多い部分が形成されることが判明した。
図２は、カソード・ルミネッセンス法による多重量子井戸隣接層１０４の井戸層の発光波長の面内分布を表す模式図である。すなわち、同図中においては、ハッチで示した領域において、周囲よりも波長の長い発光が観察された。一般に、カソード・ルミネッセンス法により得られる発光の波長は、ターゲットの組成に依存して変化する。ここでは、インジウムの含有量が多い程、その発光波長は長くなる。すなわち、多重量子井戸隣接層１０４は、その面内において、インジウムの組成が高い領域が島状に存在することが分かった。その分布状態と発光波長を詳細に調べた結果、多重量子井戸隣接層１０４の各井戸層には、直径約２ｎｍで、インジウム組成約３０％の島状の領域が多数形成されていることが分かった。この島状の領域は周辺に比べＩｎが多く、活性層１０５からの発光波長に対応するバンドギャップとほぼ同じバンドギャップを有する。また、多重量子井戸層１０４には、前述したようにシリコン（Ｓｉ）をドープしているが、図３に示したように、インジウム濃度が高い領域にはシリコンが含まれにくく、その結果として、インジウム濃度が高い部分のキャリヤ濃度は低い。
【００２６】
図４は多重量子井戸隣接層１０４におけるＩｎＧａＮ井戸層とＧａＮ障壁層のペアのコンダクション・バンドの状態を示す模式図である。すなわち同図において、横方向は隣接層１０４の厚み方向の距離を示し、縦方向はエネルギー・レベルを示している。同図に示したように、ＧａＮ障壁層に高濃度にドナーが存在してエネルギー・バンドが大きく湾曲している。このようにエネルギー・バンドが湾曲することにより、この部分でのＩｎＧａＮ井戸層へのキャリヤの閉じ込めは有効質量の小さい電子に対しては弱くなり、発光は生じない。また、活性層１０５が発光することにより、この隣接層１０４でのＩｎ組成の多い部分での吸収が生じるが、その吸収は、微少な島状の領域で起こる。従って、隣接層１０４は可飽和吸収状態となり自励発振状態となる。このような自励発振状態は高出力の条件であっても持続した。また、この隣接層１０４に含まれる不純物を、ｎ型不純物であるシリコン（Ｓｉ）、炭素（Ｃ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、スズ（Ｓｎ）、鉛（Ｐｂ）のいずれかとした場合には、しきい値上昇等の悪影響はなかった。
【００２７】
本実施形態のレーザはしきい値２０ｍＡで室温連続発振した。発振波長は４２０ｎｍ、動作電圧は３．８Ｖであった。５０ｍＷ時にＳ／Ｎは本構造を用いない従来の半導体レーザの２０ｄＢに比べ１３０ｄＢと向上した。また、従来の活性層近傍に可飽和吸収層を設けた厚い活性層の自励発振型レーザでは高出力は困難であったが本実施形態では２００ｍＷまで安定した横モードで出力を出す事ができた。
【００２８】
次に、本発明者は、前述した製造方法により島状の吸収領域が形成された本発明の窒化物系レーザを多数個製造し、自励発振の生ずる割合を調べた。
図５は、製造した窒化物系半導体レーザについて光出力を変化させて発光させた場合、自励発振を生じた窒化物系半導体発光素子の割合を示したグラフである。同図において、横軸は光出力を示し、縦軸は自励発振を起こした窒化物系半導体発光素子の割合を示す。図中の黒丸は本発明の窒化物系半導体発光素子を表す。また図中の白丸は、比較例であり、島状の吸収領域の代わりに、層状の吸収領域を形成した窒化物系半導体発光素子を示している。この比較例についてさらに詳しく説明すると、活性層からみてガイド層の外側に、層厚１０ｎｍのＩｎ0.25Ｇａ0.75Ｎ吸収層を設けた。
【００２９】
図４から、層状の吸収領域を設けた比較例では、自励発振を生ずる割合が低く、しかも安定していないのに対して、島状の吸収領域が形成された本発明の窒化物系半導体発光素子は低出力から高出力に亘って、自励発振を生ずる窒化物系半導体発光素子が得られる確率が安定して高いことが分かる。
【００３０】
図６は、本発明による半導体レーザを光ディスクのデータ読み出しに応用した状態を説明する模式図である。すなわち、同図においては、図示しない半導体レーザ素子からレーザ光１５０が放出され、レンズ１５２により集束されて光ディスク１６０に入射する。光ディスク１６０の表面には、同心円上にトラック１６２が設けられ、そのトラック１６２に沿ってピット１６４が形成されている。レンズ１５２により集束されたレーザ光は、このピット１６４の有無に応じて反射率が変化し、図示しない受光部において検出される。ここで、本発明による窒化物系半導体レーザから得られる波長が４２０ｎｍのレーザ・ビームを用いた場合には、同図に示したようにレンズにより集束されて極めて細いビーム１５４Ａを得ることができる。同図には、比較のために、従来の、ＤＶＤシステム（波長：λ＝６５０ｎｍ、開口比：ＮＡ＝０．６）のレーザ・ビーム１５４Ｂと、コンパクト・ディスクシステム（波長：λ＝７８０ｎｍ、開口比：ＮＡ＝０．４５）のレーザ・ビーム１５４Ｃとを示した。これらの比較から明らかなように、本発明の窒化物系半導体レーザを用いた場合には、極めて集束されたレーザ・ビームを得ることができ、光ディスク１６０におけるトラック１６２の間隔と、ピット１６４の間隔をそれぞれ縮小することができる。その結果として、従来のＤＶＤシステムと比較しても、記録容量を約３倍増大することができる。
【００３１】
さらに、本発明の窒化物系半導体レーザによれば、同一の窒化物系半導体レーザにより、光記録媒体からの読み出し及び書き込みが可能になる。すなわち、本発明の半導体レーザは、容易に自励発振を生ずるために、データ読み出しを低いノイズで安定して行うことができ、さらに、高出力動作が可能であるために、データ書き込み動作も行うことができる。その結果として、データの読み出しと書き込みとを兼用できるピックアップ・ヘッドの構造を飛躍的に単純化できる。
【００３２】
なお、前述した例では、多重量子井戸隣接層１０４は３ペアーの井戸層と障壁層のものを用いたが、ペアー数は層の厚さとＩｎの組成により適宜決定することができる。また、障壁層はＧａＮに限定されず、ＩｎやＡｌ等を含んだ材料でもよい。
【００３３】
次に、本発明の第２の実施形態について説明する。
図７は本発明の第２の実施形態に係わる窒化物系半導体レーザの概略構成を説明する断面図である。同図において、２００はｐ型ＳｉＣ基板、２０１はｐ型ＡｌＮバッファ層（Ｍｇドープ、３〜５×１０20ｃｍ-3、０．１μｍ）、２０２はｐ型ＧａＮ層（Ｍｇドープ、１×１０19ｃｍ-3、４μｍ）、２０３はｐ型Ａｌ0.3 Ｇａ0.7 Ｎクラッド層（Ｍｇドーブ、５×１０17ｃｍ-3、０．３μｍ）、２０４はＡｌ0.1 Ｇａ0.9 Ｎ隣接層（アンドープ、０．１μｍ）、２０５は多重量子井戸活性層Ｉｎ0.1 Ｇａ0.9 Ｎ／Ａｌ0.1 Ｇａ0.9 Ｎ（アンドープ、井戸幅１ｎｍ、障壁幅２ｎｍ、ペアー数３）、２０６はＡｌ0.1 Ｇａ0.9 Ｎ隣接層（アンドープ、０．１μｍ ）、２０７はｎ型Ａｌ0.3 Ｇａ0.7 Ｎクラッド層（Ｓｉドープ、５×１０17ｃｍ-3、０．３μｍ）、２０８はｐ型ＧａＮ電流狭窄層（Ｍｇドープ、５×１０17ｃｍ-3、０．１μｍ）、２０９はｎ型ＧａＮコンタクト層（Ｓｉド一プ、１〜３×１０19ｃｍ-3、０．１μｍ）、２１０はｎ側電極、２１１はｐ側電極である。
【００３４】
この窒化物系半導体レーザの製造方法は次のとおりである。始めにＭＯＣＶＤ法によりｐ型ＧａＮ電流狭窄層２０８まで成長しその後、 ｐ型ＧａＮ電流狭窄層２０８の上に一部フォトリソグラフィーによりマスク（図示せず）を形成し、ｎ型Ａｌ0.3 Ｇａ0.7 Ｎクラッド層２０７が露出するまでエッチングを行う。次に、ｐ型ＧａＮコンタクト層２０９を成長する。両面に電極を形成し、その後劈開により共振器の端面（ｆａｃｅｔ）を形成する。
【００３５】
本実施形態においては、Ｉｎ0.1 Ｇａ0.9 Ｎ／Ａｌ0.1 Ｇａ0.9 Ｎ多重量子井戸活性層２０５も、前述した実施形態の多重量子井戸隣接層１０４と同様なプロセスにより製造する。具体的には、ＩｎＧａＮの成長にはＴＭＧ、ＴＭＩおよびアンモニアガスを用い、ＡｌＧａＮ層の成長には、ＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）、ＴＭＧ、アンモニアガスを用い、成長温度８６０℃、原料のＶ／III 比が約１７０、各層での成長中断時間を１秒として、３回繰り返して成長させる。この結果、井戸厚２ｎｍ、障壁厚４ｎｍ、ぺアー数３の多重量子井戸層を形成できる。
【００３６】
このようなプロセスにより、多重量子井戸活性層２０５の井戸層部分にもインジウム（Ｉｎ）組成が局所的に多い領域が形成される。具体的には、各井戸層において、直径２ｎｍ、Ｉｎ組成約２０％の島状の領域が面内に分布して多数形成される。この領域は周辺に比べＩｎが多いことにより、格子定数がずれて、歪みがかかる。その結果として、Ｉｎの含有量は多いがバンドギャップは周辺の領域と１０ｍｅＶ以下の違いしかない。この半導体レーザに電流を注入すると、Ｉｎ組成が高いこの島状の領域ではドーパントのＳｉが少なく導電性が低いため発光が効率的に行われる。
【００３７】
図８は、この活性層２０５を透過型電子顕微鏡（ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）により観察した結果を表す模式図である。すなわち、活性層２０５においては、Ｉｎ濃度が周辺より高濃度となっている島状の領域が面内方向に規則正しく並んでいる。このインジウム高濃度組成領域の直径は、概ね７０ｎｍであり、その間隔は概ね２００ｎｍであった。また、本発明者の実験の結果、成長条件を変える事によってこの島状領域の間隔をコントロールできる事か判明した。
【００３８】
この島状領域相互の間隔をｄ，この島状領域の周辺部の屈折率をｎとした場合、高濃度領域の発光波長がλであればｄ＝λｍ／２ｎ（ｍ＝１、２、３、４）の場合がもっとも自励発振を安定して生ずる事ができた。なお、ｍが４を超える場合には自励発振の安定性が低下した。これは通常、多数ある発振モードが選択されることによると考えられる。
【００３９】
本実施形態によれば、分布帰還型レーザのような複雑な構造を用いなくても、自励発振を行うことができるとともに、モードホッピングの抑制を行うことができ、低ノイズ化が実現できることが分かった。
【００４０】
図９は発光波長４００〜４３０ｎｍのそれぞれにおける最適成長条件を表すグラフである。すなわち、同図の横軸は成長温度（℃）で、縦軸はＩｎの含有割合（％）を示し、それぞれの発光波長において、固層中のＩｎの含有割合と、成長温度の最適条件を示す。
【００４１】
活性層内に形成される島状のインジウム高濃度領域においてはドナーが少ない。従って、島状の領域は発光効率が高く、さらに、量子的な閉じ込め効果により発光効率の高い励起子分子（双極子）の安定的な存在を促進する。これにより高Ｉｎ濃度の島状領域は体積的には微小であるが、レーザ発振するに十分な反転分布を形成することが可能である。一方、Ｉｎが高濃度の領域の周辺の低Ｉｎ領域においては、バンドギャップは島状領域よりも大きいもののドナーが存在するためにその準位による吸収により可飽和吸収層として働き自励発振状態となる。この状態は高出力時であっても持続した。
【００４２】
活性層にドープする不純物については、ｎ型となるＳｉ、Ｃ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｐｂ以外ではしきい値が上昇して実用的ではなかった。一方、Ｓｉの場合には、特に高い発光効率が得られた。
【００４３】
本構造の半導体レーザではしきい値１０ｍＡで発振波長は３７５ｎｍが得られ、基本横モード発振し、５０００時間までの安定動作も確認した。本実施形態では基板としてＳｉＣを用いたが導電性の基板であれば良く、ＺｎＯ基板の場合にはさらに優れた電流電圧特性が得られた。また、電流狭窄層２０８は活性層２０５に対して基板２００の側に設けても良く、また、活性層２０５の両側に設けても良い。また、電流狭窄層の材料は、コンタクト層に比べ屈折率の高い材料でもよい。
【００４４】
次に、本発明の第３の実施形態を説明する。
図１０は本発明の第３の実施形態を示す窒化物系半導体レーザの断面図である。同図において、３００はサファイヤ基板、３０１はＧａＮバッファー層（０．０１μｍ）であり、３０２はｐ型ＧａＮコンタクト層（Ｍｇドープ、３〜５×１０18ｃｍ-3、１μｍ）、３０３はｐ型Ａｌ0.2 Ｇａ0.8 Ｎクラッド層（Ｍｇドープ、５×１０17ｃｍ-3、０．３μｍ）、３０４はｐ型ＧａＮ隣接層（Ｍｇドープ、５×１０17ｃｍ-3、０．１μｍ）、３０５はＩｎ0.3 Ｇａ0.7 Ｎ／ＧａＮ多重量子井戸活性層（アンドープ、井戸幅２ｎｍ、障壁幅４ｎｍ、ペアー数３）、３０６はｎ型ＧａＮ隣接層（Ｓｉドープ、５×１０17ｃｍ-3、０．１μｍ）、３０７はｎ型Ａｌ0.2 Ｇａ0.8 Ｎクラッド層（Ｓｉドープ、５×１０17ｃｍ-3、０．３μｍ）、３０８はｐ型ＧａＮ通電障壁層（Ｍｇド−プ、１×１０18ｃｍ-3、０．３μｍ）、３０９はｎ型ＧａＮコンタクト層（Ｓｉドープ、１〜３×１０18ｃｍ-3、０．５μｍ）、３１０はｎ側電極、３１１はｐ側電極である。
【００４５】
以下にその製造方法の概略を述べる。結晶成長はＭＯＣＶＤ法によって行った。始めに、サファイヤ基板３００にＭＯＣＶＤ法によりＧａＮバッファー層３０１を成長させるが、サファイヤ基板３００は図１１（ａ）、（ｂ）に示されるように、スリット状の切れ目３２０が入っているものを用いた。ここで、切れ目３２０の開口は、例えば、約２５０μｍ×３０μｍ、切れ目同士の間隔は約２５０μｍ程度とすることができる。
【００４６】
本実施形態においては、まず、サファイヤ基板３００上に横方向の成長速度が速くなる条件でＧａＮバッファー層３０１の成長を行う。すなわち、結晶成長時に、ＧａＮの供給速度に対して成長温度を十分に高くすることにより、基板表面でのＧａＮ原子の移動が高まる。このような条件でバッファー層３０１を成長することによって、サファイヤ基板３００の切れ目３２０の部分はＧａＮバッファー層３０１で塞がれる状態となる。
【００４７】
その後、通常の成長状態で順次ｐ型ＧａＮコンタクト層３０２からｐ型ＧａＮ通電障壁層３０８まで成長を行う。ｐ型ＧａＮ通電障壁層３０８まで成長した後、フオトリソグラフィーによりｐ型ＧａＮ通電障壁層３０８の上に部分的にマスク（図示せず）を形成し、 ｎ型Ａｌ0.2 Ｇａ0.8 Ｎクラッド層３０７が露出するまでエッチングを行う。次にマスクを除去し、ｎ型ＧａＮコンタクト層３０９を成長する。コンタクト層３０９の上にＮｉとＡｕを蒸着してｎ側電極３１０を形成する。また、基板３００下面側よりＧａＮバッファー層３０１をエッチングにより除去し、Ｐｔ、Ｔｉ、Ａｕを順次蒸着してｐ側電極３１１を形成する。これをレーザ素子とするため劈開により端面（図示せず）を形成し、ダイシングにより半導体発光素子を分離して図１０の半導体レーザを得る。端面には図示しないが誘電体多層膜による高反射コートを施してある。
【００４８】
次に、本実施形態における上記Ｉｎ0.2 Ｇａ0.8 Ｎ／ＧａＮ多重量子井戸活性層３０５の具体的な成長条件を説明する。成長温度は７４０℃で、ＩｎＧａＮ層はＴＭＧ、ＴＭＩおよびアンモニアガスを用い、ＧａＮ層はＴＭＧおよびアンモニアガスを用いる。ＩｎＧａＮ井戸層は成長速度がＩｎ0.2 Ｇａ0.8 Ｎの厚膜成長で１μｍ／ｈの得られる成長条件で７秒、ＧａＮ障壁層はＴＭＩを止めて２０秒の成長を行う。また、ＩｎＧａＮ井戸層とＧａＮ障壁層の成長の間には１．５秒の待機時間を設ける。厚膜と量子井戸のような薄膜とでは成長条件が同じでも成長速度が異なるが、これは成長の初期過程で成長速度が異なるためである。このような成長を行うことにより、Ｉｎ0.2 Ｇａ0.8 Ｎ／ＧａＮ多重量子井戸活性層３０５内にはＩｎ組成が局所的に多い部分が井戸層部分に形成される。具体的には各井戸層に直径２ｎｍ、Ｉｎ組成約３０％の領域か多数形成される。この領域は周辺に比べＩｎが多いことにより歪みがかかり、これによりＩｎが多いがバンドギャップは周辺の領域と１０ｍｅＶ以下の違いしかない。この窒化物系半導体レーザに電流注入を行った場合、Ｉｎ組成が高いこの領域ではドーパントのＳｉが少なく導電性が低くキャリヤの注入は主にその周辺に行われる。
【００４９】
図１２は、活性層３０５の透過型電子顕微鏡による観察の結果を表す模式図である。すなわち、電子顕微鏡により格子像を観察した結果、活性層３０５においては、数ｎｍの径の島状領域が点在することが観察された。特性Ｘ線スペクトル分析法を用いてこの島状の領域の組成を調べた結果、周囲よりもＩｎ濃度が高いことが確認された。さらに、カソードルミネッセンス法により観察した結果、この島状領域に対応して規則正しく並んだ発光点が観測できた。
【００５０】
このような島状の領域が形成される原因は、ＧａＮの上にＧａＮと格子整合しないＩｎＧａＮを成長するために、島状の成長が起こるからであると考えられる。ここで、本発明者は、種々の成長条件で形成した島状領域の直径と、半導体レーザの外部量子効率との関係について調べた。
【００５１】
図１３は、島状領域の大きさと外部量子効率との関係を表すグラフである。すなわち、同図において、縦軸は外部量子効率を表し、横軸は島状領域の平均径を表す。同図から分かるように、島状領域の直径が小さくなるほど、外部量子効率が増加する傾向が得られた。特に高い外部量子効率を得るためには、島状領域の直径は１００ｎｍ以下であることが望ましい。島状領域の径がこれ以上大きくなると、図１３に示すように発光効率が著しく低下することが分かった。
【００５２】
次に、本発明者は、島状領域とその周辺部のインジウムの濃度の２次元的な分布を詳細に調べた結果、直径が１００ｎｍ以下の島状領域が存在するためには、島状領域の端部において、２ｎｍごとに１０％以上の割合でインジウム濃度が変化する必要があることが分かった。つまり、島状領域の端部において、これ以上の急峻なインジウム濃度の増加がある場合には、直径１００ｎｍ以下の島状領域が存在し得ることが分かった。
【００５３】
活性層内の高Ｉｎ組成部はドナーが少ないのでＩｎ組成の高い部分は発光効率が良い。また、量子的な閉じ込め効果により発光効率の良い励起子分子の安定的な存在を促す。これにより島状の高Ｉｎ領域は、体積的には微小であるが発振するに十分な反転分布を形成することが可能である。そして島状高濃度領域の周辺の低Ｉｎ領域は、バンドギャップは島状高濃度領域より大きいものの、ドナーが存在するためにその準位による吸収により可飽和吸収層として働き自励発振状態となる。この状態は高出力時であっても持続した。
【００５４】
活性層にドープする不純物としては、ｎ型となるＳｉ、Ｃ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｐｂ以外ではしきい値が上昇し実用的ではなかった。
この実施形態では活性層の下に、横方向に成長させたＧａＮバッファー層３０１が設けられているので極端に転位や欠陥か少ない。その結果として、リーク電流が抑制され、半導体発光素子の破壊も起こりにくかった。
【００５５】
また本実施形態の半導体レーザはしきい値２０ｍＡで室温連続発振し、発振波長は４２０ｎｍ、動作電圧は３．８Ｖであった。また、自励発振を行う事により５０ｍＷ動作時のＳ／Ｎは、本構造を用いない従来の半導体レーザの２０ｄＢに比べ１３０ｄＢと顕著に向上した。また、活性層に量子井戸構造を採用しているため自励発振で２００ｍＷ、自励発振を維持しない場合は３００ｍＷの高出力を得る事かできた。また、半導体発光素子の寿命はライフテストにおける劣化傾向から１０万時間以上と予想され、低ノイズ、高出力、高信頼性を実現できた。
【００５６】
本実施形態では基板としてサフアイヤ基板を用いているか石英ガラス、ダイヤモンド、ＢＮなどでも良い。さらに成長方法としてＭＢＥ（ＭｏｌｅｃｕｌａｒＢｅａｍ Ｅｐｉｔａｘｙ）法を用いると、パイレックスガラスやＺｎＯ等も基板として用いる事ができる。
【００５７】
次に、本発明の第４の実施形態について説明する。
第１４図は本発明の第４の実施形態に係わる窒化物系半導体発光ダイオード（ＬＥＤ）の概略構成を説明するためのものである。同図において、４００はサファイヤ基板、４０１はＧａＮバッファ層（３〜５×１０18ｃｍ-3，４μｍ）、４０２はｎ型ＧａＮコンタクト層（Ｓｉドープ，１×１０18ｃｍ-3，２μｍ），４０３はｎ型ＧａＮ層（Ｓｉドープ，５×１０17ｃｍ-3，０．１μｍ），４０４はＩｎ0.3 Ｇａ0.7 Ｎ／ＧａＮ ３ＭＱＷ活性層（Ｓｉドープ，井戸層２ｎｍ，障壁層４ｎｍ），４０５はｐ型ＧａＮ層（Ｍｇドープ，５×１０17ｃｍ-3，０．１μｍ），４０６はＧａＮコンタクト層（Ｍｇドープ， ３×１０18ｃｍ-3，０．０５μｍ），４１０はｐ側電極，４１１はｎ側電極，４１２はＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ Ｔｉｎ Ｏｘｉｄｅ）透明電極である。
【００５８】
同図の各半導体層はＭＯＣＶＤ法により成長した。活性層４０４の成長時にはそれぞれのＩｎ0.3 Ｇａ0.7 Ｎ井戸層の成長後に成長中断時間を１秒から３秒設けてＩｎ濃度が高い島状領域を作成した。活性層以外の成長は通常の成長方法で行った．成長後ｐ電極となる部分をマスキングしｎ型ＧａＮコンタクト層４０２が露出するまでドライエッチングしてメサ形状を形成する．マスクを除去し，メサの側面などリーク電流が流れやすい部分にはＳｉＯ2 を付けた．メサ形状の上面には全面透明電極を形成しさらに一部分でｎ側電極４１１に遠い部分にｐ側電極４１０を形成し、ｎ側電極４１１を形成した，半導体発光素子構造とした．
作成後に発光素子を分解し活性層部分を透過電子顕微鏡で観察したところ井戸層部分にＩｎが周りより高い領域が観察され，その領域はほぼ４ｎｍの直径であった．また，特性Ｘ線により調べたところ、この高濃度領域は周りのＩｎ濃度が低い領域に比べＩｎ濃度が１０％程度多く含まれていることがわかった．
素子の動作電圧は２．７Ｖで光出力は１０ｍＡで１０ｍＷであった．また，１００ｍＡでは５０ｍＷであった．発光効率も良く外部量子効率は３０％に達した．このような高効率で発光強度が強い素子が実現できたのは、活性層にあるＩｎ濃度が高い領域に注入されたキャリヤが、その高Ｉｎ濃度領域に閉じ込められて非発光再結合をすることなく再結合したためである．
本実施形態では光源として青色のみを用いているが、活性層中のＩｎ量を増量することにより赤色光に近い波長まで発光可能となり、フィルタなどを用いれば、赤、緑、青の三原色ができ、ＧａＮ系のフルカラー発光素子を実現することもできる。
【００５９】
次に、本発明の第５の実施形態について説明する。
図１５は本発明の第５の実施形態に係わる窒化物系半導体発光素子の概略構成を説明するためのものである。同図に示した発光素子においては、サファイア基板５００の上に、バッファー層５０１、ｎ型ＧａＮコンタクト層（Ｓｉドープ、３〜５×１０18ｃｍ-3、４μｍ）５０２、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層（Ｓｉドープ、５×１０17ｃｍ-3、０．３μｍ）５０３、ノンドープＧａＮ隣接層（０. １μｍ）５０４、ＩｎＧａＮ多重量子井戸（ＭＱＷ）活性層５０５、ノンドープＧａＮ隣接層（０．１μｍ）５０６、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層（Ｍｇドープ、５×１０17ｃｍ-3、０．３μｍ）５０７、ｐ型ＧａＮコンタクト層（Ｍｇドープ、５×１０18ｃｍ-3、０．５μｍ）５０８、ＳｉＯ2 （二酸化珪素）膜５０９が順次積層されている。また、５１０はｐ側電極、５１１はｎ側電極である。
【００６０】
製造方法は次の通りである。ＭＯＣＶＤ法で基板５００の上にバッファー層５０１を成長し、次に成長温度１１００℃でＴＭＧ（トリメチルガリウム）、ＴＭＡ（トリメチルアルミニウム) 、アンモニア、水素、窒素を用いて、ｎ型ＧａＮコンタクト層５０２、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層５０３、ノンドープＧａＮ隣接層５０４を順次積層する。
【００６１】
次に、ＩＩＩ族の原料ガスの供給を停止し、基板温度を７６０℃に降温する。この温度で、ＴＭＧを−１５℃に保ち、水素ガスをキャリアガスとして１０ｃｃ／分、アンモニアを２０℃で１０Ｌ／分、窒素を１９．７Ｌ／分流し、これに加えてＴＭＩ（トリメチルインジウム）を３７℃で窒素をキャリアガスとして５００ｃｃ／分と１５ｃｃ／分との組み合わせで約１．５分ずつ２０回繰り返し切り替えて供給し、ＩｎＧａＮ多重量子井戸活性層５０５の成長を行う。
【００６２】
この後、ＴＭＧとＴＭＩの供給を止めることで成長を停止し、水素を４０ｃｃ／分、窒素を１９. ９６Ｌ／分、アンモニアを１０Ｌ／分の流量で流しながら、１１００℃まで４分間かけて昇温する。ついで温度を１１００℃で保持し、水素を５００ｃｃ／分、窒素を１４．５Ｌ／分、ＴＭＧを１００ｃｃ／分、アンモニアを１０Ｌ／分の流量供給してノンドープＧａＮ隣接層５０６を積層する。この後これにＣｐ2 Ｍｇ（ビスシクロペンタジエニルマグネシウム）とＴＭＡを加えてｐ型ＡｌＧａＮクラッド層５０７を形成し、次にＴＭＡの供給を止めてｐ型ＧａＮコンタクト層５０８を積層する。この後、ＳｉＯ2 膜５０９の堆積、フォトリソグラフィー、エッチング、ｐ側電極５１０、ｎ側電極５１１の蒸着、アロイ等の行程を経て図１５に示す窒化物系半導体発光素子が完成する。
【００６３】
なお、前述の工程においては、隣接層５０４を成長した後に成長温度を７６０℃まで高温したが、この温度は、７００℃以上８５０℃以下であることが望ましい。以下に、この理由を説明する。
【００６４】
本発明者は、ＩｎＧａＮの成長条件を調べるために、まず、原料ガスとキャリヤガスの流量の総和を１分あたり３０リットルにし、Ｖ族元素とIII 族元素のガスの流量比を８４００にし、様々な成長温度でＩｎＧａＮの成長を行った。これをフォトルミネッセンス（Ｐｈｏｔｏ Ｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ：ＰＬ）で評価したところ、表１に示すように７００℃以上８５０℃以下の範囲において、十分な強度のＰＬ発光が観測できた。成長温度が７００℃を下回ると、成長が不十分となり、ＰＬ発光強度が上がらない。成長温度が８５０℃を上回ると、結晶がダメージを受けるため、ＰＬ発光強度が極端に低減した。
【００６５】
【表１】
【００６６】
次に、本発明者は、成長温度を７６０℃に固定し、原料ガスとキャリヤガスの流量の総和を１分あたり３０リットルにし、Ｖ族元素とIII 族元素のモル流量比依存性を調べた。その結果、表２の様にＶ族元素とIII 族元素のモル流量比が１０００以上１５０００以下では十分な強度のＰＬ発光が見られた。
Ｖ族元素とIII 族元素のモル流量比が１０００を下回ると、十分に反応しないため、ＰＬ発光強度が上がらない。
Ｖ族元素とIII 族元素のモル流量比が１５０００を上回ると、本来III 族元素が反応するべき結晶格子にもＶ族元素が割り込んで反応してしまい、III 族元素が十分に反応できないため、ＰＬ発光強度が極端に低減した。
【００６７】
【表２】
【００６８】
さらに、成長温度を７６０℃に固定し、Ｖ族元素とIII 族元素の流量比を８４００にし、すべての原料ガスとキャリヤガスの１分間あたりの総流量に対する依存性を調べたところ、表３の様に一分間あたりの総流量が１０リットル以上、５０リットル以下では十分な強度のＰＬ発光が見られた。一分間あたりの総流量が１０リットルを下回ると、十分に反応しないため、ＰＬ発光強度が上がらない。一分間あたりの総流量が５０リットルを上回ると、流速が早くなり、十分な反応時間がとれないため、ＰＬ発光強度が極端に低減した。
【００６９】
【表３】
【００７０】
本実施形態では、ＩｎＧａＮ多重量子井戸活性層５０５およびノンドープＧａＮ隣接層５０６ともに意図的にはドーピングを施していない。本発明者の実験によれば、上記のように成長した場合、ＧａＮ層の方がＩｎＧａＮ層よりも高抵抗であることがわかっている。また、上記のように成長したものの断面をＴＥＭ（透過電子顕微鏡）で観察したところ、 ＩｎＧａＮ多重量子井戸活性層５０５に穴状領域（ピット）が存在し、このピットがノンドープＧａＮ隣接層５０６によって埋め込まれ、平坦化されていることがわかった。従って前記の実施形態の半導体発光素子によれば、以下に述べる原理により自励発振が生じる。
【００７１】
すなわち、活性層に穴状領域が存在することにより、活性層内を流れる電流に分布ができ、低電流密度領域が可飽和吸収領域となるので、自励発振が生じる。このことについて以下に詳述する。
【００７２】
図１６は、本実施形態の発光素子における注入電流の流れを示す断面模式図である。同図においては、分かり易くするために、図１６に示した発光素子の構造を簡略化した構造を例示して説明する。図１６に示したように、ノンドープＧａＮ層５５３とノンドープＩｎＧａＮ層５５４のヘテロ接合があり、しかもノンドープＩｎＧａＮ層５５４側の界面には穴（ピット）Ｐがある。両者にはそれぞれｐ型コンタクト層５５２、ｎ型コンタクト層５５５を介してｐ側電極５５１、ｎ側電極５５６が接続されている。
【００７３】
いま、両電極に順方向に電圧をかけたとすると、ノンドープＧａＮ層５５３の方がノンドープＩｎＧａＮ層５５４に比べてバンドギャップが大きいために、電流は図１６中の矢印で示すように流れ、ＩｎＧａＮ層５５４のうちの穴状領域の下の部分の電流密度は他の領域の電流密度に比べて、疎になる。
【００７４】
本発明者は、この現象を実証するために二次元のシミュレーションを実行し、電流の分布を調べた。図１７にシミュレーションで用いた層構造を示す。層構造はレーザ構造を模したものであり、５×１０18ｃｍ-3にドープされた厚さ０．１μｍのｎ型ＧａＮコンタクト層５６１、５×１０17ｃｍ-3にドープされた厚さ０．３μｍのｎ型Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ｎクラッド層５６２、厚さ０．１μｍのノンドープＧａＮ隣接層５６３、厚さ０．１μｍのノンドープＩｎ0.08Ｇａ0.92Ｎ活性層５６４、厚さ０．１μｍのノンドープＧａＮ隣接層５６５、５×１０17ｃｍ-3にドープされた厚さ０．３μｍのｐ型Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ｎクラッド層５６６、５×１０18ｃｍ-3にドープされた厚さ０．１μｍのｐ型ＧａＮコンタクト層５６７からなる。ノンドープＩｎ0.08Ｇａ0.92Ｎ活性層５６４のノンドープＧａＮ隣接層５６３に接する界面には幅０．１μｍ、深さ０．０５μｍの穴状領域（ピット）Ｐが１μｍの間隔を置いて並んでいる。実際のピットの形状はこのような矩形では必ずしもないが、計算の簡便化のためにこのような形状でシミュレーションを行った。形状の違いがシミュレーション結果に本質的な影響を及ぼさないことは言うまでもない。
【００７５】
このような構造に４Ｖの電圧を印加した時の穴状領域（ピット）の直下での電流密度の分布を図１８に示す。ピットの部分で電流密度が３０％以上も低減している。このように電流の疎密が穴状領域の存在によってもたらされることが明らかとなった。そして、このような電流分布が生じることになり、レーザ発振が生じる際には、まず、電流が密な部分で発振が始まり、電流が疎の部分が可飽和吸収体となることになる。尚、隣接層がノンドープでなく、５×１０17ｃｍ-3にドープされている場合についても同様の結果であった。このように、穴状領域が存在することで、電流の疎密が発生することになる。そして、電流が疎の部分は可飽和吸収体となり、自励発振が実現できる。
【００７８】
次に、本発明の第６の実施の形態について説明する。図１９は本発明の第６の実施形態に係わる窒化物系半導体発光素子の概略構成を説明するためのものである。同図において、７００はサファイア基板、７０１はバッファー層、７０２はｎ型ＧａＮコンタクト層（Ｓｉドープ、３〜５×１０18ｃｍ-3、４μｍ）、７０３はｎ型ＡｌＧａＮクラッド層（Ｓｉドープ、５×１０17ｃｍ-3、０. ３μｍ）、７０４はｎ型Ｉｎ0.1 Ｇａ0.9 Ｎ／Ｉｎ0.02Ｇａ0.98Ｎ多重量子井戸隣接層（Ｓｉドープ、５×１０17ｃｍ-3、井戸幅２ｎｍ、障壁幅４ｎｍ、２０層）、７０５はＩｎ0.2 Ｇａ0.8 Ｎ／Ｉｎ0.05Ｇａ0.95Ｎ多重量子井戸活性層（ノンドープ、井戸幅２ｎｍ、障壁幅４ｎｍ、１０層）、７０６はｐ型ＧａＮ隣接層（Ｍｇドープ、５×１０17ｃｍ-3、０．１μｍ）、７０７はｐ型ＡｌＧａＮクラッド層（Ｍｇドープ、５×１０17ｃｍ-3、０．３μｍ）、７０８はｐ型ＧａＮコンタクト層（Ｍｇドープ、５×１０18ｃｍ-3、０．５μｍ）、７０９はＳｉＯ2 膜、７１０はｐ側電極、７１１はｎ側電極である。
【００７９】
ｎ型Ｉｎ0.1 Ｇａ0.9 Ｎ／Ｉｎ0.02Ｇａ0.98Ｎ多重量子井戸隣接層７０４は次のように成長させる。成長温度は７６０℃で、Ｉｎ0.1 Ｇａ0.9 Ｎ井戸層の成長にはＴＭＩ、ＴＭＧ、アンモニア、ＳｉＨ4 を用い、厚さが２ｎｍの井戸層を成長する。次に、１秒間、アンモニアだけを供給した状態で待機したのち、ＴＭＩ、ＴＭＧ、アンモニア、ＳｉＨ4 を用いて厚さが４ｎｍのＩｎ0.02Ｇａ0.98Ｎ障壁層を成長する。つぎに再度１秒間の待機時間をおいて井戸層を同様に成長する。このようなプロセスを合計２０回繰り返すことでｎ型Ｉｎ0.1 Ｇａ0.9 Ｎ／Ｉｎ0.02Ｇａ0.98Ｎ多重量子井戸隣接層７０４が形成できる。
【００８０】
また、 Ｉｎ0.2 Ｇａ0.8 Ｎ／Ｉｎ0.05Ｇａ0.95Ｎ多重量子井戸活性層７０５の成長方法は次の通りである。７６０℃の成長温度で、Ｉｎ0.2 Ｇａ0.8 Ｎを２ｎｍ成長し、１秒間の待機時間を設てＩｎ0.05Ｇａ0.95Ｎを成長する。このサイクルを合計１０回繰り返す。
【００８１】
このような成長方法によってｎ型Ｉｎ0.1 Ｇａ0.9 Ｎ／Ｉｎ0.02Ｇａ0.98Ｎ多重量子井戸隣接層７０４とＩｎ0.2 Ｇａ0.8 Ｎ／Ｉｎ0.05Ｇａ0.95Ｎ多重量子井戸活性層７０５共に、島状領域を有し、かつ、ピットを有する構造を形成することが可能となる。
【００８２】
以上、具体例を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明した。しかし、本発明はこれらの具体例に限定されるものではない。例えば、前述した第１から第６の実施形態では活性層はノンドープ層であるが、ｎ型あるいはｐ型にドープされていても良い。またこれに隣接する層はドーピングされていなくても、あるいはｎ型やｐ型にドーピングされていても良い。その他、本発明はその要旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施できる。
【００８３】
【発明の効果】
以上詳述したように本発明の窒化物系半導体レーザによれば、複雑な構造を用いずに、自励発振を生じる窒化物系半導体発光素子が高い確率で得られる。これによって、低ノイズの特性をもった光ディスク記録の読み出し用半導体レーザとして実用可能な性能を満たした半導体レーザを安価に容易に作成でき、その有用性は絶大である。さらに、同じ構造の窒化物系半導体レーザにより記録媒体からの読み出しおよび書き込みが可能になり読み出し書き込み兼用へッドの構造を飛躍的に単純化できた。
一方、本発明の窒化物系半導体発光ダイオードによれば、発光効率の高い窒化物系発光ダイオードが得られた。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の窒化物系半導体発光素子の第１の実施形態を示す断面図である。
【図２】 図１に示す多重量子井戸隣接層１０４の面内発光分布を表す模式図である。
【図３】 図１に示す多重量子井戸隣接層１０４におけるＩｎ組成比とドナー濃度の関係を示すグラフである。
【図４】 図１に示す多重量子井戸隣接層１０４におけるバンド構造を示す模式図である。
【図５】 図１に示す窒化物系半導体発光素子の光出力に対する自励発振生起割合を示すグラフである。
【図６】 半導体レーザを光ディスクの読み出しに応用した状態を説明する模式図である。
【図７】 本発明の窒化物系半導体発光素子の第２の実施形態を示す断面図である。
【図８】 図７に示す活性層２０５を透過型電子顕微鏡により観察した結果を表す模式図である。
【図９】 図７に示す窒化物系半導体発光素子の製造条件を示すグラフである。
【図１０】 本発明の窒化物系半導体発光素子の第３の実施形態を示す断面図である。
【図１１】 図１０に示す窒化物系半導体発光素子に用いる基板の構造を示す概略図で、（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図である。
【図１２】 図１０に示す活性層３０５の透過型電子顕微鏡による観察の結果を表す模式図である。
【図１３】 図１０に示す活性層３０５における島状領域の平均径と半導体発光素子の外部量子効率の関係を示すグラフである。
【図１４】 本発明の窒化物系半導体発光素子の第４の実施形態を示す断面図である。
【図１５】 本発明の窒化物系半導体発光素子の第５の実施形態を示す断面図である。
【図１６】 隣接層が活性層よりもバンドギャップが大きいの場合の電流経路を示す概略図である。
【図１７】 ２次元のシュミレーションで用いた層構造を示す概略図である。
【図１８】 図１７に示した素子に対する２次元のシュミレーションにおいて４Ｖの電圧を印加した時の穴状領域の直下での電流密度の分布図である。
【図１９】 本発明の窒化物系半導体発光素子の第６の実施形態を示す断面図である。
【符号の説明】
１００ サファイヤ基板，
１０１ ｎ型ＧａＮバッファー層
１０２ ｎ型ＧａＮコンタクト層
１０３ ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層
１０４ ｎ型Ｉｎ0.1 Ｇａ0.9 Ｎ／ＧａＮ多重量子井戸隣接層
１０５ Ｉｎ0.3 Ｇａ0.7 Ｎ／ＧａＮ多重量子井戸活性層
１０６ ｐ型ＧａＮ隣接層
１０７ ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層
１０８ ｐ型ＧａＮコンタクト層
１０９ ｎ型ＧａＮ通電障壁層
１１０ ｐ側電極
１１１ ｎ側電極
１５０ レーザ光
１５２ レンズ
１５４Ａ 本発明による窒化物系半導体レーザ・ビーム
１５４Ｂ 従来のＤＶＤシステムのレーザ・ビーム
１５４Ｃ コンパクト・ディスクシステムのレーザ・ビーム
１６０ 光ディスク
１６２ トラック
１６４ ピット
２００ ｐ型ＳｉＣ基板
２０１ ｐ型ＡｌＮバッフア層
２０２ ｐ型ＧａＮ層
２０３ ｐ型Ａｌ0.3 Ｇａ0.7 Ｎクラッド層
２０４ Ａｌ0.1 Ｇａ0.9 Ｎ隣接層
２０５ Ｉｎ0.1 Ｇａ0.9 Ｎ／Ａｌ0.1 Ｇａ0.9 Ｎ多重量子井戸活性層
２０６ Ａｌ0.1 Ｇａ0.9 Ｎ隣接層
２０７ ｎ型Ａｌ0.3 Ｇａ0.7 Ｎクラッド層
２０８ ｐ型ＧａＮ電流狭窄層
２０９ ｎ型ＧａＮコンタクト層
２１０ ｎ側電極
２１１ ｐ側電極
３００ サファイヤ基板
３０１ ＧａＮバッファー層
３０２ ｐ型ＧａＮコンタクト層
３０３ ｐ型Ａｌ0.2 Ｇａ0.8 Ｎクラッド層
３０４ ｐ型ＧａＮ隣接層
３０５ Ｉｎ0.3 Ｇａ0.7 Ｎ／ＧａＮ多重量子井戸活性層
３０６ ｎ型ＧａＮ隣接層
３０７ ｎ型Ａｌ0.2 Ｇａ0.8 Ｎクラッド層
３０８ ｐ型ＧａＮ通電障壁層
３０９ ｎ型ＧａＮコンタクト層
３１０ ｎ側電極
３１１ ｐ側電極
４００ サファイヤ基板
４０１ ＧａＮバッファ層
４０２ ｎ型ＧａＮコンタクト層
４０３ ｎ型 ＧａＮ層
４０４ Ｉｎ0.3 Ｇａ0.7 Ｎ／ＧａＮ ３ＭＱＷ活性層
４０５ ｐ型 ＧａＮ層
４０６ ｐ型ＧａＮコンタクト層
４１０ ｐ側電極
４１１ ｎ側電極
４１２ ＩＴＯ透明電極
５００ サファイア基板
５０１ バッファ層
５０２ ｎ型ＧａＮコンタクト層
５０３ ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層
５０４ ノンドープＧａＮ隣接層
５０５ ＩｎＧａＮＭＱＷ活性層
５０６ ノンドープＧａＮ隣接層
５０７ ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層
５０８ ｐ型ＧａＮコンタクト層
５０９ ＳｉＯ2 膜
５１０ ｐ側電極
５１１ ｎ側電極
５５１ ｐ側電極
５５２ ｐ型コンタクト層
５５３ ノンドープＧａＮ層
５５４ ノンドープＩｎＧａＮ層
５５５ ｎ型コンタクト層
５５６ ｎ側電極
Ｐ ピット
５６１ ｎ型ＧａＮコンタクト層
５６２ ｎ型Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ｎクラッド層
５６３ ノンドープＧａＮ隣接層
５６４ ノンドープＩｎ0.08Ｇａ0.92Ｎ活性層
５６５ ノンドープＧａＮ隣接層
５６６ ｐ型Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ｎクラッド層
５６７ ｐ型ＧａＮコンタクト層
７００ サファイヤ基板
７０１ バッファー層
７０２ ｎ型ＧａＮコンタクト層
７０３ ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層
７０４ ｎ型Ｉｎ0.1 Ｇａ0.9 Ｎ／Ｉｎ0.02Ｇａ0.98Ｎ多重量子井戸活性層
７０５ Ｉｎ0.2 Ｇａ0.8 Ｎ／Ｉｎ0.05Ｇａ0.95Ｎ多重量子井戸活性層
７０６ ｐ型ＧａＮ隣接層
７０７ ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層
７０８ ｐ型ＧａＮコンタクト層
７０９ ＳｉＯ2 膜
７１０ ｐ側電極
７１１ ｎ側電極
【発明の属する技術分野】
本発明はＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ等の窒化物系の化合物半導体を用いた発光素子およびその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
窒化物系化合物半導体については、サフアイヤ、ＳｉＣ、スピネルなどの基板上に成長する六方晶型結晶が現在のところ、最も良好な結晶とされている。しかしサファイヤ基板、スピネル基板は導電性が低いため電極はｐ型、ｎ型とも窒化物半導体表面に形成している。半導体レーザのような高電流注入では表面を電流が多く流れるいわゆるリーク電流が生じ、発光に寄与する電流が少ないため、発光効率が低く、半導体レーザの信頼性も低い。さらに、リーク電流を防いだり、半導体レーザを低電流動作させるために必要な電流密度を上げるための、電流狭窄構造を形成することが困難である。このため、従来は低動作電流で高電流注入においてもリーク電流がなく信頼性の高い半導体レーザ構造が得られていない。
【０００３】
また、従来の光ディスク記録の読み出し用光へッドとしての半導体レーザは、発振中の強度変化によるノイズが問題となっており、この対策として例えば自励発振型構造が用いられるが、超薄膜活性層構造では自励発振を得ることは難しい。このため、高周波重畳法やレーザ自体を二種類用いる方法などか採用されているが、いずれも構造は複雑である。また、活性層の膜厚を場所により変えて２種類のレーザを形成する方法も報告されているが、この方法では活性層の厚さの制御が極めて難しいという問題がある。また、読み出しと書き込みを行うヘッドでは出力の異なる２種類のレーザを用いることが一般的であるが、いずれもその構造は複雑である。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
このように従来の窒化物系半導体レーザでは光ディスク記録の読み出し側光へッドとして実用可能な性能を満たした半導体レーザを安価に容易に作成することは困難であった。
【０００５】
したがって、本発明の目的は上記事情を考慮し、簡単な構造で自励発振を行うことが可能な窒化物系半導体発光素子およびその製造方法を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本願第１の発明は、基板上に活性層およびこれに隣接する隣接層を含む、六方晶系の結晶構造を有する３元以上のIII −Ｖ族化合物半導体からなる混晶層が積層形成された窒化物系半導体発光素子において、前記隣接層はＩｎＧａＮを含む多重量子井戸構造を有しており、前記隣接層には、この隣接層を構成するインジウムの濃度が周辺より高い島状領域が点在し、前記島状領域の最大径が１００ｎｍ以下であり、かつ前記島状領域の不純物濃度が周辺部の不純物濃度に比べて低いことを特徴とする窒化物系半導体発光素子である。
【０００７】
本願第２の発明は、前記活性層には穴状領域が点在し、この穴状領域が前記隣接層を形成する半導体によって埋め込まれていることを有する前記第１の発明に記載の窒化物系半導体発光素子である。
【０００８】
本願第３の発明は、前記隣接層には穴状領域が点在していることを有する前記第１の発明に記載の窒化物系半導体発光素子である。
【０００９】
本願第４の発明は、前記活性層は多重量子井戸構造を有しており、この活性層には、この活性層を構成するインジウムの濃度が周辺より高い島状領域が点在し、この島状領域は、この領域を囲む領域の材料のバンドギャップに比べて同じか、または、１０ｍｅＶ以内の差で小さいバンドギャップを有する前記第１の発明に記載の窒化物系半導体発光素子である。
【００１０】
本願第５の発明は、前記不純物はＳｉ、Ｃ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｐｂの内の少なくも１つであることを有する前記第１乃至第４の発明に記載の窒化物系半導体発光素子である。
【００１１】
本願第６の発明は、前記島状領域相互の間隔をｄ、その周辺部の屈折率をｎ、前記島状領域の発光波長をλとした時、λｍ＝２ｎｄ（ｍ＝１、２、３、４）を満たすことを有する前記第４の発明に記載の窒化物系半導体発光素子である。
【００１２】
本願第７の発明は、前記活性層には穴状領域が点在し、この穴状領域が前記隣接層を形成する半導体によって埋め込まれており、かつ、前記隣接層には穴状領域が点在し、この穴状領域が前記隣接層に隣接し活性層側ではない層を形成する半導体によって埋め込まれていることを有する前記第４乃至６の発明に記載の窒化物系半導体発光素子である。
【００１７】
本願第９の発明は、基板上に活性層およびこれに隣接する多重量子井戸隣接層を含む、六方晶系の結晶構造を有する３元以上のIII −Ｖ族化合物半導体からなる混晶層を積層形成した窒化物系半導体発光素子の製造方法において、前記多重量子井戸隣接層はＩｎＧａＮを含む多重量子井戸構造を有しており、井戸層の成長用の原料ガスと障壁層の成長用の原料ガスを交互に所定時間供給して井戸層および障壁層を交互に成長させるとともに、前記井戸層の成長と前記障壁層の成長との間に所定の待機時間を設けて、前記多重量子井戸隣接層に、この多重量子井戸隣接層を構成するインジウムの濃度が周辺より高くかつ不純物濃度が周辺部の不純物濃度に比べて低い最大径が１００ｎｍ以下の島状領域を点在して形成することを有する窒化物系半導体発光素子の製造方法である。
【００１８】
本願第１０の発明は、前記井戸層の成長用の原料ガスはトリメチルインジウム、トリメチルガリウムおよびアンモニアガスであり、前記障壁層の成長用の原料ガスはトリメチルガリウムおよびアンモニアガスであることを有する第９の発明に記載の窒化物系半導体発光素子の製造方法である。
【００１９】
本願第１３の発明は、基板上に活性層およびこれに隣接する多重量子井戸隣接層を含む、六方晶系の結晶構造を有する３元以上のIII −Ｖ族化合物半導体からなる混晶層を積層形成した窒化物系半導体発光素子を有機金属を用いた気相成長により製造するに際し、前記気相成長の原料ガスとして、トリメチルインジウム、トリメチルガリウムおよびアンモニアガスを用い、成長温度を７００℃以上８５０℃以下とし、かつ、すべての原料ガスとキャリアガス流量の総和を標準換算で一分間に１０リットル以上５０リットル以下とし、さらにＶ族元素とＩＩＩ族元素のモル流量比を１０００以上１５０００以下で、前記活性層のエピタキシャル成長を行い、さらに水素、窒素、及びアンモニアを流しながら昇温した後、前記活性層に点在して形成された穴状領域を前記多重量子井戸隣接層を形成する半導体によって埋め込むことを有する窒化物系半導体発光素子の製造方法である。
【００２０】
要約すれば、本発明は、窒化物半導体発光素子の活性層または活性層に隣接する隣接層を可飽和吸収領域にすることにより自励発振を生じさせるようにしたものである。
【００２１】
したがって、本発明によれば、自励発振を複雑な構造を用いずに発生することかでき、低ノイズの特性をもった光デイスク記録の読み出し用半導体レーザを形成できる。また、書き込み用を読み出し用と同じ構造で作製が可能で、書き込み読み出し両用へツドの構造を簡素化できる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面を用いて詳細に説明する。
図１は本発明の第１の実施形態に係わる窒化物系半導体レーザの概略構成を説明する断面図である。同図中で、１００はサファイヤ基板、１０１はｎ型ＧａＮバッファー層（Ｓｉドーブ、３〜５×１０18ｃｍ-3、０．１μｍ）であり、１０２はｎ型ＧａＮコンタクト層（Ｓｉドーブ、３〜５×１０18ｃｍ-3、４μｍ）、１０３はｎ型ＡｌＧａＮクラッド層（Ｓｉドープ、５×１０17ｃｍ-3、０．３μｍ）、１０４はｎ型Ｉｎ0.1 Ｇａ0.9 Ｎ／ＧａＮ多重量子井戸(multiple quantum well) 隣接層（Ｓｉドーブ、５×１０17ｃｍ-3、井戸幅２ｎｍ、障壁幅４ｎｍ、ペアー数３）、１０５はＩｎ0.3 Ｇａ0.7 Ｎ／ＧａＮ多重量子井戸活性層（アンドープ、井戸幅２ｎｍ、障壁幅４ｎｍ、ペアー数３）、１０６はｐ型ＧａＮ隣接層（Ｍｇドープ，５×１０17ｃｍ-3、０．１μｍ）、１０７はｐ型ＡｌＧａＮクラッド層（Ｍｇドープ、５×１０17ｃｍ-3、０．３μｍ）、１０８はｐ型ＧａＮコンタクト層（Ｍｇドープ、１〜３×１０18ｃｍ-3、０．５μｍ）、１０９はｎ型ＧａＮ通電障壁層（Ｓｉドープ、１×１０18ｃｍ-3、０．３μｍ）、１１０はｐ側電極、１１１はｎ側電極である。
【００２３】
図１に示した半導体レーザの製造方法は次のとおりである。始めに有機金属を用いた気相成長（Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｕｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：ＭＯＣＶＤ）法により、サファイア基板１００の上に、ｎ型ＧａＮバッファー層１０１からｎ型ＧａＮ層１０９まで成長する。その後、ｎ型ＧａＮ層１０９の上に一部フォトリソグラフィーによりマスクを形成し、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１０７が露出するまでエッチングを行う。次に、ｐ型ＧａＮコンタクト層１０８を成長する。その後ｎ型ＧａＮコンタクト層１０２を形成するためにｎ型ＧａＮコンタクト層１０２を形成する部分をマスクで覆いエッチング除去する。マスクを除去しｎ側電極１１１、ｐ側電極１１０を形成し、図１の構造の窒化物系半導体レーザが製造できる。
【００２４】
ここで、前記ｎ型Ｉｎ0.1 Ｇａ0.9 Ｎ／ＧａＮ多重量子井戸隣接層１０４（Ｓｉドープ、井戸幅２ｎｍ、障壁幅４ｎｍ、ペアー数３）は次のように成長させる。成長温度は７６０℃、Ｉｎ0.1 Ｇａ0.9 Ｎ層の成長には、ＴＭＩ（トリメチルインジウム）、ＴＭＧ（トリメチルガリウム）、アンモニアガスおよびシランを用い、通常の厚膜成長で１μｍ／ｈの成長速度が得られる条件下で８秒間成長する。これによって幅２ｎｍの井戸層が形成される。ついで、１秒間の待機時間をおいてＴＭＧ（トリメチルガリウム）、アンモニアガスおよびシランを用い、同じ成長速度の条件下で１８秒間成長させる。これによって幅４ｎｍの障壁層が形成される。以下同じプロセスを３回繰り返し、井戸（ｗｅｌｌ）層と障壁（ｂａｒｒｉｅｒ）層のペアを３組積層形成した。
【００２５】
このようにして成長した多重量子井戸隣接層１０４には、層の面内方向において、Ｉｎ組成が局所的に多い部分が形成されることが判明した。
図２は、カソード・ルミネッセンス法による多重量子井戸隣接層１０４の井戸層の発光波長の面内分布を表す模式図である。すなわち、同図中においては、ハッチで示した領域において、周囲よりも波長の長い発光が観察された。一般に、カソード・ルミネッセンス法により得られる発光の波長は、ターゲットの組成に依存して変化する。ここでは、インジウムの含有量が多い程、その発光波長は長くなる。すなわち、多重量子井戸隣接層１０４は、その面内において、インジウムの組成が高い領域が島状に存在することが分かった。その分布状態と発光波長を詳細に調べた結果、多重量子井戸隣接層１０４の各井戸層には、直径約２ｎｍで、インジウム組成約３０％の島状の領域が多数形成されていることが分かった。この島状の領域は周辺に比べＩｎが多く、活性層１０５からの発光波長に対応するバンドギャップとほぼ同じバンドギャップを有する。また、多重量子井戸層１０４には、前述したようにシリコン（Ｓｉ）をドープしているが、図３に示したように、インジウム濃度が高い領域にはシリコンが含まれにくく、その結果として、インジウム濃度が高い部分のキャリヤ濃度は低い。
【００２６】
図４は多重量子井戸隣接層１０４におけるＩｎＧａＮ井戸層とＧａＮ障壁層のペアのコンダクション・バンドの状態を示す模式図である。すなわち同図において、横方向は隣接層１０４の厚み方向の距離を示し、縦方向はエネルギー・レベルを示している。同図に示したように、ＧａＮ障壁層に高濃度にドナーが存在してエネルギー・バンドが大きく湾曲している。このようにエネルギー・バンドが湾曲することにより、この部分でのＩｎＧａＮ井戸層へのキャリヤの閉じ込めは有効質量の小さい電子に対しては弱くなり、発光は生じない。また、活性層１０５が発光することにより、この隣接層１０４でのＩｎ組成の多い部分での吸収が生じるが、その吸収は、微少な島状の領域で起こる。従って、隣接層１０４は可飽和吸収状態となり自励発振状態となる。このような自励発振状態は高出力の条件であっても持続した。また、この隣接層１０４に含まれる不純物を、ｎ型不純物であるシリコン（Ｓｉ）、炭素（Ｃ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、スズ（Ｓｎ）、鉛（Ｐｂ）のいずれかとした場合には、しきい値上昇等の悪影響はなかった。
【００２７】
本実施形態のレーザはしきい値２０ｍＡで室温連続発振した。発振波長は４２０ｎｍ、動作電圧は３．８Ｖであった。５０ｍＷ時にＳ／Ｎは本構造を用いない従来の半導体レーザの２０ｄＢに比べ１３０ｄＢと向上した。また、従来の活性層近傍に可飽和吸収層を設けた厚い活性層の自励発振型レーザでは高出力は困難であったが本実施形態では２００ｍＷまで安定した横モードで出力を出す事ができた。
【００２８】
次に、本発明者は、前述した製造方法により島状の吸収領域が形成された本発明の窒化物系レーザを多数個製造し、自励発振の生ずる割合を調べた。
図５は、製造した窒化物系半導体レーザについて光出力を変化させて発光させた場合、自励発振を生じた窒化物系半導体発光素子の割合を示したグラフである。同図において、横軸は光出力を示し、縦軸は自励発振を起こした窒化物系半導体発光素子の割合を示す。図中の黒丸は本発明の窒化物系半導体発光素子を表す。また図中の白丸は、比較例であり、島状の吸収領域の代わりに、層状の吸収領域を形成した窒化物系半導体発光素子を示している。この比較例についてさらに詳しく説明すると、活性層からみてガイド層の外側に、層厚１０ｎｍのＩｎ0.25Ｇａ0.75Ｎ吸収層を設けた。
【００２９】
図４から、層状の吸収領域を設けた比較例では、自励発振を生ずる割合が低く、しかも安定していないのに対して、島状の吸収領域が形成された本発明の窒化物系半導体発光素子は低出力から高出力に亘って、自励発振を生ずる窒化物系半導体発光素子が得られる確率が安定して高いことが分かる。
【００３０】
図６は、本発明による半導体レーザを光ディスクのデータ読み出しに応用した状態を説明する模式図である。すなわち、同図においては、図示しない半導体レーザ素子からレーザ光１５０が放出され、レンズ１５２により集束されて光ディスク１６０に入射する。光ディスク１６０の表面には、同心円上にトラック１６２が設けられ、そのトラック１６２に沿ってピット１６４が形成されている。レンズ１５２により集束されたレーザ光は、このピット１６４の有無に応じて反射率が変化し、図示しない受光部において検出される。ここで、本発明による窒化物系半導体レーザから得られる波長が４２０ｎｍのレーザ・ビームを用いた場合には、同図に示したようにレンズにより集束されて極めて細いビーム１５４Ａを得ることができる。同図には、比較のために、従来の、ＤＶＤシステム（波長：λ＝６５０ｎｍ、開口比：ＮＡ＝０．６）のレーザ・ビーム１５４Ｂと、コンパクト・ディスクシステム（波長：λ＝７８０ｎｍ、開口比：ＮＡ＝０．４５）のレーザ・ビーム１５４Ｃとを示した。これらの比較から明らかなように、本発明の窒化物系半導体レーザを用いた場合には、極めて集束されたレーザ・ビームを得ることができ、光ディスク１６０におけるトラック１６２の間隔と、ピット１６４の間隔をそれぞれ縮小することができる。その結果として、従来のＤＶＤシステムと比較しても、記録容量を約３倍増大することができる。
【００３１】
さらに、本発明の窒化物系半導体レーザによれば、同一の窒化物系半導体レーザにより、光記録媒体からの読み出し及び書き込みが可能になる。すなわち、本発明の半導体レーザは、容易に自励発振を生ずるために、データ読み出しを低いノイズで安定して行うことができ、さらに、高出力動作が可能であるために、データ書き込み動作も行うことができる。その結果として、データの読み出しと書き込みとを兼用できるピックアップ・ヘッドの構造を飛躍的に単純化できる。
【００３２】
なお、前述した例では、多重量子井戸隣接層１０４は３ペアーの井戸層と障壁層のものを用いたが、ペアー数は層の厚さとＩｎの組成により適宜決定することができる。また、障壁層はＧａＮに限定されず、ＩｎやＡｌ等を含んだ材料でもよい。
【００３３】
次に、本発明の第２の実施形態について説明する。
図７は本発明の第２の実施形態に係わる窒化物系半導体レーザの概略構成を説明する断面図である。同図において、２００はｐ型ＳｉＣ基板、２０１はｐ型ＡｌＮバッファ層（Ｍｇドープ、３〜５×１０20ｃｍ-3、０．１μｍ）、２０２はｐ型ＧａＮ層（Ｍｇドープ、１×１０19ｃｍ-3、４μｍ）、２０３はｐ型Ａｌ0.3 Ｇａ0.7 Ｎクラッド層（Ｍｇドーブ、５×１０17ｃｍ-3、０．３μｍ）、２０４はＡｌ0.1 Ｇａ0.9 Ｎ隣接層（アンドープ、０．１μｍ）、２０５は多重量子井戸活性層Ｉｎ0.1 Ｇａ0.9 Ｎ／Ａｌ0.1 Ｇａ0.9 Ｎ（アンドープ、井戸幅１ｎｍ、障壁幅２ｎｍ、ペアー数３）、２０６はＡｌ0.1 Ｇａ0.9 Ｎ隣接層（アンドープ、０．１μｍ ）、２０７はｎ型Ａｌ0.3 Ｇａ0.7 Ｎクラッド層（Ｓｉドープ、５×１０17ｃｍ-3、０．３μｍ）、２０８はｐ型ＧａＮ電流狭窄層（Ｍｇドープ、５×１０17ｃｍ-3、０．１μｍ）、２０９はｎ型ＧａＮコンタクト層（Ｓｉド一プ、１〜３×１０19ｃｍ-3、０．１μｍ）、２１０はｎ側電極、２１１はｐ側電極である。
【００３４】
この窒化物系半導体レーザの製造方法は次のとおりである。始めにＭＯＣＶＤ法によりｐ型ＧａＮ電流狭窄層２０８まで成長しその後、 ｐ型ＧａＮ電流狭窄層２０８の上に一部フォトリソグラフィーによりマスク（図示せず）を形成し、ｎ型Ａｌ0.3 Ｇａ0.7 Ｎクラッド層２０７が露出するまでエッチングを行う。次に、ｐ型ＧａＮコンタクト層２０９を成長する。両面に電極を形成し、その後劈開により共振器の端面（ｆａｃｅｔ）を形成する。
【００３５】
本実施形態においては、Ｉｎ0.1 Ｇａ0.9 Ｎ／Ａｌ0.1 Ｇａ0.9 Ｎ多重量子井戸活性層２０５も、前述した実施形態の多重量子井戸隣接層１０４と同様なプロセスにより製造する。具体的には、ＩｎＧａＮの成長にはＴＭＧ、ＴＭＩおよびアンモニアガスを用い、ＡｌＧａＮ層の成長には、ＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）、ＴＭＧ、アンモニアガスを用い、成長温度８６０℃、原料のＶ／III 比が約１７０、各層での成長中断時間を１秒として、３回繰り返して成長させる。この結果、井戸厚２ｎｍ、障壁厚４ｎｍ、ぺアー数３の多重量子井戸層を形成できる。
【００３６】
このようなプロセスにより、多重量子井戸活性層２０５の井戸層部分にもインジウム（Ｉｎ）組成が局所的に多い領域が形成される。具体的には、各井戸層において、直径２ｎｍ、Ｉｎ組成約２０％の島状の領域が面内に分布して多数形成される。この領域は周辺に比べＩｎが多いことにより、格子定数がずれて、歪みがかかる。その結果として、Ｉｎの含有量は多いがバンドギャップは周辺の領域と１０ｍｅＶ以下の違いしかない。この半導体レーザに電流を注入すると、Ｉｎ組成が高いこの島状の領域ではドーパントのＳｉが少なく導電性が低いため発光が効率的に行われる。
【００３７】
図８は、この活性層２０５を透過型電子顕微鏡（ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）により観察した結果を表す模式図である。すなわち、活性層２０５においては、Ｉｎ濃度が周辺より高濃度となっている島状の領域が面内方向に規則正しく並んでいる。このインジウム高濃度組成領域の直径は、概ね７０ｎｍであり、その間隔は概ね２００ｎｍであった。また、本発明者の実験の結果、成長条件を変える事によってこの島状領域の間隔をコントロールできる事か判明した。
【００３８】
この島状領域相互の間隔をｄ，この島状領域の周辺部の屈折率をｎとした場合、高濃度領域の発光波長がλであればｄ＝λｍ／２ｎ（ｍ＝１、２、３、４）の場合がもっとも自励発振を安定して生ずる事ができた。なお、ｍが４を超える場合には自励発振の安定性が低下した。これは通常、多数ある発振モードが選択されることによると考えられる。
【００３９】
本実施形態によれば、分布帰還型レーザのような複雑な構造を用いなくても、自励発振を行うことができるとともに、モードホッピングの抑制を行うことができ、低ノイズ化が実現できることが分かった。
【００４０】
図９は発光波長４００〜４３０ｎｍのそれぞれにおける最適成長条件を表すグラフである。すなわち、同図の横軸は成長温度（℃）で、縦軸はＩｎの含有割合（％）を示し、それぞれの発光波長において、固層中のＩｎの含有割合と、成長温度の最適条件を示す。
【００４１】
活性層内に形成される島状のインジウム高濃度領域においてはドナーが少ない。従って、島状の領域は発光効率が高く、さらに、量子的な閉じ込め効果により発光効率の高い励起子分子（双極子）の安定的な存在を促進する。これにより高Ｉｎ濃度の島状領域は体積的には微小であるが、レーザ発振するに十分な反転分布を形成することが可能である。一方、Ｉｎが高濃度の領域の周辺の低Ｉｎ領域においては、バンドギャップは島状領域よりも大きいもののドナーが存在するためにその準位による吸収により可飽和吸収層として働き自励発振状態となる。この状態は高出力時であっても持続した。
【００４２】
活性層にドープする不純物については、ｎ型となるＳｉ、Ｃ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｐｂ以外ではしきい値が上昇して実用的ではなかった。一方、Ｓｉの場合には、特に高い発光効率が得られた。
【００４３】
本構造の半導体レーザではしきい値１０ｍＡで発振波長は３７５ｎｍが得られ、基本横モード発振し、５０００時間までの安定動作も確認した。本実施形態では基板としてＳｉＣを用いたが導電性の基板であれば良く、ＺｎＯ基板の場合にはさらに優れた電流電圧特性が得られた。また、電流狭窄層２０８は活性層２０５に対して基板２００の側に設けても良く、また、活性層２０５の両側に設けても良い。また、電流狭窄層の材料は、コンタクト層に比べ屈折率の高い材料でもよい。
【００４４】
次に、本発明の第３の実施形態を説明する。
図１０は本発明の第３の実施形態を示す窒化物系半導体レーザの断面図である。同図において、３００はサファイヤ基板、３０１はＧａＮバッファー層（０．０１μｍ）であり、３０２はｐ型ＧａＮコンタクト層（Ｍｇドープ、３〜５×１０18ｃｍ-3、１μｍ）、３０３はｐ型Ａｌ0.2 Ｇａ0.8 Ｎクラッド層（Ｍｇドープ、５×１０17ｃｍ-3、０．３μｍ）、３０４はｐ型ＧａＮ隣接層（Ｍｇドープ、５×１０17ｃｍ-3、０．１μｍ）、３０５はＩｎ0.3 Ｇａ0.7 Ｎ／ＧａＮ多重量子井戸活性層（アンドープ、井戸幅２ｎｍ、障壁幅４ｎｍ、ペアー数３）、３０６はｎ型ＧａＮ隣接層（Ｓｉドープ、５×１０17ｃｍ-3、０．１μｍ）、３０７はｎ型Ａｌ0.2 Ｇａ0.8 Ｎクラッド層（Ｓｉドープ、５×１０17ｃｍ-3、０．３μｍ）、３０８はｐ型ＧａＮ通電障壁層（Ｍｇド−プ、１×１０18ｃｍ-3、０．３μｍ）、３０９はｎ型ＧａＮコンタクト層（Ｓｉドープ、１〜３×１０18ｃｍ-3、０．５μｍ）、３１０はｎ側電極、３１１はｐ側電極である。
【００４５】
以下にその製造方法の概略を述べる。結晶成長はＭＯＣＶＤ法によって行った。始めに、サファイヤ基板３００にＭＯＣＶＤ法によりＧａＮバッファー層３０１を成長させるが、サファイヤ基板３００は図１１（ａ）、（ｂ）に示されるように、スリット状の切れ目３２０が入っているものを用いた。ここで、切れ目３２０の開口は、例えば、約２５０μｍ×３０μｍ、切れ目同士の間隔は約２５０μｍ程度とすることができる。
【００４６】
本実施形態においては、まず、サファイヤ基板３００上に横方向の成長速度が速くなる条件でＧａＮバッファー層３０１の成長を行う。すなわち、結晶成長時に、ＧａＮの供給速度に対して成長温度を十分に高くすることにより、基板表面でのＧａＮ原子の移動が高まる。このような条件でバッファー層３０１を成長することによって、サファイヤ基板３００の切れ目３２０の部分はＧａＮバッファー層３０１で塞がれる状態となる。
【００４７】
その後、通常の成長状態で順次ｐ型ＧａＮコンタクト層３０２からｐ型ＧａＮ通電障壁層３０８まで成長を行う。ｐ型ＧａＮ通電障壁層３０８まで成長した後、フオトリソグラフィーによりｐ型ＧａＮ通電障壁層３０８の上に部分的にマスク（図示せず）を形成し、 ｎ型Ａｌ0.2 Ｇａ0.8 Ｎクラッド層３０７が露出するまでエッチングを行う。次にマスクを除去し、ｎ型ＧａＮコンタクト層３０９を成長する。コンタクト層３０９の上にＮｉとＡｕを蒸着してｎ側電極３１０を形成する。また、基板３００下面側よりＧａＮバッファー層３０１をエッチングにより除去し、Ｐｔ、Ｔｉ、Ａｕを順次蒸着してｐ側電極３１１を形成する。これをレーザ素子とするため劈開により端面（図示せず）を形成し、ダイシングにより半導体発光素子を分離して図１０の半導体レーザを得る。端面には図示しないが誘電体多層膜による高反射コートを施してある。
【００４８】
次に、本実施形態における上記Ｉｎ0.2 Ｇａ0.8 Ｎ／ＧａＮ多重量子井戸活性層３０５の具体的な成長条件を説明する。成長温度は７４０℃で、ＩｎＧａＮ層はＴＭＧ、ＴＭＩおよびアンモニアガスを用い、ＧａＮ層はＴＭＧおよびアンモニアガスを用いる。ＩｎＧａＮ井戸層は成長速度がＩｎ0.2 Ｇａ0.8 Ｎの厚膜成長で１μｍ／ｈの得られる成長条件で７秒、ＧａＮ障壁層はＴＭＩを止めて２０秒の成長を行う。また、ＩｎＧａＮ井戸層とＧａＮ障壁層の成長の間には１．５秒の待機時間を設ける。厚膜と量子井戸のような薄膜とでは成長条件が同じでも成長速度が異なるが、これは成長の初期過程で成長速度が異なるためである。このような成長を行うことにより、Ｉｎ0.2 Ｇａ0.8 Ｎ／ＧａＮ多重量子井戸活性層３０５内にはＩｎ組成が局所的に多い部分が井戸層部分に形成される。具体的には各井戸層に直径２ｎｍ、Ｉｎ組成約３０％の領域か多数形成される。この領域は周辺に比べＩｎが多いことにより歪みがかかり、これによりＩｎが多いがバンドギャップは周辺の領域と１０ｍｅＶ以下の違いしかない。この窒化物系半導体レーザに電流注入を行った場合、Ｉｎ組成が高いこの領域ではドーパントのＳｉが少なく導電性が低くキャリヤの注入は主にその周辺に行われる。
【００４９】
図１２は、活性層３０５の透過型電子顕微鏡による観察の結果を表す模式図である。すなわち、電子顕微鏡により格子像を観察した結果、活性層３０５においては、数ｎｍの径の島状領域が点在することが観察された。特性Ｘ線スペクトル分析法を用いてこの島状の領域の組成を調べた結果、周囲よりもＩｎ濃度が高いことが確認された。さらに、カソードルミネッセンス法により観察した結果、この島状領域に対応して規則正しく並んだ発光点が観測できた。
【００５０】
このような島状の領域が形成される原因は、ＧａＮの上にＧａＮと格子整合しないＩｎＧａＮを成長するために、島状の成長が起こるからであると考えられる。ここで、本発明者は、種々の成長条件で形成した島状領域の直径と、半導体レーザの外部量子効率との関係について調べた。
【００５１】
図１３は、島状領域の大きさと外部量子効率との関係を表すグラフである。すなわち、同図において、縦軸は外部量子効率を表し、横軸は島状領域の平均径を表す。同図から分かるように、島状領域の直径が小さくなるほど、外部量子効率が増加する傾向が得られた。特に高い外部量子効率を得るためには、島状領域の直径は１００ｎｍ以下であることが望ましい。島状領域の径がこれ以上大きくなると、図１３に示すように発光効率が著しく低下することが分かった。
【００５２】
次に、本発明者は、島状領域とその周辺部のインジウムの濃度の２次元的な分布を詳細に調べた結果、直径が１００ｎｍ以下の島状領域が存在するためには、島状領域の端部において、２ｎｍごとに１０％以上の割合でインジウム濃度が変化する必要があることが分かった。つまり、島状領域の端部において、これ以上の急峻なインジウム濃度の増加がある場合には、直径１００ｎｍ以下の島状領域が存在し得ることが分かった。
【００５３】
活性層内の高Ｉｎ組成部はドナーが少ないのでＩｎ組成の高い部分は発光効率が良い。また、量子的な閉じ込め効果により発光効率の良い励起子分子の安定的な存在を促す。これにより島状の高Ｉｎ領域は、体積的には微小であるが発振するに十分な反転分布を形成することが可能である。そして島状高濃度領域の周辺の低Ｉｎ領域は、バンドギャップは島状高濃度領域より大きいものの、ドナーが存在するためにその準位による吸収により可飽和吸収層として働き自励発振状態となる。この状態は高出力時であっても持続した。
【００５４】
活性層にドープする不純物としては、ｎ型となるＳｉ、Ｃ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｐｂ以外ではしきい値が上昇し実用的ではなかった。
この実施形態では活性層の下に、横方向に成長させたＧａＮバッファー層３０１が設けられているので極端に転位や欠陥か少ない。その結果として、リーク電流が抑制され、半導体発光素子の破壊も起こりにくかった。
【００５５】
また本実施形態の半導体レーザはしきい値２０ｍＡで室温連続発振し、発振波長は４２０ｎｍ、動作電圧は３．８Ｖであった。また、自励発振を行う事により５０ｍＷ動作時のＳ／Ｎは、本構造を用いない従来の半導体レーザの２０ｄＢに比べ１３０ｄＢと顕著に向上した。また、活性層に量子井戸構造を採用しているため自励発振で２００ｍＷ、自励発振を維持しない場合は３００ｍＷの高出力を得る事かできた。また、半導体発光素子の寿命はライフテストにおける劣化傾向から１０万時間以上と予想され、低ノイズ、高出力、高信頼性を実現できた。
【００５６】
本実施形態では基板としてサフアイヤ基板を用いているか石英ガラス、ダイヤモンド、ＢＮなどでも良い。さらに成長方法としてＭＢＥ（ＭｏｌｅｃｕｌａｒＢｅａｍ Ｅｐｉｔａｘｙ）法を用いると、パイレックスガラスやＺｎＯ等も基板として用いる事ができる。
【００５７】
次に、本発明の第４の実施形態について説明する。
第１４図は本発明の第４の実施形態に係わる窒化物系半導体発光ダイオード（ＬＥＤ）の概略構成を説明するためのものである。同図において、４００はサファイヤ基板、４０１はＧａＮバッファ層（３〜５×１０18ｃｍ-3，４μｍ）、４０２はｎ型ＧａＮコンタクト層（Ｓｉドープ，１×１０18ｃｍ-3，２μｍ），４０３はｎ型ＧａＮ層（Ｓｉドープ，５×１０17ｃｍ-3，０．１μｍ），４０４はＩｎ0.3 Ｇａ0.7 Ｎ／ＧａＮ ３ＭＱＷ活性層（Ｓｉドープ，井戸層２ｎｍ，障壁層４ｎｍ），４０５はｐ型ＧａＮ層（Ｍｇドープ，５×１０17ｃｍ-3，０．１μｍ），４０６はＧａＮコンタクト層（Ｍｇドープ， ３×１０18ｃｍ-3，０．０５μｍ），４１０はｐ側電極，４１１はｎ側電極，４１２はＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ Ｔｉｎ Ｏｘｉｄｅ）透明電極である。
【００５８】
同図の各半導体層はＭＯＣＶＤ法により成長した。活性層４０４の成長時にはそれぞれのＩｎ0.3 Ｇａ0.7 Ｎ井戸層の成長後に成長中断時間を１秒から３秒設けてＩｎ濃度が高い島状領域を作成した。活性層以外の成長は通常の成長方法で行った．成長後ｐ電極となる部分をマスキングしｎ型ＧａＮコンタクト層４０２が露出するまでドライエッチングしてメサ形状を形成する．マスクを除去し，メサの側面などリーク電流が流れやすい部分にはＳｉＯ2 を付けた．メサ形状の上面には全面透明電極を形成しさらに一部分でｎ側電極４１１に遠い部分にｐ側電極４１０を形成し、ｎ側電極４１１を形成した，半導体発光素子構造とした．
作成後に発光素子を分解し活性層部分を透過電子顕微鏡で観察したところ井戸層部分にＩｎが周りより高い領域が観察され，その領域はほぼ４ｎｍの直径であった．また，特性Ｘ線により調べたところ、この高濃度領域は周りのＩｎ濃度が低い領域に比べＩｎ濃度が１０％程度多く含まれていることがわかった．
素子の動作電圧は２．７Ｖで光出力は１０ｍＡで１０ｍＷであった．また，１００ｍＡでは５０ｍＷであった．発光効率も良く外部量子効率は３０％に達した．このような高効率で発光強度が強い素子が実現できたのは、活性層にあるＩｎ濃度が高い領域に注入されたキャリヤが、その高Ｉｎ濃度領域に閉じ込められて非発光再結合をすることなく再結合したためである．
本実施形態では光源として青色のみを用いているが、活性層中のＩｎ量を増量することにより赤色光に近い波長まで発光可能となり、フィルタなどを用いれば、赤、緑、青の三原色ができ、ＧａＮ系のフルカラー発光素子を実現することもできる。
【００５９】
次に、本発明の第５の実施形態について説明する。
図１５は本発明の第５の実施形態に係わる窒化物系半導体発光素子の概略構成を説明するためのものである。同図に示した発光素子においては、サファイア基板５００の上に、バッファー層５０１、ｎ型ＧａＮコンタクト層（Ｓｉドープ、３〜５×１０18ｃｍ-3、４μｍ）５０２、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層（Ｓｉドープ、５×１０17ｃｍ-3、０．３μｍ）５０３、ノンドープＧａＮ隣接層（０. １μｍ）５０４、ＩｎＧａＮ多重量子井戸（ＭＱＷ）活性層５０５、ノンドープＧａＮ隣接層（０．１μｍ）５０６、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層（Ｍｇドープ、５×１０17ｃｍ-3、０．３μｍ）５０７、ｐ型ＧａＮコンタクト層（Ｍｇドープ、５×１０18ｃｍ-3、０．５μｍ）５０８、ＳｉＯ2 （二酸化珪素）膜５０９が順次積層されている。また、５１０はｐ側電極、５１１はｎ側電極である。
【００６０】
製造方法は次の通りである。ＭＯＣＶＤ法で基板５００の上にバッファー層５０１を成長し、次に成長温度１１００℃でＴＭＧ（トリメチルガリウム）、ＴＭＡ（トリメチルアルミニウム) 、アンモニア、水素、窒素を用いて、ｎ型ＧａＮコンタクト層５０２、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層５０３、ノンドープＧａＮ隣接層５０４を順次積層する。
【００６１】
次に、ＩＩＩ族の原料ガスの供給を停止し、基板温度を７６０℃に降温する。この温度で、ＴＭＧを−１５℃に保ち、水素ガスをキャリアガスとして１０ｃｃ／分、アンモニアを２０℃で１０Ｌ／分、窒素を１９．７Ｌ／分流し、これに加えてＴＭＩ（トリメチルインジウム）を３７℃で窒素をキャリアガスとして５００ｃｃ／分と１５ｃｃ／分との組み合わせで約１．５分ずつ２０回繰り返し切り替えて供給し、ＩｎＧａＮ多重量子井戸活性層５０５の成長を行う。
【００６２】
この後、ＴＭＧとＴＭＩの供給を止めることで成長を停止し、水素を４０ｃｃ／分、窒素を１９. ９６Ｌ／分、アンモニアを１０Ｌ／分の流量で流しながら、１１００℃まで４分間かけて昇温する。ついで温度を１１００℃で保持し、水素を５００ｃｃ／分、窒素を１４．５Ｌ／分、ＴＭＧを１００ｃｃ／分、アンモニアを１０Ｌ／分の流量供給してノンドープＧａＮ隣接層５０６を積層する。この後これにＣｐ2 Ｍｇ（ビスシクロペンタジエニルマグネシウム）とＴＭＡを加えてｐ型ＡｌＧａＮクラッド層５０７を形成し、次にＴＭＡの供給を止めてｐ型ＧａＮコンタクト層５０８を積層する。この後、ＳｉＯ2 膜５０９の堆積、フォトリソグラフィー、エッチング、ｐ側電極５１０、ｎ側電極５１１の蒸着、アロイ等の行程を経て図１５に示す窒化物系半導体発光素子が完成する。
【００６３】
なお、前述の工程においては、隣接層５０４を成長した後に成長温度を７６０℃まで高温したが、この温度は、７００℃以上８５０℃以下であることが望ましい。以下に、この理由を説明する。
【００６４】
本発明者は、ＩｎＧａＮの成長条件を調べるために、まず、原料ガスとキャリヤガスの流量の総和を１分あたり３０リットルにし、Ｖ族元素とIII 族元素のガスの流量比を８４００にし、様々な成長温度でＩｎＧａＮの成長を行った。これをフォトルミネッセンス（Ｐｈｏｔｏ Ｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ：ＰＬ）で評価したところ、表１に示すように７００℃以上８５０℃以下の範囲において、十分な強度のＰＬ発光が観測できた。成長温度が７００℃を下回ると、成長が不十分となり、ＰＬ発光強度が上がらない。成長温度が８５０℃を上回ると、結晶がダメージを受けるため、ＰＬ発光強度が極端に低減した。
【００６５】
【表１】
次に、本発明者は、成長温度を７６０℃に固定し、原料ガスとキャリヤガスの流量の総和を１分あたり３０リットルにし、Ｖ族元素とIII 族元素のモル流量比依存性を調べた。その結果、表２の様にＶ族元素とIII 族元素のモル流量比が１０００以上１５０００以下では十分な強度のＰＬ発光が見られた。
Ｖ族元素とIII 族元素のモル流量比が１０００を下回ると、十分に反応しないため、ＰＬ発光強度が上がらない。
Ｖ族元素とIII 族元素のモル流量比が１５０００を上回ると、本来III 族元素が反応するべき結晶格子にもＶ族元素が割り込んで反応してしまい、III 族元素が十分に反応できないため、ＰＬ発光強度が極端に低減した。
【００６７】
【表２】
さらに、成長温度を７６０℃に固定し、Ｖ族元素とIII 族元素の流量比を８４００にし、すべての原料ガスとキャリヤガスの１分間あたりの総流量に対する依存性を調べたところ、表３の様に一分間あたりの総流量が１０リットル以上、５０リットル以下では十分な強度のＰＬ発光が見られた。一分間あたりの総流量が１０リットルを下回ると、十分に反応しないため、ＰＬ発光強度が上がらない。一分間あたりの総流量が５０リットルを上回ると、流速が早くなり、十分な反応時間がとれないため、ＰＬ発光強度が極端に低減した。
【００６９】
【表３】
本実施形態では、ＩｎＧａＮ多重量子井戸活性層５０５およびノンドープＧａＮ隣接層５０６ともに意図的にはドーピングを施していない。本発明者の実験によれば、上記のように成長した場合、ＧａＮ層の方がＩｎＧａＮ層よりも高抵抗であることがわかっている。また、上記のように成長したものの断面をＴＥＭ（透過電子顕微鏡）で観察したところ、 ＩｎＧａＮ多重量子井戸活性層５０５に穴状領域（ピット）が存在し、このピットがノンドープＧａＮ隣接層５０６によって埋め込まれ、平坦化されていることがわかった。従って前記の実施形態の半導体発光素子によれば、以下に述べる原理により自励発振が生じる。
【００７１】
すなわち、活性層に穴状領域が存在することにより、活性層内を流れる電流に分布ができ、低電流密度領域が可飽和吸収領域となるので、自励発振が生じる。このことについて以下に詳述する。
【００７２】
図１６は、本実施形態の発光素子における注入電流の流れを示す断面模式図である。同図においては、分かり易くするために、図１６に示した発光素子の構造を簡略化した構造を例示して説明する。図１６に示したように、ノンドープＧａＮ層５５３とノンドープＩｎＧａＮ層５５４のヘテロ接合があり、しかもノンドープＩｎＧａＮ層５５４側の界面には穴（ピット）Ｐがある。両者にはそれぞれｐ型コンタクト層５５２、ｎ型コンタクト層５５５を介してｐ側電極５５１、ｎ側電極５５６が接続されている。
【００７３】
いま、両電極に順方向に電圧をかけたとすると、ノンドープＧａＮ層５５３の方がノンドープＩｎＧａＮ層５５４に比べてバンドギャップが大きいために、電流は図１６中の矢印で示すように流れ、ＩｎＧａＮ層５５４のうちの穴状領域の下の部分の電流密度は他の領域の電流密度に比べて、疎になる。
【００７４】
本発明者は、この現象を実証するために二次元のシミュレーションを実行し、電流の分布を調べた。図１７にシミュレーションで用いた層構造を示す。層構造はレーザ構造を模したものであり、５×１０18ｃｍ-3にドープされた厚さ０．１μｍのｎ型ＧａＮコンタクト層５６１、５×１０17ｃｍ-3にドープされた厚さ０．３μｍのｎ型Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ｎクラッド層５６２、厚さ０．１μｍのノンドープＧａＮ隣接層５６３、厚さ０．１μｍのノンドープＩｎ0.08Ｇａ0.92Ｎ活性層５６４、厚さ０．１μｍのノンドープＧａＮ隣接層５６５、５×１０17ｃｍ-3にドープされた厚さ０．３μｍのｐ型Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ｎクラッド層５６６、５×１０18ｃｍ-3にドープされた厚さ０．１μｍのｐ型ＧａＮコンタクト層５６７からなる。ノンドープＩｎ0.08Ｇａ0.92Ｎ活性層５６４のノンドープＧａＮ隣接層５６３に接する界面には幅０．１μｍ、深さ０．０５μｍの穴状領域（ピット）Ｐが１μｍの間隔を置いて並んでいる。実際のピットの形状はこのような矩形では必ずしもないが、計算の簡便化のためにこのような形状でシミュレーションを行った。形状の違いがシミュレーション結果に本質的な影響を及ぼさないことは言うまでもない。
【００７５】
このような構造に４Ｖの電圧を印加した時の穴状領域（ピット）の直下での電流密度の分布を図１８に示す。ピットの部分で電流密度が３０％以上も低減している。このように電流の疎密が穴状領域の存在によってもたらされることが明らかとなった。そして、このような電流分布が生じることになり、レーザ発振が生じる際には、まず、電流が密な部分で発振が始まり、電流が疎の部分が可飽和吸収体となることになる。尚、隣接層がノンドープでなく、５×１０17ｃｍ-3にドープされている場合についても同様の結果であった。このように、穴状領域が存在することで、電流の疎密が発生することになる。そして、電流が疎の部分は可飽和吸収体となり、自励発振が実現できる。
【００７８】
次に、本発明の第６の実施の形態について説明する。図１９は本発明の第６の実施形態に係わる窒化物系半導体発光素子の概略構成を説明するためのものである。同図において、７００はサファイア基板、７０１はバッファー層、７０２はｎ型ＧａＮコンタクト層（Ｓｉドープ、３〜５×１０18ｃｍ-3、４μｍ）、７０３はｎ型ＡｌＧａＮクラッド層（Ｓｉドープ、５×１０17ｃｍ-3、０. ３μｍ）、７０４はｎ型Ｉｎ0.1 Ｇａ0.9 Ｎ／Ｉｎ0.02Ｇａ0.98Ｎ多重量子井戸隣接層（Ｓｉドープ、５×１０17ｃｍ-3、井戸幅２ｎｍ、障壁幅４ｎｍ、２０層）、７０５はＩｎ0.2 Ｇａ0.8 Ｎ／Ｉｎ0.05Ｇａ0.95Ｎ多重量子井戸活性層（ノンドープ、井戸幅２ｎｍ、障壁幅４ｎｍ、１０層）、７０６はｐ型ＧａＮ隣接層（Ｍｇドープ、５×１０17ｃｍ-3、０．１μｍ）、７０７はｐ型ＡｌＧａＮクラッド層（Ｍｇドープ、５×１０17ｃｍ-3、０．３μｍ）、７０８はｐ型ＧａＮコンタクト層（Ｍｇドープ、５×１０18ｃｍ-3、０．５μｍ）、７０９はＳｉＯ2 膜、７１０はｐ側電極、７１１はｎ側電極である。
【００７９】
ｎ型Ｉｎ0.1 Ｇａ0.9 Ｎ／Ｉｎ0.02Ｇａ0.98Ｎ多重量子井戸隣接層７０４は次のように成長させる。成長温度は７６０℃で、Ｉｎ0.1 Ｇａ0.9 Ｎ井戸層の成長にはＴＭＩ、ＴＭＧ、アンモニア、ＳｉＨ4 を用い、厚さが２ｎｍの井戸層を成長する。次に、１秒間、アンモニアだけを供給した状態で待機したのち、ＴＭＩ、ＴＭＧ、アンモニア、ＳｉＨ4 を用いて厚さが４ｎｍのＩｎ0.02Ｇａ0.98Ｎ障壁層を成長する。つぎに再度１秒間の待機時間をおいて井戸層を同様に成長する。このようなプロセスを合計２０回繰り返すことでｎ型Ｉｎ0.1 Ｇａ0.9 Ｎ／Ｉｎ0.02Ｇａ0.98Ｎ多重量子井戸隣接層７０４が形成できる。
【００８０】
また、 Ｉｎ0.2 Ｇａ0.8 Ｎ／Ｉｎ0.05Ｇａ0.95Ｎ多重量子井戸活性層７０５の成長方法は次の通りである。７６０℃の成長温度で、Ｉｎ0.2 Ｇａ0.8 Ｎを２ｎｍ成長し、１秒間の待機時間を設てＩｎ0.05Ｇａ0.95Ｎを成長する。このサイクルを合計１０回繰り返す。
【００８１】
このような成長方法によってｎ型Ｉｎ0.1 Ｇａ0.9 Ｎ／Ｉｎ0.02Ｇａ0.98Ｎ多重量子井戸隣接層７０４とＩｎ0.2 Ｇａ0.8 Ｎ／Ｉｎ0.05Ｇａ0.95Ｎ多重量子井戸活性層７０５共に、島状領域を有し、かつ、ピットを有する構造を形成することが可能となる。
【００８２】
以上、具体例を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明した。しかし、本発明はこれらの具体例に限定されるものではない。例えば、前述した第１から第６の実施形態では活性層はノンドープ層であるが、ｎ型あるいはｐ型にドープされていても良い。またこれに隣接する層はドーピングされていなくても、あるいはｎ型やｐ型にドーピングされていても良い。その他、本発明はその要旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施できる。
【００８３】
【発明の効果】
以上詳述したように本発明の窒化物系半導体レーザによれば、複雑な構造を用いずに、自励発振を生じる窒化物系半導体発光素子が高い確率で得られる。これによって、低ノイズの特性をもった光ディスク記録の読み出し用半導体レーザとして実用可能な性能を満たした半導体レーザを安価に容易に作成でき、その有用性は絶大である。さらに、同じ構造の窒化物系半導体レーザにより記録媒体からの読み出しおよび書き込みが可能になり読み出し書き込み兼用へッドの構造を飛躍的に単純化できた。
一方、本発明の窒化物系半導体発光ダイオードによれば、発光効率の高い窒化物系発光ダイオードが得られた。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の窒化物系半導体発光素子の第１の実施形態を示す断面図である。
【図２】 図１に示す多重量子井戸隣接層１０４の面内発光分布を表す模式図である。
【図３】 図１に示す多重量子井戸隣接層１０４におけるＩｎ組成比とドナー濃度の関係を示すグラフである。
【図４】 図１に示す多重量子井戸隣接層１０４におけるバンド構造を示す模式図である。
【図５】 図１に示す窒化物系半導体発光素子の光出力に対する自励発振生起割合を示すグラフである。
【図６】 半導体レーザを光ディスクの読み出しに応用した状態を説明する模式図である。
【図７】 本発明の窒化物系半導体発光素子の第２の実施形態を示す断面図である。
【図８】 図７に示す活性層２０５を透過型電子顕微鏡により観察した結果を表す模式図である。
【図９】 図７に示す窒化物系半導体発光素子の製造条件を示すグラフである。
【図１０】 本発明の窒化物系半導体発光素子の第３の実施形態を示す断面図である。
【図１１】 図１０に示す窒化物系半導体発光素子に用いる基板の構造を示す概略図で、（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図である。
【図１２】 図１０に示す活性層３０５の透過型電子顕微鏡による観察の結果を表す模式図である。
【図１３】 図１０に示す活性層３０５における島状領域の平均径と半導体発光素子の外部量子効率の関係を示すグラフである。
【図１４】 本発明の窒化物系半導体発光素子の第４の実施形態を示す断面図である。
【図１５】 本発明の窒化物系半導体発光素子の第５の実施形態を示す断面図である。
【図１６】 隣接層が活性層よりもバンドギャップが大きいの場合の電流経路を示す概略図である。
【図１７】 ２次元のシュミレーションで用いた層構造を示す概略図である。
【図１８】 図１７に示した素子に対する２次元のシュミレーションにおいて４Ｖの電圧を印加した時の穴状領域の直下での電流密度の分布図である。
【図１９】 本発明の窒化物系半導体発光素子の第６の実施形態を示す断面図である。
【符号の説明】
１００ サファイヤ基板，
１０１ ｎ型ＧａＮバッファー層
１０２ ｎ型ＧａＮコンタクト層
１０３ ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層
１０４ ｎ型Ｉｎ0.1 Ｇａ0.9 Ｎ／ＧａＮ多重量子井戸隣接層
１０５ Ｉｎ0.3 Ｇａ0.7 Ｎ／ＧａＮ多重量子井戸活性層
１０６ ｐ型ＧａＮ隣接層
１０７ ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層
１０８ ｐ型ＧａＮコンタクト層
１０９ ｎ型ＧａＮ通電障壁層
１１０ ｐ側電極
１１１ ｎ側電極
１５０ レーザ光
１５２ レンズ
１５４Ａ 本発明による窒化物系半導体レーザ・ビーム
１５４Ｂ 従来のＤＶＤシステムのレーザ・ビーム
１５４Ｃ コンパクト・ディスクシステムのレーザ・ビーム
１６０ 光ディスク
１６２ トラック
１６４ ピット
２００ ｐ型ＳｉＣ基板
２０１ ｐ型ＡｌＮバッフア層
２０２ ｐ型ＧａＮ層
２０３ ｐ型Ａｌ0.3 Ｇａ0.7 Ｎクラッド層
２０４ Ａｌ0.1 Ｇａ0.9 Ｎ隣接層
２０５ Ｉｎ0.1 Ｇａ0.9 Ｎ／Ａｌ0.1 Ｇａ0.9 Ｎ多重量子井戸活性層
２０６ Ａｌ0.1 Ｇａ0.9 Ｎ隣接層
２０７ ｎ型Ａｌ0.3 Ｇａ0.7 Ｎクラッド層
２０８ ｐ型ＧａＮ電流狭窄層
２０９ ｎ型ＧａＮコンタクト層
２１０ ｎ側電極
２１１ ｐ側電極
３００ サファイヤ基板
３０１ ＧａＮバッファー層
３０２ ｐ型ＧａＮコンタクト層
３０３ ｐ型Ａｌ0.2 Ｇａ0.8 Ｎクラッド層
３０４ ｐ型ＧａＮ隣接層
３０５ Ｉｎ0.3 Ｇａ0.7 Ｎ／ＧａＮ多重量子井戸活性層
３０６ ｎ型ＧａＮ隣接層
３０７ ｎ型Ａｌ0.2 Ｇａ0.8 Ｎクラッド層
３０８ ｐ型ＧａＮ通電障壁層
３０９ ｎ型ＧａＮコンタクト層
３１０ ｎ側電極
３１１ ｐ側電極
４００ サファイヤ基板
４０１ ＧａＮバッファ層
４０２ ｎ型ＧａＮコンタクト層
４０３ ｎ型 ＧａＮ層
４０４ Ｉｎ0.3 Ｇａ0.7 Ｎ／ＧａＮ ３ＭＱＷ活性層
４０５ ｐ型 ＧａＮ層
４０６ ｐ型ＧａＮコンタクト層
４１０ ｐ側電極
４１１ ｎ側電極
４１２ ＩＴＯ透明電極
５００ サファイア基板
５０１ バッファ層
５０２ ｎ型ＧａＮコンタクト層
５０３ ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層
５０４ ノンドープＧａＮ隣接層
５０５ ＩｎＧａＮＭＱＷ活性層
５０６ ノンドープＧａＮ隣接層
５０７ ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層
５０８ ｐ型ＧａＮコンタクト層
５０９ ＳｉＯ2 膜
５１０ ｐ側電極
５１１ ｎ側電極
５５１ ｐ側電極
５５２ ｐ型コンタクト層
５５３ ノンドープＧａＮ層
５５４ ノンドープＩｎＧａＮ層
５５５ ｎ型コンタクト層
５５６ ｎ側電極
Ｐ ピット
５６１ ｎ型ＧａＮコンタクト層
５６２ ｎ型Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ｎクラッド層
５６３ ノンドープＧａＮ隣接層
５６４ ノンドープＩｎ0.08Ｇａ0.92Ｎ活性層
５６５ ノンドープＧａＮ隣接層
５６６ ｐ型Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ｎクラッド層
５６７ ｐ型ＧａＮコンタクト層
７００ サファイヤ基板
７０１ バッファー層
７０２ ｎ型ＧａＮコンタクト層
７０３ ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層
７０４ ｎ型Ｉｎ0.1 Ｇａ0.9 Ｎ／Ｉｎ0.02Ｇａ0.98Ｎ多重量子井戸活性層
７０５ Ｉｎ0.2 Ｇａ0.8 Ｎ／Ｉｎ0.05Ｇａ0.95Ｎ多重量子井戸活性層
７０６ ｐ型ＧａＮ隣接層
７０７ ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層
７０８ ｐ型ＧａＮコンタクト層
７０９ ＳｉＯ2 膜
７１０ ｐ側電極
７１１ ｎ側電極
Claims (9)
- 基板上に活性層およびこれに隣接する隣接層を含む、六方晶系の結晶構造を有する３元以上のIII −Ｖ族化合物半導体からなる混晶層が積層形成された窒化物系半導体発光素子において、前記隣接層はＩｎＧａＮを含む多重量子井戸構造を有しており、前記隣接層には、この隣接層を構成するインジウムの濃度が周辺より高い島状領域が点在し、前記島状領域の最大径が１００ｎｍ以下であり、かつ前記島状領域の不純物濃度が周辺部の不純物濃度に比べて低いことを特徴とする窒化物系半導体発光素子。
- 前記活性層には穴状領域が点在し、この穴状領域が前記隣接層を形成する半導体によって埋め込まれていることを特徴とする請求項１記載の窒化物系半導体発光素子。
- 前記隣接層には穴状領域が点在していることを特徴とする請求項１記載の窒化物系半導体発光素子。
- 前記活性層は多重量子井戸構造を有しており、この活性層には、この活性層を構成するインジウムの濃度が周辺より高い島状領域が点在し、この島状領域は、この領域を囲む領域の材料のバンドギャップに比べて同じか、または、１０ｍｅＶ以内の差で小さいバンドギャップを有することを特徴とする請求項１記載の窒化物系半導体発光素子。
- 前記不純物はＳｉ、Ｃ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｐｂの内の少なくも１つであることを特徴とする請求項１乃至４記載の窒化物系半導体発光素子。
- 前記島状領域相互の間隔をｄ、その周辺部の屈折率をｎ、前記島状領域の発光波長をλとした時、λｍ＝２ｎｄ（ｍ＝１、２、３、４）を満たすことを特徴とする請求項４記載の窒化物系半導体発光素子。
- 前記活性層には穴状領域が点在し、この穴状領域が前記隣接層を形成する半導体によって埋め込まれており、かつ、前記隣接層には穴状領域が点在し、この穴状領域が前記隣接層に隣接し活性層側ではない層を形成する半導体によって埋め込まれていることを特徴とする請求項４乃至６記載の窒化物系半導体発光素子。
- 基板上に活性層およびこれに隣接する多重量子井戸隣接層を含む、六方晶系の結晶構造を有する３元以上のIII −Ｖ族化合物半導体からなる混晶層を積層形成した窒化物系半導体発光素子の製造方法において、前記多重量子井戸隣接層はＩｎＧａＮを含む多重量子井戸構造を有しており、井戸層の成長用の原料ガスと障壁層の成長用の原料ガスを交互に所定時間供給して井戸層および障壁層を交互に成長させるとともに、前記井戸層の成長と前記障壁層の成長との間に所定の待機時間を設けて、前記多重量子井戸隣接層に、この多重量子井戸隣接層を構成するインジウムの濃度が周辺より高くかつ不純物濃度が周辺部の不純物濃度に比べて低い最大径が１００ｎｍ以下の島状領域を点在して形成することを特徴とする窒化物系半導体発光素子の製造方法。
- 前記井戸層の成長用の原料ガスはトリメチルインジウム、トリメチルガリウムおよびアンモニアガスであり、前記障壁層の成長用の原料ガスはトリメチルガリウムおよびアンモニアガスであることを特徴とする請求項８記載の窒化物系半導体発光素子の製造方法。
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