JP2002374043A - 窒化ガリウム系化合物半導体素子 - Google Patents
窒化ガリウム系化合物半導体素子Info
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- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
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- H01L33/02—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor bodies
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 長寿命で温度特性に優れた窒化ガリウム系化
合物半導体素子を提供すること。 【解決手段】 Ｉｎを含みｎ型不純物をドープしたｎ型
窒化ガリウム系化合物半導体から成る活性層１０７の上
に、低濃度のｎ型不純物及びｐ型不純物とを含む（好ま
しくはノンドープ成長の）第１のキャップ層１０８ａ
と、Ａｌを含みｐ型不純物をドープした第２のキャップ
層とを積層することにより、活性層とキャップ層の界面
付近におけるドナーとアクセプタの補償を抑制する。
合物半導体素子を提供すること。 【解決手段】 Ｉｎを含みｎ型不純物をドープしたｎ型
窒化ガリウム系化合物半導体から成る活性層１０７の上
に、低濃度のｎ型不純物及びｐ型不純物とを含む（好ま
しくはノンドープ成長の）第１のキャップ層１０８ａ
と、Ａｌを含みｐ型不純物をドープした第２のキャップ
層とを積層することにより、活性層とキャップ層の界面
付近におけるドナーとアクセプタの補償を抑制する。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、窒化物半導体（ＩｎX
ＡｌYＧａ1-X-YＮ、０≦X、０≦Y、X＋Y≦１）を用いた
窒化ガリウム系化合物半導体素子に関し、特にＩｎを含
む活性層を有する窒化ガリウム系化合物半導体素子に関
する。
ＡｌYＧａ1-X-YＮ、０≦X、０≦Y、X＋Y≦１）を用いた
窒化ガリウム系化合物半導体素子に関し、特にＩｎを含
む活性層を有する窒化ガリウム系化合物半導体素子に関
する。
【０００２】
【従来の技術】窒化物半導体を用いた窒化ガリウム系化
合物半導体素子は、発光ダイオード素子（ＬＥＤ）、レ
ーザダイオード素子（ＬＤ）等の発光素子、太陽電池、
光センサ等の受光素子、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用いられる。特に、窒化物
半導体を用いた半導体レーザ素子は、紫外域から赤色に
至るまで、幅広く可視光域での発振が可能と考えられ、
その応用範囲は、光ディスクシステムの光源の他、レー
ザプリンタ、光ネットワークなどの光源など、多岐にわ
たるものと期待されている。
合物半導体素子は、発光ダイオード素子（ＬＥＤ）、レ
ーザダイオード素子（ＬＤ）等の発光素子、太陽電池、
光センサ等の受光素子、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用いられる。特に、窒化物
半導体を用いた半導体レーザ素子は、紫外域から赤色に
至るまで、幅広く可視光域での発振が可能と考えられ、
その応用範囲は、光ディスクシステムの光源の他、レー
ザプリンタ、光ネットワークなどの光源など、多岐にわ
たるものと期待されている。
【０００３】従来の窒化ガリウム系化合物半導体素子で
は、Ｉｎを含むｎ型活性層と、Ａｌを含むｐ型クラッド
層を組み合わせたヘテロｐｎ接合を基本構成にもつ場合
が多い。また、Ｉｎを含むｎ型活性層は分解し易いた
め、比較的高温でｐ型クラッド層を成長するときの活性
層の分解を防止するために、ｎ型活性層とｐ型クラッド
層の間にＡｌＧａＮから成るキャップ層を薄膜に形成す
る場合が多い。
は、Ｉｎを含むｎ型活性層と、Ａｌを含むｐ型クラッド
層を組み合わせたヘテロｐｎ接合を基本構成にもつ場合
が多い。また、Ｉｎを含むｎ型活性層は分解し易いた
め、比較的高温でｐ型クラッド層を成長するときの活性
層の分解を防止するために、ｎ型活性層とｐ型クラッド
層の間にＡｌＧａＮから成るキャップ層を薄膜に形成す
る場合が多い。
【０００４】従来の窒化ガリウム系化合物半導体素子の
一例として、窒化物半導体レーザの模式断面図を図３に
示す。図３の窒化物半導体レーザは、ＩｎＧａＮから成
るＭＱＷ活性層を、ｎ型及びｐ型ＡｌＧａＮクラッド層
で挟んだダブルへテロ構造を有している。ＥＬＯＧ成長
されたＧａＮ基板１０１上に、バッファ層１０２を介し
て、ｎ型ＡｌＧａＮコンタクト層１０３、ｎ型ＩｎＧａ
Ｎクラック防止層１０４、ｎ型ＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格
子クラッド層１０５、アンドープＧａＮ光ガイド層１０
６、ＩｎＧａＮから成る量子井戸活性層１０７、ｐ型Ａ
ｌＧａＮキャップ層１０８、アンドープＧａＮ光ガイド
層１０９、ｐ型ＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子クラッド層１
１０、ｐ型ＧａＮコンタクト層１１１が順に積層されて
いる。また、１６２はＺｒＯ２からなる保護膜、１６４
はＳｉＯ２とＴｉＯ２よりなる誘電体多層膜、１２０は
ｐ電極、１２１はｎ電極、１２２と１２３は取り出し電
極である。
一例として、窒化物半導体レーザの模式断面図を図３に
示す。図３の窒化物半導体レーザは、ＩｎＧａＮから成
るＭＱＷ活性層を、ｎ型及びｐ型ＡｌＧａＮクラッド層
で挟んだダブルへテロ構造を有している。ＥＬＯＧ成長
されたＧａＮ基板１０１上に、バッファ層１０２を介し
て、ｎ型ＡｌＧａＮコンタクト層１０３、ｎ型ＩｎＧａ
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６、ＩｎＧａＮから成る量子井戸活性層１０７、ｐ型Ａ
ｌＧａＮキャップ層１０８、アンドープＧａＮ光ガイド
層１０９、ｐ型ＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子クラッド層１
１０、ｐ型ＧａＮコンタクト層１１１が順に積層されて
いる。また、１６２はＺｒＯ２からなる保護膜、１６４
はＳｉＯ２とＴｉＯ２よりなる誘電体多層膜、１２０は
ｐ電極、１２１はｎ電極、１２２と１２３は取り出し電
極である。
【０００５】活性層１０７は、アンドープＩｎｘ１Ｇａ
1-ｘ１Ｎ井戸層（０＜ｘ１＜１）とＳｉドープＩｎｘ２
Ｇａ1-ｘ２Ｎ障壁層（０≦ｘ２＜１、ｘ１＞ｘ２）が適
当な回数だけ交互に繰り返し積層されたＭＱＷ構造を有
している。ｐ型ＡｌＧａＮキャップ層１０８は、活性層
１０７とヘテロｐｎ接合を形成しており、電子を活性層
１０７中に有効に閉じ込めてレーザの閾値を低下させ
る。また、ｐ型キャップ層１０８は、活性層１０７への
ホールの供給の役割を果たすため、高濃度のＭｇがドー
プされている。ｐ型キャップ層１０８は、１５〜５００
Å程度の薄膜で成長させれば良く、薄膜であればｐ型光
ガイド層１０９やｐ型光クラッド層１１０よりも低温で
成長させることができる。したがって、ｐ型キャップ層
１０８を形成することにより、ｐ型光ガイド層１０９等
を活性層の上に直接形成する場合に比べて、Ｉｎを含む
活性層１０７の分解を抑制することができる。
1-ｘ１Ｎ井戸層（０＜ｘ１＜１）とＳｉドープＩｎｘ２
Ｇａ1-ｘ２Ｎ障壁層（０≦ｘ２＜１、ｘ１＞ｘ２）が適
当な回数だけ交互に繰り返し積層されたＭＱＷ構造を有
している。ｐ型ＡｌＧａＮキャップ層１０８は、活性層
１０７とヘテロｐｎ接合を形成しており、電子を活性層
１０７中に有効に閉じ込めてレーザの閾値を低下させ
る。また、ｐ型キャップ層１０８は、活性層１０７への
ホールの供給の役割を果たすため、高濃度のＭｇがドー
プされている。ｐ型キャップ層１０８は、１５〜５００
Å程度の薄膜で成長させれば良く、薄膜であればｐ型光
ガイド層１０９やｐ型光クラッド層１１０よりも低温で
成長させることができる。したがって、ｐ型キャップ層
１０８を形成することにより、ｐ型光ガイド層１０９等
を活性層の上に直接形成する場合に比べて、Ｉｎを含む
活性層１０７の分解を抑制することができる。
【０００６】図３に示す構造の窒化ガリウム系化合物半
導体レーザにより、室温、５ｍＷの連続発振の条件で１
万時間を超える寿命の達成が可能である。
導体レーザにより、室温、５ｍＷの連続発振の条件で１
万時間を超える寿命の達成が可能である。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】しかし、窒化ガリウム
系化合物半導体素子には、その用途を拡大するために、
さらなる素子寿命の向上が求められている。特に、窒化
ガリウム系化合物半導体レーザについては、素子寿命の
向上が極めて重要であり、さらに、高温動作時のしきい
特性向上も求められている。
系化合物半導体素子には、その用途を拡大するために、
さらなる素子寿命の向上が求められている。特に、窒化
ガリウム系化合物半導体レーザについては、素子寿命の
向上が極めて重要であり、さらに、高温動作時のしきい
特性向上も求められている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】本件発明者は、窒化ガリ
ウム系化合物半導体素子において、（１）ｎ型活性層に
近接するｐ型キャップ層の不純物濃度が低い方が、素子
寿命及び温度特性が良好となること、及び（２）ｎ型活
性層とｐ型キャップ層とのｐｎ接合界面で、ｎ型及びｐ
型不純物が互いに相殺し合う結果、キャリア生成に寄与
しない不純物が存在することに着目し、本件発明をなす
に至った。
ウム系化合物半導体素子において、（１）ｎ型活性層に
近接するｐ型キャップ層の不純物濃度が低い方が、素子
寿命及び温度特性が良好となること、及び（２）ｎ型活
性層とｐ型キャップ層とのｐｎ接合界面で、ｎ型及びｐ
型不純物が互いに相殺し合う結果、キャリア生成に寄与
しない不純物が存在することに着目し、本件発明をなす
に至った。
【０００９】上記（２）の点について、図２（ａ）を参
照しながら詳細に説明する。図２（ａ）は、従来の窒化
物半導体素子におけるｐ型キャップ層とｎ型活性層との
ｐｎ接合界面の様子を示す模式図である。図に示すよう
に、ｐ型キャップ層にドープされているｐ型不純物１０
はホールを放出し、ｎ型活性層にドープされているｎ型
不純物１２は電子を放出し、これらのホール及び電子が
キャリアとなって素子電流を形成する。ところが、ｎ型
活性層の上にｐ型キャップ層を成長させる際、ｐ型キャ
ップ層中のｐ型不純物１０は熱拡散によりｎ型活性層に
一部侵入し、逆に、ｎ型活性層中のｎ型不純物１２は熱
拡散によりｐ型キャップ層に一部侵入する。このためｐ
ｎ接合界面付近でｐ型不純物１０の一部とｎ型不純物１
２の一部とが同じ領域内に混在することになり、ドナー
とアクセプターが補償して有効なキャリア生成に寄与し
なくなる。
照しながら詳細に説明する。図２（ａ）は、従来の窒化
物半導体素子におけるｐ型キャップ層とｎ型活性層との
ｐｎ接合界面の様子を示す模式図である。図に示すよう
に、ｐ型キャップ層にドープされているｐ型不純物１０
はホールを放出し、ｎ型活性層にドープされているｎ型
不純物１２は電子を放出し、これらのホール及び電子が
キャリアとなって素子電流を形成する。ところが、ｎ型
活性層の上にｐ型キャップ層を成長させる際、ｐ型キャ
ップ層中のｐ型不純物１０は熱拡散によりｎ型活性層に
一部侵入し、逆に、ｎ型活性層中のｎ型不純物１２は熱
拡散によりｐ型キャップ層に一部侵入する。このためｐ
ｎ接合界面付近でｐ型不純物１０の一部とｎ型不純物１
２の一部とが同じ領域内に混在することになり、ドナー
とアクセプターが補償して有効なキャリア生成に寄与し
なくなる。
【００１０】そこで、本件発明に係る窒化ガリウム系化
合物半導体素子は、Ｉｎを含みｎ型不純物をドープした
ｎ型窒化ガリウム系化合物半導体から成る活性層と、Ａ
ｌを含みｐ型不純物をドープしたｐ型窒化ガリウム系化
合物半導体から成るｐ型クラッド層とを有する窒化ガリ
ウム系化合物半導体素子において、前記活性層と前記ｐ
型クラッド層との間に、前記活性層よりも低濃度のｎ型
不純物と前記ｐ型クラッド層よりも低濃度のｐ型不純物
とを含む窒化ガリウム系化合物半導体から成る第１のキ
ャップ層と、Ａｌを含みｐ型不純物をドープしたｐ型窒
化ガリウム系化合物半導体から成る第２のキャップ層と
を積層したことを特徴とする。
合物半導体素子は、Ｉｎを含みｎ型不純物をドープした
ｎ型窒化ガリウム系化合物半導体から成る活性層と、Ａ
ｌを含みｐ型不純物をドープしたｐ型窒化ガリウム系化
合物半導体から成るｐ型クラッド層とを有する窒化ガリ
ウム系化合物半導体素子において、前記活性層と前記ｐ
型クラッド層との間に、前記活性層よりも低濃度のｎ型
不純物と前記ｐ型クラッド層よりも低濃度のｐ型不純物
とを含む窒化ガリウム系化合物半導体から成る第１のキ
ャップ層と、Ａｌを含みｐ型不純物をドープしたｐ型窒
化ガリウム系化合物半導体から成る第２のキャップ層と
を積層したことを特徴とする。
【００１１】また好ましくは、前記第１のキャップ層
は、前記活性層に接して形成され、さらに前記第２のキ
ャップ層は、第１のキャップ層に接して形成されている
ことを特徴とする。さらに好ましくは、ｐ型の光ガイド
層が前記第２のキャップ層に接して形成されていること
を特徴とする。
は、前記活性層に接して形成され、さらに前記第２のキ
ャップ層は、第１のキャップ層に接して形成されている
ことを特徴とする。さらに好ましくは、ｐ型の光ガイド
層が前記第２のキャップ層に接して形成されていること
を特徴とする。
【００１２】図２（ｂ）は、本発明に係る窒化物半導体
素子におけるｐ型キャップ層とｎ型活性層とのｐｎ接合
界面の様子を示す模式図である。図２（ｂ）に示すよう
に、本件発明によれば、ｎ型不純物及びｐ型不純物がい
ずれも低濃度に含まれている第１のキャップ層をｎ型活
性層とｐ型キャップ層（＝第２のキャップ層）の間に設
けたため、高濃度の不純物を含むｐ型キャップ層がｎ型
活性層に直接接する場合（図２（ａ）の場合）に比べ
て、ドナーとアクセプタの補償を抑制することができ
る。したがって、補償が抑制された分だけｐ型キャップ
層（＝第２のキャップ層）へのｐ型不純物のドープ量を
減少することができ、素子寿命と特性温度を向上するこ
とができる。
素子におけるｐ型キャップ層とｎ型活性層とのｐｎ接合
界面の様子を示す模式図である。図２（ｂ）に示すよう
に、本件発明によれば、ｎ型不純物及びｐ型不純物がい
ずれも低濃度に含まれている第１のキャップ層をｎ型活
性層とｐ型キャップ層（＝第２のキャップ層）の間に設
けたため、高濃度の不純物を含むｐ型キャップ層がｎ型
活性層に直接接する場合（図２（ａ）の場合）に比べ
て、ドナーとアクセプタの補償を抑制することができ
る。したがって、補償が抑制された分だけｐ型キャップ
層（＝第２のキャップ層）へのｐ型不純物のドープ量を
減少することができ、素子寿命と特性温度を向上するこ
とができる。
【００１３】最終の素子における不純物濃度は特に限定
されないが、第１のキャップ層中のｎ型不純物及びｐ型
不純物の濃度が１．０×１０１７ｃｍ−３以下であり、
前記第２のキャップ層におけるｐ型不純物の濃度が８．
０×１０１８〜２．０×１０ １９ｃｍ−３であることが
好ましい。尚、本件発明において、第１のキャップ層中
のｎ型不純物及びｐ型不純物の濃度とは、層の厚さ方向
における平均値いう。第１のキャップ層中のｎ型不純物
及びｐ型不純物の濃度には、他の層からの熱拡散の影響
によって層の厚さ方向に濃度勾配ができている。即ち、
第１のキャップ層中のｎ型不純物濃度は、活性層に近い
側で高く、活性層から離れるに従って減少し、また逆
に、第１のキャップ層中のｐ型不純物濃度は、第２キャ
ップ層に近い側で高く、第２キャップ層から離れるに従
って減少する。
されないが、第１のキャップ層中のｎ型不純物及びｐ型
不純物の濃度が１．０×１０１７ｃｍ−３以下であり、
前記第２のキャップ層におけるｐ型不純物の濃度が８．
０×１０１８〜２．０×１０ １９ｃｍ−３であることが
好ましい。尚、本件発明において、第１のキャップ層中
のｎ型不純物及びｐ型不純物の濃度とは、層の厚さ方向
における平均値いう。第１のキャップ層中のｎ型不純物
及びｐ型不純物の濃度には、他の層からの熱拡散の影響
によって層の厚さ方向に濃度勾配ができている。即ち、
第１のキャップ層中のｎ型不純物濃度は、活性層に近い
側で高く、活性層から離れるに従って減少し、また逆
に、第１のキャップ層中のｐ型不純物濃度は、第２キャ
ップ層に近い側で高く、第２キャップ層から離れるに従
って減少する。
【００１４】また、ドナーとアクセプタの補償を効果的
に抑制するために、第１のキャップ層は、ｎ型不純物及
びｐ型不純物をドープせずに成長することが好ましい。
不純物をドープせずに成長させた場合であっても、第１
のキャップ層は、活性層からの熱拡散によりｎ型不純物
と第２のキャップ層からの熱拡散によりｐ型不純物とを
含むことになる。
に抑制するために、第１のキャップ層は、ｎ型不純物及
びｐ型不純物をドープせずに成長することが好ましい。
不純物をドープせずに成長させた場合であっても、第１
のキャップ層は、活性層からの熱拡散によりｎ型不純物
と第２のキャップ層からの熱拡散によりｐ型不純物とを
含むことになる。
【００１５】不純物濃度が低い第１のキャップ層は高抵
抗な層となるため、素子の駆動電圧を抑制する観点から
は、第１のキャップ層が薄い方が好ましい。一方、ｐ型
不純物とｎ型不純物の相殺を抑制する観点からは、第１
のキャップ層が厚い方が好ましい。アクセプタとドナー
の補償抑制の効果は、活性層にドープされたｎ型不純物
が第１のキャップ層中で示す熱拡散長と第２のキャップ
層にドープされたｐ型不純物が第１のキャップ層中で示
す熱拡散長との合計長が第１のキャップ層の膜厚にほぼ
等しいときに最大となる。この時、第２のキャップ層か
ら熱拡散してきたｐ型不純物とｎ型活性層から熱拡散し
てきたｎ型不純物が混在する領域は理論上なくなる。こ
こで、ｎ型及びｐ型不純物が第１のキャップ層中で示す
熱拡散長は、その不純物の第１のキャップ層への熱拡散
が最も活発に起こる工程で示す値を基準とする。即ち、
「ｎ型不純物が第１のキャップ層中で示す熱拡散長」と
は、ｎ型不純物が第１のキャップ層の成長温度（絶対温
度）において示す熱拡散長を指す。「ｐ型不純物が第１
のキャップ層中で示す熱拡散長」とは、ｐ型不純物が第
２のキャップ層の成長温度（絶対温度）において示す熱
拡散長を指す。尚、少なくとも井戸層と障壁層とを有す
る多重量子井戸構造の活性層が、その活性層がノンドー
プで終了している場合には、そのノンドープ層と第１の
キャップ層の合計膜厚が上記熱拡散長の合計に等しいと
きに不純物の補償抑制効果が最大となる。たとえば、ノ
ンドープ井戸層とｎ型不純物ドープ障壁層を交互に積層
した多重量子井戸構造を有する活性層が、ノンドープ井
戸層で終了している場合には、井戸層と第１キャップ層
の合計膜厚が上記熱拡散長の合計に等しいときに不純物
の補償抑制効果が最大となる。ここで熱拡散長Ｌとは、
ｔ秒後の不純物の拡散長のことをいい、Ｌは（Ｄ・ｔ）
の平方根で決まる（Ｌは理論値である）。ここでＤは拡
散定数であり、Ｄ＝Ｄ ０・ａ２exp（−Ｕ／ｋＴ）で表
され、Ｄ０は成長初期の拡散定数、ａはその材料におけ
る格子定数、Ｕはその材料におけるポテンシャルエネル
ギー、ｋはボルツマン定数、Ｔは温度をさす。
抗な層となるため、素子の駆動電圧を抑制する観点から
は、第１のキャップ層が薄い方が好ましい。一方、ｐ型
不純物とｎ型不純物の相殺を抑制する観点からは、第１
のキャップ層が厚い方が好ましい。アクセプタとドナー
の補償抑制の効果は、活性層にドープされたｎ型不純物
が第１のキャップ層中で示す熱拡散長と第２のキャップ
層にドープされたｐ型不純物が第１のキャップ層中で示
す熱拡散長との合計長が第１のキャップ層の膜厚にほぼ
等しいときに最大となる。この時、第２のキャップ層か
ら熱拡散してきたｐ型不純物とｎ型活性層から熱拡散し
てきたｎ型不純物が混在する領域は理論上なくなる。こ
こで、ｎ型及びｐ型不純物が第１のキャップ層中で示す
熱拡散長は、その不純物の第１のキャップ層への熱拡散
が最も活発に起こる工程で示す値を基準とする。即ち、
「ｎ型不純物が第１のキャップ層中で示す熱拡散長」と
は、ｎ型不純物が第１のキャップ層の成長温度（絶対温
度）において示す熱拡散長を指す。「ｐ型不純物が第１
のキャップ層中で示す熱拡散長」とは、ｐ型不純物が第
２のキャップ層の成長温度（絶対温度）において示す熱
拡散長を指す。尚、少なくとも井戸層と障壁層とを有す
る多重量子井戸構造の活性層が、その活性層がノンドー
プで終了している場合には、そのノンドープ層と第１の
キャップ層の合計膜厚が上記熱拡散長の合計に等しいと
きに不純物の補償抑制効果が最大となる。たとえば、ノ
ンドープ井戸層とｎ型不純物ドープ障壁層を交互に積層
した多重量子井戸構造を有する活性層が、ノンドープ井
戸層で終了している場合には、井戸層と第１キャップ層
の合計膜厚が上記熱拡散長の合計に等しいときに不純物
の補償抑制効果が最大となる。ここで熱拡散長Ｌとは、
ｔ秒後の不純物の拡散長のことをいい、Ｌは（Ｄ・ｔ）
の平方根で決まる（Ｌは理論値である）。ここでＤは拡
散定数であり、Ｄ＝Ｄ ０・ａ２exp（−Ｕ／ｋＴ）で表
され、Ｄ０は成長初期の拡散定数、ａはその材料におけ
る格子定数、Ｕはその材料におけるポテンシャルエネル
ギー、ｋはボルツマン定数、Ｔは温度をさす。
【００１６】第１のキャップ層には、例えば、ＧａＮ
層、ＩｎｘＧａ1-ｘＮ層（０＜ｘ＜１）、及びＡｌｙＧ
ａ1-ｙＮ層（０＜ｙ＜１）を用いることができ、また、
これらの２種以上を積層したものを用いることができ
る。ＧａＮ層は、活性層中のＩｎ解離の抑制に効果的で
あり、かつ、結晶性が良い層を形成し易い点で好まし
い。ＩｎｘＧａ1-ｘＮ層は、厚膜に形成してもＶｆの上
昇がなく、結晶性良く積める点で好ましい。ＡｌｙＧａ
1-ｙＮ層（０＜ｙ＜１）は、活性層のＩｎの解離の抑制
に最も効果的である点で好ましい。
層、ＩｎｘＧａ1-ｘＮ層（０＜ｘ＜１）、及びＡｌｙＧ
ａ1-ｙＮ層（０＜ｙ＜１）を用いることができ、また、
これらの２種以上を積層したものを用いることができ
る。ＧａＮ層は、活性層中のＩｎ解離の抑制に効果的で
あり、かつ、結晶性が良い層を形成し易い点で好まし
い。ＩｎｘＧａ1-ｘＮ層は、厚膜に形成してもＶｆの上
昇がなく、結晶性良く積める点で好ましい。ＡｌｙＧａ
1-ｙＮ層（０＜ｙ＜１）は、活性層のＩｎの解離の抑制
に最も効果的である点で好ましい。
【００１７】前述の通り、第１のキャップ層の好ましい
膜厚は、ｎ型及びｐ型不純物が第１のキャップ層中で示
す熱拡散長に依存するため、第１のキャップ層の組成に
よっても変化する。例えば、第１のキャップ層がＧａＮ
層から成る場合には、第１のキャップ層の膜厚は１５〜
１００Å（より好ましくは５０〜８０Å）であることが
望ましい。第１のキャップ層がＩｎｘＧａ1-ｘＮ層（０
＜ｘ＜１）から成る場合には、膜厚１５〜１５０Å（よ
り好ましくは８５〜１１５Å）が望ましい。第１のキャ
ップ層がＡｌｙＧａ1-ｙＮ層（０＜ｙ＜１）から成る場
合には、膜厚１５〜５０Å（より好ましくは２０〜５０
Å）が望ましい。
膜厚は、ｎ型及びｐ型不純物が第１のキャップ層中で示
す熱拡散長に依存するため、第１のキャップ層の組成に
よっても変化する。例えば、第１のキャップ層がＧａＮ
層から成る場合には、第１のキャップ層の膜厚は１５〜
１００Å（より好ましくは５０〜８０Å）であることが
望ましい。第１のキャップ層がＩｎｘＧａ1-ｘＮ層（０
＜ｘ＜１）から成る場合には、膜厚１５〜１５０Å（よ
り好ましくは８５〜１１５Å）が望ましい。第１のキャ
ップ層がＡｌｙＧａ1-ｙＮ層（０＜ｙ＜１）から成る場
合には、膜厚１５〜５０Å（より好ましくは２０〜５０
Å）が望ましい。
【００１８】一方、第２のキャップ層の膜厚は、低温で
結晶性の良い膜を得るために、１５〜５００Åであるこ
とが好ましい。
結晶性の良い膜を得るために、１５〜５００Åであるこ
とが好ましい。
【００１９】活性層は、Ｉｎを含みｎ型不純物をドープ
した窒化ガリウム系化合物半導体であれば良く、バル
ク、単一量子井戸構造、多重量子井戸構造のいずれでも
良い。中でも、Ｉｎを含む窒化ガリウム系化合物半導体
から成る井戸層と、ｎ型不純物を添加した窒化ガリウム
系化合物半導体から成る障壁層を交互に積層してなる量
子井戸構造の活性層を有することが好ましいが、その場
合には、第１のキャップ層が障壁層よりも低濃度のｎ型
不純物を含むようにする。
した窒化ガリウム系化合物半導体であれば良く、バル
ク、単一量子井戸構造、多重量子井戸構造のいずれでも
良い。中でも、Ｉｎを含む窒化ガリウム系化合物半導体
から成る井戸層と、ｎ型不純物を添加した窒化ガリウム
系化合物半導体から成る障壁層を交互に積層してなる量
子井戸構造の活性層を有することが好ましいが、その場
合には、第１のキャップ層が障壁層よりも低濃度のｎ型
不純物を含むようにする。
【００２０】本発明の窒化ガリウム系化合物半導体素子
に用いるｎ型不純物としては、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｓ、
Ｏ等が挙げられ、好ましくはＳｉ、Ｓｎである。また、
ｐ型不純物としては、特に限定されないが、Ｂｅ、Ｚ
ｎ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｍｇ、Ｃａなどが挙げられ、好ましく
はＭｇが用いられる。
に用いるｎ型不純物としては、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｓ、
Ｏ等が挙げられ、好ましくはＳｉ、Ｓｎである。また、
ｐ型不純物としては、特に限定されないが、Ｂｅ、Ｚ
ｎ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｍｇ、Ｃａなどが挙げられ、好ましく
はＭｇが用いられる。
【００２１】尚、本明細書において、アンドープとは、
窒化物半導体成長時に、ドーパントとなるｐ型不純物、
ｎ型不純物などを添加しない状態で成長させることを指
し、例えば有機金属気相成長法において反応容器内に前
記ドーパントとなる不純物を供給しない状態で成長させ
ることを指す。
窒化物半導体成長時に、ドーパントとなるｐ型不純物、
ｎ型不純物などを添加しない状態で成長させることを指
し、例えば有機金属気相成長法において反応容器内に前
記ドーパントとなる不純物を供給しない状態で成長させ
ることを指す。
【００２２】
【発明の実施の形態】以下、図面を参照しながら本発明
の実施の形態について説明する。本発明の窒化ガリウム
系化合物半導体素子には、ＧａＮ、ＡｌＮ、もしくはＩ
ｎＮ、又はこれらの混晶である窒化ガリウム系化合物半
導体（ＩｎＸＡｌＹＧａ１−Ｘ−ＹＮ、０≦Ｘ、０≦
Ｙ、Ｘ＋Ｙ≦１）を用いることができ、これらの一部
を、Ｂ、Ｐで置換した混晶でもよい。ここでは、窒化ガ
リウム系化合物半導体素子の一例として、窒化ガリウム
系化合物半導体レーザを例に説明する。
の実施の形態について説明する。本発明の窒化ガリウム
系化合物半導体素子には、ＧａＮ、ＡｌＮ、もしくはＩ
ｎＮ、又はこれらの混晶である窒化ガリウム系化合物半
導体（ＩｎＸＡｌＹＧａ１−Ｘ−ＹＮ、０≦Ｘ、０≦
Ｙ、Ｘ＋Ｙ≦１）を用いることができ、これらの一部
を、Ｂ、Ｐで置換した混晶でもよい。ここでは、窒化ガ
リウム系化合物半導体素子の一例として、窒化ガリウム
系化合物半導体レーザを例に説明する。
【００２３】図１は、本発明に係る窒化ガリウム系化合
物半導体レーザを示す断面図である。図１の窒化物半導
体レーザは、ＩｎａＧａ1-ａＮ（０≦ａ＜１）から成る
活性層１０７が、ｎ型ＡｌｂＧａ１−ｂＮ（０≦ｂ＜
１）層１０３〜１０６（各層毎にｂの値は異なる）と、
ｐ型ＡｌｃＧａ１−ｃＮ（０≦ｃ＜１）層１０８〜１１
１（各層毎にｃの値は異なる）によって挟まれており、
いわゆるダブルへテロ構造が形成されている。
物半導体レーザを示す断面図である。図１の窒化物半導
体レーザは、ＩｎａＧａ1-ａＮ（０≦ａ＜１）から成る
活性層１０７が、ｎ型ＡｌｂＧａ１−ｂＮ（０≦ｂ＜
１）層１０３〜１０６（各層毎にｂの値は異なる）と、
ｐ型ＡｌｃＧａ１−ｃＮ（０≦ｃ＜１）層１０８〜１１
１（各層毎にｃの値は異なる）によって挟まれており、
いわゆるダブルへテロ構造が形成されている。
【００２４】活性層１０７は、Ｉｎｘ１Ｇａ1-ｘ１Ｎ井
戸層（０＜ｘ１＜１）とＩｎｘ２Ｇａ1-ｘ２Ｎ障壁層
（０≦ｘ２＜１、ｘ１＞ｘ２）が適当な回数だけ交互に
繰り返し積層されたＭＱＷ構造（多重量子井戸構造）を
有している。井戸層はアンドープで形成されている一
方、全ての障壁層にはＳｉ、Ｓｎ等のｎ型不純物がドー
プされている。障壁層にｎ型不純物がドープされている
ことにより、活性層中の初期電子濃度が大きくなって井
戸層への電子注入効率が高くなり、レーザの発光効率が
向上する。活性層１０７は、井戸層で終わっても良く、
障壁層で終わっても良い。活性層１０７には、蒸気圧の
高いＩｎＮが比較的多量に混晶されているため、分解し
易く、他の層よりも低温（約９００℃）で成長される。
戸層（０＜ｘ１＜１）とＩｎｘ２Ｇａ1-ｘ２Ｎ障壁層
（０≦ｘ２＜１、ｘ１＞ｘ２）が適当な回数だけ交互に
繰り返し積層されたＭＱＷ構造（多重量子井戸構造）を
有している。井戸層はアンドープで形成されている一
方、全ての障壁層にはＳｉ、Ｓｎ等のｎ型不純物がドー
プされている。障壁層にｎ型不純物がドープされている
ことにより、活性層中の初期電子濃度が大きくなって井
戸層への電子注入効率が高くなり、レーザの発光効率が
向上する。活性層１０７は、井戸層で終わっても良く、
障壁層で終わっても良い。活性層１０７には、蒸気圧の
高いＩｎＮが比較的多量に混晶されているため、分解し
易く、他の層よりも低温（約９００℃）で成長される。
【００２５】キャップ層１０８は、アンドープで成長さ
れた第１のキャップ層１０８ａと、高濃度のＭｇをドー
プして成長された第２のキャップ層１０８ｂの２層によ
って構成されている。
れた第１のキャップ層１０８ａと、高濃度のＭｇをドー
プして成長された第２のキャップ層１０８ｂの２層によ
って構成されている。
【００２６】第１のキャップ層１０８ａは、ｎ型活性層
１０７の障壁層にドープされたＳｉと第２のキャップ層
１０８ｂにドープされたＭｇとの補償を防止する役割を
果たしており、例えば、ＧａＮ層、ＩｎｘＧａ1-ｘＮ層
（０＜ｘ＜１）、ＡｌｙＧａ 1-ｙＮ層（０＜ｙ＜１）、
又はこれら２種以上の積層体をアンドープで成長させた
ものである。第１のキャップ層１０８ａの膜厚は、約１
５Å以上で、活性層１０７にドープされたＳｉが第１の
キャップ層１０８ａ中で示す熱拡散長と第２のキャップ
層１０８ｂにドープされたＭｇが第１のキャップ層１０
８ａ中で示す熱拡散長との合計長以下である。ここで、
Ｓｉ及びＭｇが第１のキャップ層１０８ａ中で示す熱拡
散長Ｌは前述の式で表すことができる。これにより、ｎ
型活性層１０７から熱拡散したＳｉと次に成長する第２
のキャップ層１０８ｂから熱拡散するＭｇとの混在が防
止される。
１０７の障壁層にドープされたＳｉと第２のキャップ層
１０８ｂにドープされたＭｇとの補償を防止する役割を
果たしており、例えば、ＧａＮ層、ＩｎｘＧａ1-ｘＮ層
（０＜ｘ＜１）、ＡｌｙＧａ 1-ｙＮ層（０＜ｙ＜１）、
又はこれら２種以上の積層体をアンドープで成長させた
ものである。第１のキャップ層１０８ａの膜厚は、約１
５Å以上で、活性層１０７にドープされたＳｉが第１の
キャップ層１０８ａ中で示す熱拡散長と第２のキャップ
層１０８ｂにドープされたＭｇが第１のキャップ層１０
８ａ中で示す熱拡散長との合計長以下である。ここで、
Ｓｉ及びＭｇが第１のキャップ層１０８ａ中で示す熱拡
散長Ｌは前述の式で表すことができる。これにより、ｎ
型活性層１０７から熱拡散したＳｉと次に成長する第２
のキャップ層１０８ｂから熱拡散するＭｇとの混在が防
止される。
【００２７】第１のキャップ層１０８ａをＧａＮ層、Ｉ
ｎｘＧａ1-ｘＮ層（０＜ｘ＜１）、ＡｌｙＧａ1-ｙＮ層
（０＜ｙ＜１）のうち、２種以上の積層体をアンドープ
で成長させたものとしても良い。その場合、第１のキャ
ップ層全体の好ましい膜厚は、その積層体の構成として
InGaN／GaN、InGaN／AlGaN、InGaN／GaN／AlGaNの組み
合わせを採用する場合は１５〜１５０Åであり、GaN／A
lGaNの組み合わせを採用する場合は１５〜１００Åであ
る。これにより、第１のキャップ層を単一の層で設けた
場合と同様に、不純物の補償抑制効果の大きい窒化物半
導体レーザ素子が得られる。尚、２種以上の窒化ガリウ
ム系化合物半導体を積層して第１のキャップ層１０８ａ
を構成する場合、第１のキャップ層１０８ａに含まれる
各層のバンドギャップが活性層側からｐクラッド層側に
向かって順次大きくなるようにすることが好ましい。
ｎｘＧａ1-ｘＮ層（０＜ｘ＜１）、ＡｌｙＧａ1-ｙＮ層
（０＜ｙ＜１）のうち、２種以上の積層体をアンドープ
で成長させたものとしても良い。その場合、第１のキャ
ップ層全体の好ましい膜厚は、その積層体の構成として
InGaN／GaN、InGaN／AlGaN、InGaN／GaN／AlGaNの組み
合わせを採用する場合は１５〜１５０Åであり、GaN／A
lGaNの組み合わせを採用する場合は１５〜１００Åであ
る。これにより、第１のキャップ層を単一の層で設けた
場合と同様に、不純物の補償抑制効果の大きい窒化物半
導体レーザ素子が得られる。尚、２種以上の窒化ガリウ
ム系化合物半導体を積層して第１のキャップ層１０８ａ
を構成する場合、第１のキャップ層１０８ａに含まれる
各層のバンドギャップが活性層側からｐクラッド層側に
向かって順次大きくなるようにすることが好ましい。
【００２８】ｎ型活性層１０７から第１のキャップ層１
０８ａに拡散したＳｉは、第１のキャップ層１０８ａ中
で、ｎ型活性層１０７との界面から第２のキャップ層１
０８ｂとの界面に向かってしだいに濃度が低くなる。逆
に、第２のキャップ層１０８ｂから第１のキャップ層１
０８ａに拡散したＭｇは、第１のキャップ層中で、第２
のキャップ層１０８ｂとの界面からｎ型活性層１０７と
の界面に向かってしだいに濃度が低くなる。ｎ型活性層
１０７及び第２のキャップ層１０８ｂからの熱拡散によ
り第１のキャップ層１０８ａに含まれるＭｇ及びＳｉ
は、各々１．０×１０１７ｃｍ−３以下である。尚、第
１のキャップ層１０８ａを成長させるときに、ＳｉやＭ
ｇ等の不純物を低濃度で（活性層及び第２キャップ層か
らの熱拡散後の最終的な濃度が１×１０１７ｃｍ−３以
下となるような低濃度で）ドープしながら成長させても
良い。第１のキャップ層１０８ａは、ｎ型及びｐ型不純
物の両方をほぼ同量だけ含むため、結果的にｉ型となっ
ている。
０８ａに拡散したＳｉは、第１のキャップ層１０８ａ中
で、ｎ型活性層１０７との界面から第２のキャップ層１
０８ｂとの界面に向かってしだいに濃度が低くなる。逆
に、第２のキャップ層１０８ｂから第１のキャップ層１
０８ａに拡散したＭｇは、第１のキャップ層中で、第２
のキャップ層１０８ｂとの界面からｎ型活性層１０７と
の界面に向かってしだいに濃度が低くなる。ｎ型活性層
１０７及び第２のキャップ層１０８ｂからの熱拡散によ
り第１のキャップ層１０８ａに含まれるＭｇ及びＳｉ
は、各々１．０×１０１７ｃｍ−３以下である。尚、第
１のキャップ層１０８ａを成長させるときに、ＳｉやＭ
ｇ等の不純物を低濃度で（活性層及び第２キャップ層か
らの熱拡散後の最終的な濃度が１×１０１７ｃｍ−３以
下となるような低濃度で）ドープしながら成長させても
良い。第１のキャップ層１０８ａは、ｎ型及びｐ型不純
物の両方をほぼ同量だけ含むため、結果的にｉ型となっ
ている。
【００２９】第１のキャップ層１０８ａは、活性層１０
７中のＩｎ解離を抑制するために、活性層１０７とほぼ
同じ温度（約９００℃）で成長させることが好ましい。
活性層１０７よりも低温で成長させると活性層１０７か
らＩｎが拡散されてくる恐れがあり、活性層１０７より
も高温で成長させると活性層中のＩｎが解離し易くな
る。
７中のＩｎ解離を抑制するために、活性層１０７とほぼ
同じ温度（約９００℃）で成長させることが好ましい。
活性層１０７よりも低温で成長させると活性層１０７か
らＩｎが拡散されてくる恐れがあり、活性層１０７より
も高温で成長させると活性層中のＩｎが解離し易くな
る。
【００３０】一方、第２のキャップ層１０８ｂは、活性
層１０７へのホール供給と活性層への電子閉じ込めの役
割を担っており、例えば、ＡｌｚＧａ1-ｚＮ層（０＜ｚ
＜１、より好ましくは０．１＜ｚ＜０．５）にｐ型不純
物としてＭｇが８．０×１０ １８〜２．０×１０１９ｃ
ｍ−３の濃度にドープされて成る。第２のキャップ層１
０８ｂは、結晶性の良好な薄膜を得るために１０００℃
以上の高温で成長させることが好ましい。第２のキャッ
プ層１０８ｂにドープされたＭｇは下地層に向かって熱
拡散するが、第１のキャップ層１０８ａがあるためｎ型
活性層１０７から拡散してきたＳｉと殆ど混合しない。
したがって、第２のキャップ層１０８にドープされたほ
ぼ全てのＭｇが有効なキャリア生成に寄与することにな
り、ｎ型活性層の上に直接形成された従来のｐ型キャッ
プ層に比べて、より少ないＭｇドープ量で同等のレーザ
発振を得ることができる。
層１０７へのホール供給と活性層への電子閉じ込めの役
割を担っており、例えば、ＡｌｚＧａ1-ｚＮ層（０＜ｚ
＜１、より好ましくは０．１＜ｚ＜０．５）にｐ型不純
物としてＭｇが８．０×１０ １８〜２．０×１０１９ｃ
ｍ−３の濃度にドープされて成る。第２のキャップ層１
０８ｂは、結晶性の良好な薄膜を得るために１０００℃
以上の高温で成長させることが好ましい。第２のキャッ
プ層１０８ｂにドープされたＭｇは下地層に向かって熱
拡散するが、第１のキャップ層１０８ａがあるためｎ型
活性層１０７から拡散してきたＳｉと殆ど混合しない。
したがって、第２のキャップ層１０８にドープされたほ
ぼ全てのＭｇが有効なキャリア生成に寄与することにな
り、ｎ型活性層の上に直接形成された従来のｐ型キャッ
プ層に比べて、より少ないＭｇドープ量で同等のレーザ
発振を得ることができる。
【００３１】また活性層のうち最も第１のキャップ層に
近いｎ型不純物を添加した窒化ガリウム系化合物半導体
からなる層のｎ型不純物濃度は５．０×１０１７〜１．
０×１０１９ｃｍ−３であることが好ましい。
近いｎ型不純物を添加した窒化ガリウム系化合物半導体
からなる層のｎ型不純物濃度は５．０×１０１７〜１．
０×１０１９ｃｍ−３であることが好ましい。
【００３２】以下、図１に示す窒化物半導体レーザにつ
いて、構造の詳細について説明する。基板１０１として
は、ＧａＮを用いることが好ましいが、窒化物半導体と
異なる異種基板を用いても良い。異種基板としては、例
えば、Ｃ面、Ｒ面、及びＡ面のいずれかを主面とするサ
ファイア、スピネル（ＭｇＡ１2Ｏ4のような絶縁性基
板、ＳｉＣ（６Ｈ、４Ｈ、３Ｃを含む）、ＺｎＳ、Ｚｎ
Ｏ、ＧａＡｓ、Ｓｉ、及び窒化物半導体と格子整合する
酸化物基板等、窒化物半導体を成長させることが可能で
従来から知られており、窒化物半導体と異なる基板材料
を用いることができる。好ましい異種基板としては、サ
ファイア、スピネルが挙げられる。また、異種基板は、
オフアングルしていてもよく、この場合ステップ状にオ
フアングルしたものを用いると窒化ガリウムからなる下
地層が結晶性よく成長するため好ましい。更に、異種基
板を用いる場合には、異種基板上に素子構造形成前の下
地層となる窒化物半導体を成長させた後、異種基板を研
磨などの方法により除去して、窒化物半導体の単体基板
として素子構造を形成してもよく、また、素子構造形成
後に、異種基板を除去する方法でも良い。
いて、構造の詳細について説明する。基板１０１として
は、ＧａＮを用いることが好ましいが、窒化物半導体と
異なる異種基板を用いても良い。異種基板としては、例
えば、Ｃ面、Ｒ面、及びＡ面のいずれかを主面とするサ
ファイア、スピネル（ＭｇＡ１2Ｏ4のような絶縁性基
板、ＳｉＣ（６Ｈ、４Ｈ、３Ｃを含む）、ＺｎＳ、Ｚｎ
Ｏ、ＧａＡｓ、Ｓｉ、及び窒化物半導体と格子整合する
酸化物基板等、窒化物半導体を成長させることが可能で
従来から知られており、窒化物半導体と異なる基板材料
を用いることができる。好ましい異種基板としては、サ
ファイア、スピネルが挙げられる。また、異種基板は、
オフアングルしていてもよく、この場合ステップ状にオ
フアングルしたものを用いると窒化ガリウムからなる下
地層が結晶性よく成長するため好ましい。更に、異種基
板を用いる場合には、異種基板上に素子構造形成前の下
地層となる窒化物半導体を成長させた後、異種基板を研
磨などの方法により除去して、窒化物半導体の単体基板
として素子構造を形成してもよく、また、素子構造形成
後に、異種基板を除去する方法でも良い。
【００３３】異種基板を用いる場合には、バッファ層
（低温成長層）と窒化物半導体（好ましくはＧａＮ）か
らなる下地層を介して素子構造を形成すると、窒化物半
導体の成長が良好なものとなる。また、異種基板上に設
ける下地層（成長基板）として、その他に、ELOG(Epita
xially Laterally Overgrowth)成長させた窒化物半導体
を用いると結晶性が良好な成長基板が得られる。ELOG成
長層の具体例としては、異種基板上に、窒化物半導体層
を成長させ、その表面に窒化物半導体の成長が困難な保
護膜を設けるなどして形成したマスク領域と、窒化物半
導体を成長させる非マスク領域を、ストライプ状に設
け、その非マスク領域から窒化物半導体を成長させるこ
とで、膜厚方向への成長に加えて、横方向への成長が成
されることにより、マスク領域にも窒化物半導体が成長
して成膜された層などがある。その他の形態では、異種
基板上に成長させた窒化物半導体層に開口部を設け、そ
の開口部側面から横方向への成長がなされて、成膜され
る層でもよい。
（低温成長層）と窒化物半導体（好ましくはＧａＮ）か
らなる下地層を介して素子構造を形成すると、窒化物半
導体の成長が良好なものとなる。また、異種基板上に設
ける下地層（成長基板）として、その他に、ELOG(Epita
xially Laterally Overgrowth)成長させた窒化物半導体
を用いると結晶性が良好な成長基板が得られる。ELOG成
長層の具体例としては、異種基板上に、窒化物半導体層
を成長させ、その表面に窒化物半導体の成長が困難な保
護膜を設けるなどして形成したマスク領域と、窒化物半
導体を成長させる非マスク領域を、ストライプ状に設
け、その非マスク領域から窒化物半導体を成長させるこ
とで、膜厚方向への成長に加えて、横方向への成長が成
されることにより、マスク領域にも窒化物半導体が成長
して成膜された層などがある。その他の形態では、異種
基板上に成長させた窒化物半導体層に開口部を設け、そ
の開口部側面から横方向への成長がなされて、成膜され
る層でもよい。
【００３４】基板１０１上には、バッファ層１０２を介
して、ｎ型窒化物半導体層であるｎ型コンタクト層１０
３、クラック防止層１０４、ｎ型クラッド層１０５、及
びｎ型光ガイド層１０６が形成されている。ｎ型クラッ
ド層１０５を除く他の層は、素子によっては省略するこ
ともできる。ｎ型窒化物半導体層は、少なくとも活性層
と接する部分において活性層よりも広いバンドギャップ
を有することが必要であり、そのためにＡｌを含む組成
であることが好ましい。また、各層は、ｎ型不純物をド
ープしながら成長させてｎ型としても良いし、アンドー
プで成長させてｎ型としても良い。
して、ｎ型窒化物半導体層であるｎ型コンタクト層１０
３、クラック防止層１０４、ｎ型クラッド層１０５、及
びｎ型光ガイド層１０６が形成されている。ｎ型クラッ
ド層１０５を除く他の層は、素子によっては省略するこ
ともできる。ｎ型窒化物半導体層は、少なくとも活性層
と接する部分において活性層よりも広いバンドギャップ
を有することが必要であり、そのためにＡｌを含む組成
であることが好ましい。また、各層は、ｎ型不純物をド
ープしながら成長させてｎ型としても良いし、アンドー
プで成長させてｎ型としても良い。
【００３５】ｎ型窒化物半導体層１０３〜１０６の上に
は、活性層１０７が形成されている。活性層１０７は、
前述の通り、Ｉｎｘ１Ｇａ1-ｘ１Ｎ井戸層（０＜ｘ１＜
１）とＩｎｘ２Ｇａ1-ｘ２Ｎ障壁層（０≦ｘ２＜１、ｘ
１＞ｘ２）が適当な回数だけ交互に繰り返し積層された
ＭＱＷ構造を有している。井戸層は、アンドープで形成
されており、全ての障壁層はＳｉ、Ｓｎ等のｎ型不純物
が好ましくは１×１０ １７〜１×１０１９ｃｍ−３の濃
度でドープして形成されている。
は、活性層１０７が形成されている。活性層１０７は、
前述の通り、Ｉｎｘ１Ｇａ1-ｘ１Ｎ井戸層（０＜ｘ１＜
１）とＩｎｘ２Ｇａ1-ｘ２Ｎ障壁層（０≦ｘ２＜１、ｘ
１＞ｘ２）が適当な回数だけ交互に繰り返し積層された
ＭＱＷ構造を有している。井戸層は、アンドープで形成
されており、全ての障壁層はＳｉ、Ｓｎ等のｎ型不純物
が好ましくは１×１０ １７〜１×１０１９ｃｍ−３の濃
度でドープして形成されている。
【００３６】活性層１０７の上には、第１のキャップ層
１０８ａ、第２のキャップ層１０８ｂが形成されてい
る。前述の通り、第１のキャップ層１０８ａは、アンド
ープで形成されているが、下地となっている活性層１０
７からの拡散によってＳｉ等のｎ型不純物を含んでお
り、次に成長させる第２のキャップ層１０８ｂからの拡
散によってＭｇ等のｐ型不純物を含んでいる。したがっ
て、第１のキャップ層１０８ａ中のｎ型不純物濃度は活
性層１０７よりも低く、第１のキャップ層１０８ａ中の
ｐ型不純物濃度は第２のキャップ層１０８ｂよりも低く
なり、いずれも１×１０１７ｃｍ−３以下となる。
１０８ａ、第２のキャップ層１０８ｂが形成されてい
る。前述の通り、第１のキャップ層１０８ａは、アンド
ープで形成されているが、下地となっている活性層１０
７からの拡散によってＳｉ等のｎ型不純物を含んでお
り、次に成長させる第２のキャップ層１０８ｂからの拡
散によってＭｇ等のｐ型不純物を含んでいる。したがっ
て、第１のキャップ層１０８ａ中のｎ型不純物濃度は活
性層１０７よりも低く、第１のキャップ層１０８ａ中の
ｐ型不純物濃度は第２のキャップ層１０８ｂよりも低く
なり、いずれも１×１０１７ｃｍ−３以下となる。
【００３７】第２のキャップ層１０８ｂは、ｐ型クラッ
ド層１１０よりも高いＡｌ混晶比を持つｐ型窒化物半導
体から成り、好ましくはＡｌｚＧａ1-ｚＮ（０．１＜ｚ
＜０．５）なる組成を有する。また、Ｍｇ等のｐ型不純
物が８×１０１８〜２×１０ １９ｃｍ-３の濃度でドー
プされている。
ド層１１０よりも高いＡｌ混晶比を持つｐ型窒化物半導
体から成り、好ましくはＡｌｚＧａ1-ｚＮ（０．１＜ｚ
＜０．５）なる組成を有する。また、Ｍｇ等のｐ型不純
物が８×１０１８〜２×１０ １９ｃｍ-３の濃度でドー
プされている。
【００３８】第２のキャップ層１０８ｂの上に、ｐ型光
ガイド層１０９、ｐ型クラッド層１１０、ｐ型コンタク
ト層１１１が形成されている。ｐ型クラッド層１１０を
除く他の層は、素子によっては省略することもできる。
これらのｐ型窒化物半導体層は、少なくとも活性層と接
する部分において活性層よりも広いバンドギャップを有
することが必要であり、そのためにＡｌを含む組成であ
ることが好ましい。また、各層は、ｐ型不純物をドープ
しながら成長させてｐ型としても良いし、隣接する他の
層からｐ型不純物を拡散させてｐ型としても良い。
ガイド層１０９、ｐ型クラッド層１１０、ｐ型コンタク
ト層１１１が形成されている。ｐ型クラッド層１１０を
除く他の層は、素子によっては省略することもできる。
これらのｐ型窒化物半導体層は、少なくとも活性層と接
する部分において活性層よりも広いバンドギャップを有
することが必要であり、そのためにＡｌを含む組成であ
ることが好ましい。また、各層は、ｐ型不純物をドープ
しながら成長させてｐ型としても良いし、隣接する他の
層からｐ型不純物を拡散させてｐ型としても良い。
【００３９】これら第１のキャップ層と第２のキャップ
層は活性層に対して、活性層から離れるにつれてバンド
ギャップエネルギーが大きくなるように形成する（オフ
セットをとる）のが好ましい。すなわち第１のキャップ
層が活性層（活性層が多重量子井戸構造である場合は井
戸層）よりもバンドギャップエネルギーが大きい層で形
成され、さらに第２のキャップ層が第１のキャップ層よ
りもバンドギャップエネルギーが大きい層とする。この
ような構成とすることで、最も効率よく電子の閉じ込め
がなされ、キャリアのオーバーフローを抑えることがで
きる。この好ましい形態としては、活性層の内、第１の
キャップ層に隣接する層がＩｎｘＧａ1- ｘＮ層（０＜ｘ
＜１）で、第１のキャップ層がＧａＮ層で、第２のキャ
ップ層がＡｌｙＧａ1-ｙＮ層（０＜ｙ＜１）の形態か、
もしくは、活性層の内、第１のキャップ層に隣接する層
がＩｎｘＧａ1-ｘＮ層（０＜ｘ＜１）で、第１のキャッ
プ層がＧａＮ層とＡｌｙＧａ1-ｙＮ層（０＜ｙ＜１）が
順に形成された層で、第２のキャップ層がＡｌｚＧａ
1-ｚＮ層（ｙ＜ｚ、０＜ｚ＜１）の形態か挙げられ、こ
の２つの形態は特に結晶性が活性層に近い程良く、さら
にレーザ素子としての寿命を長くすることができる。
層は活性層に対して、活性層から離れるにつれてバンド
ギャップエネルギーが大きくなるように形成する（オフ
セットをとる）のが好ましい。すなわち第１のキャップ
層が活性層（活性層が多重量子井戸構造である場合は井
戸層）よりもバンドギャップエネルギーが大きい層で形
成され、さらに第２のキャップ層が第１のキャップ層よ
りもバンドギャップエネルギーが大きい層とする。この
ような構成とすることで、最も効率よく電子の閉じ込め
がなされ、キャリアのオーバーフローを抑えることがで
きる。この好ましい形態としては、活性層の内、第１の
キャップ層に隣接する層がＩｎｘＧａ1- ｘＮ層（０＜ｘ
＜１）で、第１のキャップ層がＧａＮ層で、第２のキャ
ップ層がＡｌｙＧａ1-ｙＮ層（０＜ｙ＜１）の形態か、
もしくは、活性層の内、第１のキャップ層に隣接する層
がＩｎｘＧａ1-ｘＮ層（０＜ｘ＜１）で、第１のキャッ
プ層がＧａＮ層とＡｌｙＧａ1-ｙＮ層（０＜ｙ＜１）が
順に形成された層で、第２のキャップ層がＡｌｚＧａ
1-ｚＮ層（ｙ＜ｚ、０＜ｚ＜１）の形態か挙げられ、こ
の２つの形態は特に結晶性が活性層に近い程良く、さら
にレーザ素子としての寿命を長くすることができる。
【００４０】ｎ型窒化物半導体層及びｐ型窒化物半導体
層は、とくにレーザ素子、端面発光素子においては、光
ガイド層が設けられた構造を有し、この光ガイド層によ
って、導波路が設けられた構造となる。ｐ側の光ガイド
層は、第２のキャップ層とｐ側クラッド層の間に形成さ
れ、好ましくは第２のキャップ層に接して形成される。
この光ガイド層は活性層内の井戸層よりも大きなバンド
ギャップエネルギーとし、また活性層と光ガイド層との
屈折率差を小さくすることで、良好な導波路が設けられ
る。超格子構造でも単一膜で形成しても構わない。単一
膜で形成することで、超格子とする場合と比べて、電流
が流れやすくなり、Ｖｆを下げることができる。その
際、単一膜の膜厚は、少なくとも量子効果がない程度の
膜厚で、好ましくは障壁層、第１のキャップ層、第２の
キャップ層のいずれよりも大きい膜厚で、より好ましく
は３００Å以上の膜厚で形成することが好ましい。
層は、とくにレーザ素子、端面発光素子においては、光
ガイド層が設けられた構造を有し、この光ガイド層によ
って、導波路が設けられた構造となる。ｐ側の光ガイド
層は、第２のキャップ層とｐ側クラッド層の間に形成さ
れ、好ましくは第２のキャップ層に接して形成される。
この光ガイド層は活性層内の井戸層よりも大きなバンド
ギャップエネルギーとし、また活性層と光ガイド層との
屈折率差を小さくすることで、良好な導波路が設けられ
る。超格子構造でも単一膜で形成しても構わない。単一
膜で形成することで、超格子とする場合と比べて、電流
が流れやすくなり、Ｖｆを下げることができる。その
際、単一膜の膜厚は、少なくとも量子効果がない程度の
膜厚で、好ましくは障壁層、第１のキャップ層、第２の
キャップ層のいずれよりも大きい膜厚で、より好ましく
は３００Å以上の膜厚で形成することが好ましい。
【００４１】ｐ型窒化物半導体層のうち、ｐ型光ガイド
層１０９の途中までリッジストライプが形成され、さら
に、保護膜１６１、１６２、ｐ型電極１２０、ｎ型電極
１２１、ｐパット電極１２２、及びｎパット電極１２３
が形成されて半導体レーザが構成されている。
層１０９の途中までリッジストライプが形成され、さら
に、保護膜１６１、１６２、ｐ型電極１２０、ｎ型電極
１２１、ｐパット電極１２２、及びｎパット電極１２３
が形成されて半導体レーザが構成されている。
【００４２】
【実施例】以下、実施例として、図１に示す構造の窒化
ガリウム系化合物半導体レーザについて説明する。な
お、実施例１〜７のいずれの実施例も、第１のキャップ
層はアンドープで成長させているが、最終のレーザ素子
として第１キャップ層に存在するｎ型不純物及びｐ型不
純物の濃度は、１．０×１０１７ｃｍ−３以下となる。 ［実施例１］ （基板１０１）基板として、異種基板に成長させた窒化
物半導体、本実施例ではＧａＮを厚膜（１００μｍ）で
成長させた後、異種基板を除去して、８０μｍのＧａＮ
からなる窒化物半導体基板を用いる。基板の詳しい形成
方法は、以下の通りである。２インチφ、Ｃ面を主面と
するサファイアよりなる異種基板をＭＯＶＰＥ反応容器
内にセットし、温度を５００℃にして、トリメチルガリ
ウム（ＴＭＧ）、アンモニア（ＮＨ3）を用い、ＧａＮ
よりなるバッファ層を２００Åの膜厚で成長させ、その
後、温度を上げて、アンドープのＧａＮを１．５μｍの
膜厚で成長させて、下地層とする。次に、下地層表面に
ストライプ状のマスクを複数形成して、マスク開口部
（窓部）から窒化物半導体、本実施例ではＧａＮを選択
成長させて、横方向の成長を伴った成長（ＥＬＯＧ）に
より成膜された窒化物半導体層を、さらに厚膜で成長さ
せて、異種基板、バッファ層、下地層を除去して、窒化
物半導体基板を得る。この時、選択成長時のマスクは、
ＳｉＯ2からなり、マスク幅１５μｍ、開口部（窓部）
幅５μｍとする。
ガリウム系化合物半導体レーザについて説明する。な
お、実施例１〜７のいずれの実施例も、第１のキャップ
層はアンドープで成長させているが、最終のレーザ素子
として第１キャップ層に存在するｎ型不純物及びｐ型不
純物の濃度は、１．０×１０１７ｃｍ−３以下となる。 ［実施例１］ （基板１０１）基板として、異種基板に成長させた窒化
物半導体、本実施例ではＧａＮを厚膜（１００μｍ）で
成長させた後、異種基板を除去して、８０μｍのＧａＮ
からなる窒化物半導体基板を用いる。基板の詳しい形成
方法は、以下の通りである。２インチφ、Ｃ面を主面と
するサファイアよりなる異種基板をＭＯＶＰＥ反応容器
内にセットし、温度を５００℃にして、トリメチルガリ
ウム（ＴＭＧ）、アンモニア（ＮＨ3）を用い、ＧａＮ
よりなるバッファ層を２００Åの膜厚で成長させ、その
後、温度を上げて、アンドープのＧａＮを１．５μｍの
膜厚で成長させて、下地層とする。次に、下地層表面に
ストライプ状のマスクを複数形成して、マスク開口部
（窓部）から窒化物半導体、本実施例ではＧａＮを選択
成長させて、横方向の成長を伴った成長（ＥＬＯＧ）に
より成膜された窒化物半導体層を、さらに厚膜で成長さ
せて、異種基板、バッファ層、下地層を除去して、窒化
物半導体基板を得る。この時、選択成長時のマスクは、
ＳｉＯ2からなり、マスク幅１５μｍ、開口部（窓部）
幅５μｍとする。
【００４３】（バッファ層１０２）窒化物半導体基板の
上に、温度を１０１５℃にして、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
ニアを用い、Ａｌ0.05Ｇａ 0.95Ｎよりなるバッファ層１
０２を４μｍの膜厚で成長させる。この層は、ＡｌＧａ
Ｎのｎ型コンタクト層と、ＧａＮからなる窒化物半導体
基板との間で、バッファ層として機能する。
上に、温度を１０１５℃にして、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
ニアを用い、Ａｌ0.05Ｇａ 0.95Ｎよりなるバッファ層１
０２を４μｍの膜厚で成長させる。この層は、ＡｌＧａ
Ｎのｎ型コンタクト層と、ＧａＮからなる窒化物半導体
基板との間で、バッファ層として機能する。
【００４４】（ｎ型コンタクト層１０３）次に得られた
バッファ層１０２上にＴＭＧ、ＴＭＡ、アンモニア、不
純物ガスとしてシランガスを用い、１０１５℃でＳｉド
ープしたＡｌ0.05Ｇａ0.95Ｎよりなるｎ型コンタクト層
１０３を４μｍの膜厚で成長させる。
バッファ層１０２上にＴＭＧ、ＴＭＡ、アンモニア、不
純物ガスとしてシランガスを用い、１０１５℃でＳｉド
ープしたＡｌ0.05Ｇａ0.95Ｎよりなるｎ型コンタクト層
１０３を４μｍの膜厚で成長させる。
【００４５】（クラック防止層１０４）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９００℃にしてＩｎ0.06Ｇａ0.94Ｎよりなるクラ
ック防止層１０４を０．１５μｍの膜厚で成長させる。
なお、このクラック防止層は省略可能である。
ＴＭＩ（トリメチルインジウム）、アンモニアを用い、
温度を９００℃にしてＩｎ0.06Ｇａ0.94Ｎよりなるクラ
ック防止層１０４を０．１５μｍの膜厚で成長させる。
なお、このクラック防止層は省略可能である。
【００４６】（ｎ型クラッド層１０５）次に、温度を１
０１５℃にして、原料ガスにＴＭＡ、ＴＭＧ及びアンモ
ニアを用い、アンドープのＡｌ0.05Ｇａ0.95Ｎよりなる
Ａ層を２５Åの膜厚で成長させ、続いて、ＴＭＡを止
め、不純物ガスとしてシランガスを用い、Ｓｉを５×１
０ １８／ｃｍ３ドープしたＧａＮよりなるＢ層を２５Å
の膜厚で成長させる。そして、この操作をそれぞれ２０
０回繰り返してＡ層とＢ層の積層し、総膜厚１μｍの多
層膜（超格子構造）よりなるｎ型クラッド層１０６を成
長させる。この時、アンドープＡｌＧａＮのＡｌ混晶比
としては、０．０５以上０．３以下の範囲であれば、十
分にクラッド層として機能する屈折率差を設けることが
できる。
０１５℃にして、原料ガスにＴＭＡ、ＴＭＧ及びアンモ
ニアを用い、アンドープのＡｌ0.05Ｇａ0.95Ｎよりなる
Ａ層を２５Åの膜厚で成長させ、続いて、ＴＭＡを止
め、不純物ガスとしてシランガスを用い、Ｓｉを５×１
０ １８／ｃｍ３ドープしたＧａＮよりなるＢ層を２５Å
の膜厚で成長させる。そして、この操作をそれぞれ２０
０回繰り返してＡ層とＢ層の積層し、総膜厚１μｍの多
層膜（超格子構造）よりなるｎ型クラッド層１０６を成
長させる。この時、アンドープＡｌＧａＮのＡｌ混晶比
としては、０．０５以上０．３以下の範囲であれば、十
分にクラッド層として機能する屈折率差を設けることが
できる。
【００４７】（ｎ型光ガイド層１０６）次に、同様の温
度で、原料ガスにＴＭＧ及びアンモニアを用い、アンド
ープのＧａＮよりなるｎ型光ガイド層１０６を０．１５
μｍの膜厚で成長させる。また、ｎ型不純物をドープし
てもよい。
度で、原料ガスにＴＭＧ及びアンモニアを用い、アンド
ープのＧａＮよりなるｎ型光ガイド層１０６を０．１５
μｍの膜厚で成長させる。また、ｎ型不純物をドープし
てもよい。
【００４８】（活性層１０７）次に、温度を９００℃に
して、原料ガスにＴＭＩ（トリメチルインジウム）、Ｔ
ＭＧ及びアンモニアを用い、不純物ガスとしてシランガ
スを用い、Ｓｉを５×１０１８／ｃｍ３ドープしたＩｎ
0.05Ｇａ0.95Ｎよりなる障壁層（Ｂ）を１４０Åの膜厚
で、シランガスを止め、アンドープのＩｎ0.1Ｇａ0.9Ｎ
よりなる井戸層（Ｗ）を４０Åの膜厚で、この障壁層
（Ｂ）、井戸層（Ｗ）を、（Ｂ）／（Ｗ）／（Ｂ）／
（Ｗ）・・・・／（Ｂ）の順に積層する。最終層は、障
壁層とする。活性層１０７は、総膜厚約５００Åの多重
量子井戸構造（ＭＱＷ）となる。
して、原料ガスにＴＭＩ（トリメチルインジウム）、Ｔ
ＭＧ及びアンモニアを用い、不純物ガスとしてシランガ
スを用い、Ｓｉを５×１０１８／ｃｍ３ドープしたＩｎ
0.05Ｇａ0.95Ｎよりなる障壁層（Ｂ）を１４０Åの膜厚
で、シランガスを止め、アンドープのＩｎ0.1Ｇａ0.9Ｎ
よりなる井戸層（Ｗ）を４０Åの膜厚で、この障壁層
（Ｂ）、井戸層（Ｗ）を、（Ｂ）／（Ｗ）／（Ｂ）／
（Ｗ）・・・・／（Ｂ）の順に積層する。最終層は、障
壁層とする。活性層１０７は、総膜厚約５００Åの多重
量子井戸構造（ＭＱＷ）となる。
【００４９】（第１のキャップ層１０８ａ）次に、同様
の温度で、原料ガスにＴＭＡ、ＴＭＧ及びアンモニアを
用い、ＧａＮよりなる第１のキャップ層１０８ａを７５
Åの膜厚で成長させる。
の温度で、原料ガスにＴＭＡ、ＴＭＧ及びアンモニアを
用い、ＧａＮよりなる第１のキャップ層１０８ａを７５
Åの膜厚で成長させる。
【００５０】（第２のキャップ層１０８ｂ）次に、温度
を１０００℃に上げ、原料ガスにＴＭＡ、ＴＭＧ及びア
ンモニアを用い、不純物ガスとしてＣｐ２Ｍｇ（シクロ
ペンタジエニルマグネシウム）を用い、Ｍｇを７．５×
１０１８／ｃｍ３ドープしたＡｌ0.3Ｇａ0.7Ｎよりなる
第２キャップ層１０８ｂを１００Åの膜厚で成長させ
る。
を１０００℃に上げ、原料ガスにＴＭＡ、ＴＭＧ及びア
ンモニアを用い、不純物ガスとしてＣｐ２Ｍｇ（シクロ
ペンタジエニルマグネシウム）を用い、Ｍｇを７．５×
１０１８／ｃｍ３ドープしたＡｌ0.3Ｇａ0.7Ｎよりなる
第２キャップ層１０８ｂを１００Åの膜厚で成長させ
る。
【００５１】（ｐ型光ガイド層１０９）次に、温度を１
０００℃にして、原料ガスにＴＭＧ及びアンモニアを用
い、アンドープのＧａＮよりなるｐ型光ガイド層１０９
を０．１５μｍの膜厚で成長させる。このｐ型光ガイド
層１０９は、アンドープとして成長させるが、ｐ型電子
閉込め層１０８、ｐ型クラッド層１０９等の隣接層から
のＭｇの拡散により、Ｍｇ濃度が５×１０１６／ｃｍ3
となりｐ型を示す。またこの層は成長時に意図的にＭｇ
をドープしても良い。
０００℃にして、原料ガスにＴＭＧ及びアンモニアを用
い、アンドープのＧａＮよりなるｐ型光ガイド層１０９
を０．１５μｍの膜厚で成長させる。このｐ型光ガイド
層１０９は、アンドープとして成長させるが、ｐ型電子
閉込め層１０８、ｐ型クラッド層１０９等の隣接層から
のＭｇの拡散により、Ｍｇ濃度が５×１０１６／ｃｍ3
となりｐ型を示す。またこの層は成長時に意図的にＭｇ
をドープしても良い。
【００５２】（ｐ型クラッド層１１０）続いて、１００
０℃でアンドープＡｌ0.05Ｇａ0.95Ｎよりなる層を２５
Åの膜厚で成長させ、続いてＴＭＡを止め、Ｃｐ2Ｍｇ
を用いて、ＭｇドープＧａＮよりなる層を２５Åの膜厚
で成長させ、それを９０回繰り返して総膜厚０．４５μ
ｍの超格子層よりなるｐ型クラッド層１１０を成長させ
る。ｐ型クラッド層は少なくとも一方がＡｌを含む窒化
物半導体層を含み、互いにバンドギャップエネルギーが
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ープして、いわ
ゆる変調ドープを行うと結晶性が良くなる傾向にある
が、両方に同じようにドープしても良い。クラッド層１
１０は、Ａｌを含む窒化物半導体層、好ましくはＡｌX
Ｇａ1-XＮ（０＜X＜１）を含む超格子構造とすることが
望ましく、さらに好ましくはＧａＮとＡｌＧａＮとを積
層した超格子構造とする。ｐ側クラッド層１１０を超格
子構造とすることによって、クラッド層全体のＡｌ混晶
比を上げることができるので、クラッド層自体の屈折率
が小さくなり、さらにバンドギャップエネルギーが大き
くなるので、閾値を低下させる上で非常に有効である。
さらに、超格子としたことにより、クラッド層自体に発
生するピットが超格子にしないものよりも少なくなるの
で、ショートの発生も低くなる。
０℃でアンドープＡｌ0.05Ｇａ0.95Ｎよりなる層を２５
Åの膜厚で成長させ、続いてＴＭＡを止め、Ｃｐ2Ｍｇ
を用いて、ＭｇドープＧａＮよりなる層を２５Åの膜厚
で成長させ、それを９０回繰り返して総膜厚０．４５μ
ｍの超格子層よりなるｐ型クラッド層１１０を成長させ
る。ｐ型クラッド層は少なくとも一方がＡｌを含む窒化
物半導体層を含み、互いにバンドギャップエネルギーが
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ープして、いわ
ゆる変調ドープを行うと結晶性が良くなる傾向にある
が、両方に同じようにドープしても良い。クラッド層１
１０は、Ａｌを含む窒化物半導体層、好ましくはＡｌX
Ｇａ1-XＮ（０＜X＜１）を含む超格子構造とすることが
望ましく、さらに好ましくはＧａＮとＡｌＧａＮとを積
層した超格子構造とする。ｐ側クラッド層１１０を超格
子構造とすることによって、クラッド層全体のＡｌ混晶
比を上げることができるので、クラッド層自体の屈折率
が小さくなり、さらにバンドギャップエネルギーが大き
くなるので、閾値を低下させる上で非常に有効である。
さらに、超格子としたことにより、クラッド層自体に発
生するピットが超格子にしないものよりも少なくなるの
で、ショートの発生も低くなる。
【００５３】（ｐ型コンタクト層１１１）最後に、１０
００℃で、ｐ型クラッド層１１０の上に、Ｍｇを１×１
０20／cm 3ドープしたｐ型ＧａＮよりなるｐ型コンタク
ト層１１１を１５０Åの膜厚で成長させる。ｐ型コンタ
クト層１１１はｐ型のＩｎXＡｌYＧａ1-X-YＮ（０≦X、
０≦Y、X＋Y≦１）で構成することができ、好ましくは
ＭｇをドープしたＧａＮとすれば、ｐ電極１２０と最も
好ましいオーミック接触が得られる。コンタクト層１１
１は電極を形成する層であるので、１×１０17／cm3以
上の高キャリア濃度とすることが望ましい。１×１０17
／cm3よりも低いと電極と好ましいオーミックを得るの
が難しくなる傾向にある。さらにコンタクト層の組成を
ＧａＮとすると、電極材料と好ましいオーミックが得ら
れやすくなる。反応終了後、反応容器内において、ウエ
ハを窒素雰囲気中、７００℃でアニーリングを行い、ｐ
型層を更に低抵抗化する。
００℃で、ｐ型クラッド層１１０の上に、Ｍｇを１×１
０20／cm 3ドープしたｐ型ＧａＮよりなるｐ型コンタク
ト層１１１を１５０Åの膜厚で成長させる。ｐ型コンタ
クト層１１１はｐ型のＩｎXＡｌYＧａ1-X-YＮ（０≦X、
０≦Y、X＋Y≦１）で構成することができ、好ましくは
ＭｇをドープしたＧａＮとすれば、ｐ電極１２０と最も
好ましいオーミック接触が得られる。コンタクト層１１
１は電極を形成する層であるので、１×１０17／cm3以
上の高キャリア濃度とすることが望ましい。１×１０17
／cm3よりも低いと電極と好ましいオーミックを得るの
が難しくなる傾向にある。さらにコンタクト層の組成を
ＧａＮとすると、電極材料と好ましいオーミックが得ら
れやすくなる。反応終了後、反応容器内において、ウエ
ハを窒素雰囲気中、７００℃でアニーリングを行い、ｐ
型層を更に低抵抗化する。
【００５４】以上のようにして窒化物半導体を成長させ
各層を積層した後、ウエハを反応容器から取り出し、最
上層のｐ型コンタクト層の表面にＳｉＯ2よりなる保護
膜を形成して、ＲＩＥ（反応性イオンエッチング）を用
いＳｉＣｌ4ガスによりエッチングし、図１に示すよう
に、ｎ電極を形成すべきｎ型コンタクト層１０３の表面
を露出させる。このように窒化物半導体を深くエッチン
グするには保護膜としてＳｉＯ2が最適である。
各層を積層した後、ウエハを反応容器から取り出し、最
上層のｐ型コンタクト層の表面にＳｉＯ2よりなる保護
膜を形成して、ＲＩＥ（反応性イオンエッチング）を用
いＳｉＣｌ4ガスによりエッチングし、図１に示すよう
に、ｎ電極を形成すべきｎ型コンタクト層１０３の表面
を露出させる。このように窒化物半導体を深くエッチン
グするには保護膜としてＳｉＯ2が最適である。
【００５５】次に上述したストライプ状の導波路領域と
して、リッジストライプを形成する。まず、最上層のｐ
型コンタクト層（上部コンタクト層）のほぼ全面に、Ｐ
ＶＤ装置により、Ｓｉ酸化物（主として、ＳｉＯ2）よ
りなる第１の保護膜１６１を０．５μｍの膜厚で形成し
た後、第１の保護膜１６１の上に所定の形状のマスクを
かけ、ＲＩＥ（反応性イオンエッチング）装置により、
ＣＦ4ガスを用い、フォトリソグラフィー技術によりス
トライプ幅１．６μｍの第１の保護膜１６１とする。こ
の時、リッジストライプの高さ（エッチング深さ）は、
ｐ型コンタクト層１１１、およびｐ型クラッド層１０
９、ｐ型光ガイド層１１０の一部をエッチングして、ｐ
型光ガイド層１０９の膜厚が０．１μｍとなる深さまで
エッチングして、形成する。
して、リッジストライプを形成する。まず、最上層のｐ
型コンタクト層（上部コンタクト層）のほぼ全面に、Ｐ
ＶＤ装置により、Ｓｉ酸化物（主として、ＳｉＯ2）よ
りなる第１の保護膜１６１を０．５μｍの膜厚で形成し
た後、第１の保護膜１６１の上に所定の形状のマスクを
かけ、ＲＩＥ（反応性イオンエッチング）装置により、
ＣＦ4ガスを用い、フォトリソグラフィー技術によりス
トライプ幅１．６μｍの第１の保護膜１６１とする。こ
の時、リッジストライプの高さ（エッチング深さ）は、
ｐ型コンタクト層１１１、およびｐ型クラッド層１０
９、ｐ型光ガイド層１１０の一部をエッチングして、ｐ
型光ガイド層１０９の膜厚が０．１μｍとなる深さまで
エッチングして、形成する。
【００５６】次に、リッジストライプ形成後、第１の保
護膜１６１の上から、Ｚｒ酸化物（主としてＺｒＯ2）
よりなる第２の保護膜１６２を、第１の保護膜１６１の
上と、エッチングにより露出されたｐ型光ガイド層１０
９の上に０．５μｍの膜厚で連続して形成する。
護膜１６１の上から、Ｚｒ酸化物（主としてＺｒＯ2）
よりなる第２の保護膜１６２を、第１の保護膜１６１の
上と、エッチングにより露出されたｐ型光ガイド層１０
９の上に０．５μｍの膜厚で連続して形成する。
【００５７】第２の保護膜１６２形成後、ウエハを６０
０℃で熱処理する。このようにＳｉＯ2以外の材料を第
２の保護膜として形成した場合、第２の保護膜成膜後
に、３００℃以上、好ましくは４００℃以上、窒化物半
導体の分解温度以下（１２００℃）で熱処理することに
より、第２の保護膜が第１の保護膜の溶解材料（フッ
酸）に対して溶解しにくくなるため、この工程を加える
ことがさらに望ましい。
０℃で熱処理する。このようにＳｉＯ2以外の材料を第
２の保護膜として形成した場合、第２の保護膜成膜後
に、３００℃以上、好ましくは４００℃以上、窒化物半
導体の分解温度以下（１２００℃）で熱処理することに
より、第２の保護膜が第１の保護膜の溶解材料（フッ
酸）に対して溶解しにくくなるため、この工程を加える
ことがさらに望ましい。
【００５８】次に、ウエハをフッ酸に浸漬し、第１の保
護膜１６１をリフトオフ法により除去する。このことに
より、ｐ型コンタクト層１１１の上に設けられていた第
１の保護膜１６１が除去されて、ｐ型コンタクト層が露
出される。以上のようにして、図１に示すように、リッ
ジストライプの側面、及びそれに連続する平面（ｐ型光
ガイド層１０９の露出面）に第２の保護膜１６２が形成
される。
護膜１６１をリフトオフ法により除去する。このことに
より、ｐ型コンタクト層１１１の上に設けられていた第
１の保護膜１６１が除去されて、ｐ型コンタクト層が露
出される。以上のようにして、図１に示すように、リッ
ジストライプの側面、及びそれに連続する平面（ｐ型光
ガイド層１０９の露出面）に第２の保護膜１６２が形成
される。
【００５９】このように、ｐ型コンタクト層１１２の上
に設けられた第１の保護膜１６１が、除去された後、図
１に示すように、その露出したｐ型コンタクト層１１１
の表面にＮｉ／Ａｕよりなるｐ電極１２０を形成する。
但しｐ電極１２０は１００μｍのストライプ幅として、
図１に示すように、第２の保護膜１６２の上に渡って形
成する。第２の保護膜１６２形成後、既に露出させたｎ
型コンタクト層１０３の表面にはＴｉ／Ａｌよりなるス
トライプ状のｎ電極１２１をストライプと平行な方向で
形成する。
に設けられた第１の保護膜１６１が、除去された後、図
１に示すように、その露出したｐ型コンタクト層１１１
の表面にＮｉ／Ａｕよりなるｐ電極１２０を形成する。
但しｐ電極１２０は１００μｍのストライプ幅として、
図１に示すように、第２の保護膜１６２の上に渡って形
成する。第２の保護膜１６２形成後、既に露出させたｎ
型コンタクト層１０３の表面にはＴｉ／Ａｌよりなるス
トライプ状のｎ電極１２１をストライプと平行な方向で
形成する。
【００６０】次に、ｎ電極を形成するためにエッチング
して露出された面でｐ，ｎ電極に、取り出し電極を設け
るため所望の領域にマスクし、ＳｉＯ2とＴｉＯ2よりな
る誘電体多層膜１６４を設けた後、ｐ，ｎ電極上にＮｉ
−Ｔｉ−Ａｕ（１０００Å−１０００Å−８０００Å）
よりなる取り出し（パット）電極１２２，１２３をそれ
ぞれ設けた。この時、活性層１０７の幅は、２００μｍ
の幅（共振器方向に垂直な方向の幅）であり、共振器面
（反射面側）にもＳｉＯ2とＴｉＯ2よりなる誘電体多層
膜が設けられる。
して露出された面でｐ，ｎ電極に、取り出し電極を設け
るため所望の領域にマスクし、ＳｉＯ2とＴｉＯ2よりな
る誘電体多層膜１６４を設けた後、ｐ，ｎ電極上にＮｉ
−Ｔｉ−Ａｕ（１０００Å−１０００Å−８０００Å）
よりなる取り出し（パット）電極１２２，１２３をそれ
ぞれ設けた。この時、活性層１０７の幅は、２００μｍ
の幅（共振器方向に垂直な方向の幅）であり、共振器面
（反射面側）にもＳｉＯ2とＴｉＯ2よりなる誘電体多層
膜が設けられる。
【００６１】以上のようにして、ｎ電極とｐ電極とを形
成した後、ストライプ状の電極に垂直な方向で、窒化物
半導体のＭ面（ＧａＮのＭ面、（1 1- 0 0）など）でバ
ー状に分割して、更にバー状のウエハを分割してレーザ
素子を得る。この時、共振器長は、６５０μｍである。
成した後、ストライプ状の電極に垂直な方向で、窒化物
半導体のＭ面（ＧａＮのＭ面、（1 1- 0 0）など）でバ
ー状に分割して、更にバー状のウエハを分割してレーザ
素子を得る。この時、共振器長は、６５０μｍである。
【００６２】室温においてしきい値２．８ｋＡ／ｃ
ｍ2、５〜３０ｍＷの出力において発振波長４０５ｎｍ
の連続発振のレーザ素子が得られる。レーザ素子の素子
寿命は、６０℃、５ｍＷの連続発振において約２０００
時間となり、特性温度も後述する比較例に対して向上す
る。
ｍ2、５〜３０ｍＷの出力において発振波長４０５ｎｍ
の連続発振のレーザ素子が得られる。レーザ素子の素子
寿命は、６０℃、５ｍＷの連続発振において約２０００
時間となり、特性温度も後述する比較例に対して向上す
る。
【００６３】［実施例２］第１のキャップ層１０８ａを
除いて実施例１と同様にして窒化物ガリウム系化合物半
導体レーザを作製する。第１のキャップ層１０８ａを、
温度９００℃で、原料ガスにＴＭＡ、ＴＭＧ及びアンモ
ニアを用いてアンドープＡｌ0.3Ｇａ0.7Ｎとして約３５
Åの膜厚で成長させる。この窒化ガリウム系化合物半導
体レーザも、実施例１と同様の寿命と特性温度を示す。
除いて実施例１と同様にして窒化物ガリウム系化合物半
導体レーザを作製する。第１のキャップ層１０８ａを、
温度９００℃で、原料ガスにＴＭＡ、ＴＭＧ及びアンモ
ニアを用いてアンドープＡｌ0.3Ｇａ0.7Ｎとして約３５
Åの膜厚で成長させる。この窒化ガリウム系化合物半導
体レーザも、実施例１と同様の寿命と特性温度を示す。
【００６４】［実施例３］第１のキャップ層１０８ａを
除いて実施例１と同様にして窒化物ガリウム系化合物半
導体レーザを作製する。第１のキャップ層１０８ａを、
温度を９００℃にして、原料ガスにＴＭＩ（トリメチル
インジウム）、ＴＭＧ及びアンモニアを用い、アンドー
プＩｎ0.05Ｇａ0.95Ｎとして約１００Åの膜厚で成長さ
せる。この窒化ガリウム系化合物半導体レーザも、実施
例１と同様の寿命と特性温度を示す。
除いて実施例１と同様にして窒化物ガリウム系化合物半
導体レーザを作製する。第１のキャップ層１０８ａを、
温度を９００℃にして、原料ガスにＴＭＩ（トリメチル
インジウム）、ＴＭＧ及びアンモニアを用い、アンドー
プＩｎ0.05Ｇａ0.95Ｎとして約１００Åの膜厚で成長さ
せる。この窒化ガリウム系化合物半導体レーザも、実施
例１と同様の寿命と特性温度を示す。
【００６５】［実施例４］活性層１０７の最終層を約４
０Å厚の井戸層とし、第１のキャップ層１０８ａの厚さ
を約６０Åとする他は、実施例３と同様にして窒化物ガ
リウム系化合物半導体レーザを作製する。この窒化ガリ
ウム系化合物半導体レーザも、実施例１と同様の寿命と
特性温度を示す。
０Å厚の井戸層とし、第１のキャップ層１０８ａの厚さ
を約６０Åとする他は、実施例３と同様にして窒化物ガ
リウム系化合物半導体レーザを作製する。この窒化ガリ
ウム系化合物半導体レーザも、実施例１と同様の寿命と
特性温度を示す。
【００６６】［実施例５］活性層１０７、第１のキャッ
プ層１０８ａ、及び第２のキャップ層１０８ｂを次のよ
うに成長させるほかは実施例１と同様にして窒化ガリウ
ム系化合物半導体レーザを作製する。 （活性層１０７）次に、温度を９００℃にして、原料ガ
スにＴＭＩ（トリメチルインジウム）、ＴＭＧ及びアン
モニアを用い、不純物ガスとしてシランガスを用い、Ｓ
ｉを５×１０１８／ｃｍ３ドープしたＩｎ0.05Ｇａ0.95
Ｎよりなる障壁層（Ｂ）を１４０Åの膜厚で、シランガ
スを止め、アンドープのＩｎ0.1Ｇａ0.9Ｎよりなる井戸
層（Ｗ）を７０Åの膜厚で、この障壁層（Ｂ）、井戸層
（Ｗ）を、（Ｂ）／（Ｗ）／（Ｂ）／（Ｗ）・・・・／
（Ｂ）の順に積層する。最終層は、障壁層とし、最終層
のみＳｉのドープ量を１×１０１８／ｃｍ３とする。活
性層１０７は、総膜厚５６０Åの多重量子井戸構造（Ｍ
ＱＷ）となる。
プ層１０８ａ、及び第２のキャップ層１０８ｂを次のよ
うに成長させるほかは実施例１と同様にして窒化ガリウ
ム系化合物半導体レーザを作製する。 （活性層１０７）次に、温度を９００℃にして、原料ガ
スにＴＭＩ（トリメチルインジウム）、ＴＭＧ及びアン
モニアを用い、不純物ガスとしてシランガスを用い、Ｓ
ｉを５×１０１８／ｃｍ３ドープしたＩｎ0.05Ｇａ0.95
Ｎよりなる障壁層（Ｂ）を１４０Åの膜厚で、シランガ
スを止め、アンドープのＩｎ0.1Ｇａ0.9Ｎよりなる井戸
層（Ｗ）を７０Åの膜厚で、この障壁層（Ｂ）、井戸層
（Ｗ）を、（Ｂ）／（Ｗ）／（Ｂ）／（Ｗ）・・・・／
（Ｂ）の順に積層する。最終層は、障壁層とし、最終層
のみＳｉのドープ量を１×１０１８／ｃｍ３とする。活
性層１０７は、総膜厚５６０Åの多重量子井戸構造（Ｍ
ＱＷ）となる。
【００６７】（第１のキャップ層１０８ａ）次に、同様
の温度で、原料ガスにＴＭＡ、ＴＭＧ及びアンモニアを
用い、Ａｌ 0.15Ｇａ0.85Ｎよりなる第１のキャップ層１
０８ａを３０Åの膜厚で成長させる。
の温度で、原料ガスにＴＭＡ、ＴＭＧ及びアンモニアを
用い、Ａｌ 0.15Ｇａ0.85Ｎよりなる第１のキャップ層１
０８ａを３０Åの膜厚で成長させる。
【００６８】（第２のキャップ層１０８ｂ）次に、温度
を１０００℃に上げ、原料ガスにＴＭＡ、ＴＭＧ及びア
ンモニアを用い、不純物ガスとしてＣｐ２Ｍｇ（シクロ
ペンタジエニルマグネシウム）を用い、Ｍｇを７．５×
１０１８／ｃｍ３ドープしたＡｌ0.25Ｇａ0.75Ｎよりな
る第２キャップ層１０８ｂを７０Åの膜厚で成長させ
る。これにより得られるレーザ素子は室温においてしき
い値２．８ｋＡ／ｃｍ2、５〜３０ｍＷの出力において
発振波長４０５ｎｍの連続発振のレーザ素子が得られ
る。レーザ素子の素子寿命は、６０℃、５ｍＷの連続発
振において約３５００時間となり、特性温度も後述する
比較例に対して向上する。
を１０００℃に上げ、原料ガスにＴＭＡ、ＴＭＧ及びア
ンモニアを用い、不純物ガスとしてＣｐ２Ｍｇ（シクロ
ペンタジエニルマグネシウム）を用い、Ｍｇを７．５×
１０１８／ｃｍ３ドープしたＡｌ0.25Ｇａ0.75Ｎよりな
る第２キャップ層１０８ｂを７０Åの膜厚で成長させ
る。これにより得られるレーザ素子は室温においてしき
い値２．８ｋＡ／ｃｍ2、５〜３０ｍＷの出力において
発振波長４０５ｎｍの連続発振のレーザ素子が得られ
る。レーザ素子の素子寿命は、６０℃、５ｍＷの連続発
振において約３５００時間となり、特性温度も後述する
比較例に対して向上する。
【００６９】［実施例６］第１のキャップ層１０８ａ、
及び第２のキャップ層１０８ｂを次のように成長させる
ほかは実施例５と同様にして窒化ガリウム系化合物半導
体レーザを作製する。
及び第２のキャップ層１０８ｂを次のように成長させる
ほかは実施例５と同様にして窒化ガリウム系化合物半導
体レーザを作製する。
【００７０】（第１のキャップ層１０８ａ）９００℃
で、原料ガスにＴＭＡ、ＴＭＧ及びアンモニアを用い、
ＧａＮよりなる第１のキャップ層１０８ａを３０Åの膜
厚で成長させる。
で、原料ガスにＴＭＡ、ＴＭＧ及びアンモニアを用い、
ＧａＮよりなる第１のキャップ層１０８ａを３０Åの膜
厚で成長させる。
【００７１】（第２のキャップ層１０８ｂ）次に、温度
を１０００℃に上げ、原料ガスにＴＭＡ、ＴＭＧ及びア
ンモニアを用い、不純物ガスとしてＣｐ２Ｍｇ（シクロ
ペンタジエニルマグネシウム）を用い、Ｍｇを７．５×
１０１８／ｃｍ３ドープしたＡｌ0.25Ｇａ0.75Ｎよりな
る第２キャップ層１０８ｂを１００Åの膜厚で成長させ
る。これにより得られるレーザ素子は室温においてしき
い値２．８ｋＡ／ｃｍ2、５〜３０ｍＷの出力において
発振波長４０５ｎｍの連続発振のレーザ素子が得られ
る。レーザ素子の素子寿命は、６０℃、５ｍＷの連続発
振において約３０００時間となり、特性温度も後述する
比較例に対して向上する。
を１０００℃に上げ、原料ガスにＴＭＡ、ＴＭＧ及びア
ンモニアを用い、不純物ガスとしてＣｐ２Ｍｇ（シクロ
ペンタジエニルマグネシウム）を用い、Ｍｇを７．５×
１０１８／ｃｍ３ドープしたＡｌ0.25Ｇａ0.75Ｎよりな
る第２キャップ層１０８ｂを１００Åの膜厚で成長させ
る。これにより得られるレーザ素子は室温においてしき
い値２．８ｋＡ／ｃｍ2、５〜３０ｍＷの出力において
発振波長４０５ｎｍの連続発振のレーザ素子が得られ
る。レーザ素子の素子寿命は、６０℃、５ｍＷの連続発
振において約３０００時間となり、特性温度も後述する
比較例に対して向上する。
【００７２】［実施例７］活性層１０７、第１のキャッ
プ層１０８ａ、及び第２のキャップ層１０８ｂを次のよ
うに成長させるほかは実施例１と同様にして窒化ガリウ
ム系化合物半導体レーザを作製する。 （活性層１０７）次に、温度を９００℃にして、原料ガ
スにＴＭＩ（トリメチルインジウム）、ＴＭＧ及びアン
モニアを用い、不純物ガスとしてシランガスを用い、Ｓ
ｉを５×１０１８／ｃｍ３ドープしたＩｎ0.05Ｇａ0.95
Ｎよりなる障壁層（Ｂ）を１４０Åの膜厚で、シランガ
スを止め、アンドープのＩｎ0.1Ｇａ0.9Ｎよりなる井戸
層（Ｗ）を７０Åの膜厚で、この障壁層（Ｂ）、井戸層
（Ｗ）を、（Ｂ）／（Ｗ）／（Ｂ）／（Ｗ）・・・・／
（Ｂ）の順に積層する。最終層は、障壁層とし、Ｓｉの
ドープ量を１×１０１８／ｃｍ３のＩｎ0.05Ｇａ0.95Ｎ
よりなる層（膜厚が１００Å）、アンドープのＩｎ0.05
Ｇａ0.95Ｎよりなる層（膜厚が５０Å）の２層が順に積
層されたそうとする。活性層１０７は、総膜厚５７０Å
の多重量子井戸構造（ＭＱＷ）となる。
プ層１０８ａ、及び第２のキャップ層１０８ｂを次のよ
うに成長させるほかは実施例１と同様にして窒化ガリウ
ム系化合物半導体レーザを作製する。 （活性層１０７）次に、温度を９００℃にして、原料ガ
スにＴＭＩ（トリメチルインジウム）、ＴＭＧ及びアン
モニアを用い、不純物ガスとしてシランガスを用い、Ｓ
ｉを５×１０１８／ｃｍ３ドープしたＩｎ0.05Ｇａ0.95
Ｎよりなる障壁層（Ｂ）を１４０Åの膜厚で、シランガ
スを止め、アンドープのＩｎ0.1Ｇａ0.9Ｎよりなる井戸
層（Ｗ）を７０Åの膜厚で、この障壁層（Ｂ）、井戸層
（Ｗ）を、（Ｂ）／（Ｗ）／（Ｂ）／（Ｗ）・・・・／
（Ｂ）の順に積層する。最終層は、障壁層とし、Ｓｉの
ドープ量を１×１０１８／ｃｍ３のＩｎ0.05Ｇａ0.95Ｎ
よりなる層（膜厚が１００Å）、アンドープのＩｎ0.05
Ｇａ0.95Ｎよりなる層（膜厚が５０Å）の２層が順に積
層されたそうとする。活性層１０７は、総膜厚５７０Å
の多重量子井戸構造（ＭＱＷ）となる。
【００７３】（第１のキャップ層１０８ａ）次に、同様
の温度で、原料ガスにＴＭＡ、ＴＭＧ及びアンモニアを
用い、Ａｌ 0.15Ｇａ0.85Ｎよりなる第１のキャップ層１
０８ａを３０Åの膜厚で成長させる。
の温度で、原料ガスにＴＭＡ、ＴＭＧ及びアンモニアを
用い、Ａｌ 0.15Ｇａ0.85Ｎよりなる第１のキャップ層１
０８ａを３０Åの膜厚で成長させる。
【００７４】（第２のキャップ層１０８ｂ）次に、温度
を１０００℃に上げ、原料ガスにＴＭＡ、ＴＭＧ及びア
ンモニアを用い、不純物ガスとしてＣｐ２Ｍｇ（シクロ
ペンタジエニルマグネシウム）を用い、Ｍｇを７．５×
１０１８／ｃｍ３ドープしたＡｌ0.25Ｇａ0.75Ｎよりな
る第２キャップ層１０８ｂを７０Åの膜厚で成長させ
る。これにより得られるレーザ素子は室温においてしき
い値２．８ｋＡ／ｃｍ2、５〜３０ｍＷの出力において
発振波長４０５ｎｍの連続発振のレーザ素子が得られ
る。レーザ素子の素子寿命は、６０℃、５ｍＷの連続発
振において約２８００時間となり、特性温度も後述する
比較例に対して向上する。
を１０００℃に上げ、原料ガスにＴＭＡ、ＴＭＧ及びア
ンモニアを用い、不純物ガスとしてＣｐ２Ｍｇ（シクロ
ペンタジエニルマグネシウム）を用い、Ｍｇを７．５×
１０１８／ｃｍ３ドープしたＡｌ0.25Ｇａ0.75Ｎよりな
る第２キャップ層１０８ｂを７０Åの膜厚で成長させ
る。これにより得られるレーザ素子は室温においてしき
い値２．８ｋＡ／ｃｍ2、５〜３０ｍＷの出力において
発振波長４０５ｎｍの連続発振のレーザ素子が得られ
る。レーザ素子の素子寿命は、６０℃、５ｍＷの連続発
振において約２８００時間となり、特性温度も後述する
比較例に対して向上する。
【００７５】［変形例１］次に変形例として活性層１０
７、第１のキャップ層１０８ａ、及び第２のキャップ層
１０８ｂを次のように成長させる。ほかの構成は実施例
１と同様にして窒化ガリウム系化合物半導体レーザを作
製する。 （活性層１０７）次に、温度を９００℃にして、原料ガ
スにＴＭＩ（トリメチルインジウム）、ＴＭＧ及びアン
モニアを用い、不純物ガスとしてシランガスを用い、Ｓ
ｉを５×１０１８／ｃｍ３ドープしたＩｎ0.05Ｇａ0.95
Ｎよりなる障壁層（Ｂ）を１４０Åの膜厚で、シランガ
スを止め、アンドープのＩｎ0.1Ｇａ0.9Ｎよりなる井戸
層（Ｗ）を７０Åの膜厚で、この障壁層（Ｂ）、井戸層
（Ｗ）を、（Ｂ）／（Ｗ）／（Ｂ）／（Ｗ）・・・・／
（Ｂ）の順に積層する。最終層は、障壁層とし、最終層
のみアンドープとする。活性層１０７は、総膜厚５６０
Åの多重量子井戸構造（ＭＱＷ）となる。
７、第１のキャップ層１０８ａ、及び第２のキャップ層
１０８ｂを次のように成長させる。ほかの構成は実施例
１と同様にして窒化ガリウム系化合物半導体レーザを作
製する。 （活性層１０７）次に、温度を９００℃にして、原料ガ
スにＴＭＩ（トリメチルインジウム）、ＴＭＧ及びアン
モニアを用い、不純物ガスとしてシランガスを用い、Ｓ
ｉを５×１０１８／ｃｍ３ドープしたＩｎ0.05Ｇａ0.95
Ｎよりなる障壁層（Ｂ）を１４０Åの膜厚で、シランガ
スを止め、アンドープのＩｎ0.1Ｇａ0.9Ｎよりなる井戸
層（Ｗ）を７０Åの膜厚で、この障壁層（Ｂ）、井戸層
（Ｗ）を、（Ｂ）／（Ｗ）／（Ｂ）／（Ｗ）・・・・／
（Ｂ）の順に積層する。最終層は、障壁層とし、最終層
のみアンドープとする。活性層１０７は、総膜厚５６０
Åの多重量子井戸構造（ＭＱＷ）となる。
【００７６】（第１のキャップ層１０８ａ）次に、同様
の温度で、原料ガスにＴＭＡ、ＴＭＧ及びアンモニアを
用い、ＧａＮよりなる第１のキャップ層１０８ａを３０
Åの膜厚で成長させる。
の温度で、原料ガスにＴＭＡ、ＴＭＧ及びアンモニアを
用い、ＧａＮよりなる第１のキャップ層１０８ａを３０
Åの膜厚で成長させる。
【００７７】（第２のキャップ層１０８ｂ）次に、温度
を１０００℃に上げ、原料ガスにＴＭＡ、ＴＭＧ及びア
ンモニアを用い、不純物ガスとしてＣｐ２Ｍｇ（シクロ
ペンタジエニルマグネシウム）を用い、Ｍｇを７．５×
１０１８／ｃｍ３ドープしたＡｌ0.25Ｇａ0.75Ｎよりな
る第２キャップ層１０８ｂを７０Åの膜厚で成長させ
る。このレーザ素子においては、第１のキャップ層１０
８ａに最も近いｎ型不純物を添加した窒化ガリウム系化
合物半導体からなる層は、アンドープの障壁層とアンド
ープの井戸層を間に介したＳｉドープの障壁層となり、
ｎ型不純物を添加した層とｐ型不純物を添加した層との
間のアンドープの層の総膜厚は２４０Åとなる。これに
より得られるレーザ素子は、全ての実施例と比べて寿命
は短くなるが、比較例１〜３と比べて寿命は長くなる。
を１０００℃に上げ、原料ガスにＴＭＡ、ＴＭＧ及びア
ンモニアを用い、不純物ガスとしてＣｐ２Ｍｇ（シクロ
ペンタジエニルマグネシウム）を用い、Ｍｇを７．５×
１０１８／ｃｍ３ドープしたＡｌ0.25Ｇａ0.75Ｎよりな
る第２キャップ層１０８ｂを７０Åの膜厚で成長させ
る。このレーザ素子においては、第１のキャップ層１０
８ａに最も近いｎ型不純物を添加した窒化ガリウム系化
合物半導体からなる層は、アンドープの障壁層とアンド
ープの井戸層を間に介したＳｉドープの障壁層となり、
ｎ型不純物を添加した層とｐ型不純物を添加した層との
間のアンドープの層の総膜厚は２４０Åとなる。これに
より得られるレーザ素子は、全ての実施例と比べて寿命
は短くなるが、比較例１〜３と比べて寿命は長くなる。
【００７８】［比較例１］第１のキャップ層１０８ａを
形成せずに、活性層１０７の上に直接第２のキャップ層
１０８ｂを形成する他は、実施例１と同様にして窒化ガ
リウム系化合物半導体レーザを作製する。室温において
しきい値４．０ｋＡ／ｃｍ2、５〜３０ｍＷの出力にお
いて発振波長４０５ｎｍの連続発振のレーザ素子が得ら
れる。レーザ素子の素子寿命は、６０℃、５ｍＷの連続
発振において約１０００時間となり、特性温度は、約２
００Ｋとなる。
形成せずに、活性層１０７の上に直接第２のキャップ層
１０８ｂを形成する他は、実施例１と同様にして窒化ガ
リウム系化合物半導体レーザを作製する。室温において
しきい値４．０ｋＡ／ｃｍ2、５〜３０ｍＷの出力にお
いて発振波長４０５ｎｍの連続発振のレーザ素子が得ら
れる。レーザ素子の素子寿命は、６０℃、５ｍＷの連続
発振において約１０００時間となり、特性温度は、約２
００Ｋとなる。
【００７９】［比較例２］第１のキャップ層１０８ａを
形成せずに、活性層１０７の上に直接第２のキャップ層
１０８ｂを以下のようにして形成する他は、実施例１と
同様にして窒化ガリウム系化合物半導体レーザを作製す
る。 （第２のキャップ層１０８ｂ）
形成せずに、活性層１０７の上に直接第２のキャップ層
１０８ｂを以下のようにして形成する他は、実施例１と
同様にして窒化ガリウム系化合物半導体レーザを作製す
る。 （第２のキャップ層１０８ｂ）
【００８０】次に、温度を１０００℃に上げ、原料ガス
にＴＭＡ、ＴＭＧ及びアンモニアを用い、不純物ガスと
してＣｐ２Ｍｇ（シクロペンタジエニルマグネシウム）
を用い、Ｍｇを１．０×１０１９／ｃｍ３ドープしたＡ
ｌ0.3Ｇａ0.7Ｎよりなる第２キャップ層１０８ｂを１０
０Åの膜厚で成長させる。室温においてしきい値２．８
ｋＡ／ｃｍ2、５〜３０ｍＷの出力において発振波長４
０５ｎｍの連続発振のレーザ素子が得られる。レーザ素
子の素子寿命は、６０℃、５ｍＷの連続発振において約
１０００時間となり、特性温度は、約２００Ｋとなる。
にＴＭＡ、ＴＭＧ及びアンモニアを用い、不純物ガスと
してＣｐ２Ｍｇ（シクロペンタジエニルマグネシウム）
を用い、Ｍｇを１．０×１０１９／ｃｍ３ドープしたＡ
ｌ0.3Ｇａ0.7Ｎよりなる第２キャップ層１０８ｂを１０
０Åの膜厚で成長させる。室温においてしきい値２．８
ｋＡ／ｃｍ2、５〜３０ｍＷの出力において発振波長４
０５ｎｍの連続発振のレーザ素子が得られる。レーザ素
子の素子寿命は、６０℃、５ｍＷの連続発振において約
１０００時間となり、特性温度は、約２００Ｋとなる。
【００８１】［比較例３］第１のキャップ層１０８ａ、
及び第２のキャップ層１０８ｂを次のように成長させる
ほかは実施例１と同様にして窒化ガリウム系化合物半導
体レーザを作製する。
及び第２のキャップ層１０８ｂを次のように成長させる
ほかは実施例１と同様にして窒化ガリウム系化合物半導
体レーザを作製する。
【００８２】（第１のキャップ層１０８ａ）９００℃
で、原料ガスにＴＭＡ、ＴＭＧ及びアンモニアを用い、
不純物ガスとしてＣｐ２Ｍｇ（シクロペンタジエニルマ
グネシウム）を用い、Ｍｇを１．０×１０１９／ｃｍ３
ドープしたＧａＮよりなる第１のキャップ層１０８ａを
３０Åの膜厚で成長させる。
で、原料ガスにＴＭＡ、ＴＭＧ及びアンモニアを用い、
不純物ガスとしてＣｐ２Ｍｇ（シクロペンタジエニルマ
グネシウム）を用い、Ｍｇを１．０×１０１９／ｃｍ３
ドープしたＧａＮよりなる第１のキャップ層１０８ａを
３０Åの膜厚で成長させる。
【００８３】（第２のキャップ層１０８ｂ）次に、温度
を１０００℃に上げ、原料ガスにＴＭＡ、ＴＭＧ及びア
ンモニアを用い、不純物ガスとしてＣｐ２Ｍｇ（シクロ
ペンタジエニルマグネシウム）を用い、Ｍｇを７．５×
１０１８／ｃｍ３ドープしたＡｌ0.25Ｇａ0.75Ｎよりな
る第２キャップ層１０８ｂを１００Åの膜厚で成長させ
る。
を１０００℃に上げ、原料ガスにＴＭＡ、ＴＭＧ及びア
ンモニアを用い、不純物ガスとしてＣｐ２Ｍｇ（シクロ
ペンタジエニルマグネシウム）を用い、Ｍｇを７．５×
１０１８／ｃｍ３ドープしたＡｌ0.25Ｇａ0.75Ｎよりな
る第２キャップ層１０８ｂを１００Åの膜厚で成長させ
る。
【００８４】これにより得られるレーザ素子は、第１キ
ャップ層のｐ型不純物が第２キャップ層と比べて多いこ
とから、寿命が短くなり、６０℃、５ｍＷの連続発振に
おいて約８００時間となり、また第２キャップ層のｐ型
不純物が第１キャップ層と比べて少ないことから、実施
例１と比べてＶｆが高くなる。
ャップ層のｐ型不純物が第２キャップ層と比べて多いこ
とから、寿命が短くなり、６０℃、５ｍＷの連続発振に
おいて約８００時間となり、また第２キャップ層のｐ型
不純物が第１キャップ層と比べて少ないことから、実施
例１と比べてＶｆが高くなる。
【００８５】
【発明の効果】本件発明によれば、Ｉｎを含む活性層の
上に形成するｐ型キャップ層を、不純物濃度が低い（好
ましくはノンドープの）第１のキャップ層と、ｐ型不純
物をドープした第２のキャップ層との２層により構成す
ることにより、活性層とｐ型キャップ層の界面付近で起
こるドナーとアクセプタの補償を抑制できるため、ｐ型
キャップ層のｐ型不純物濃度を減少して、長寿命で温度
特性に優れた窒化ガリウム系化合物半導体素子を得るこ
とができる。
上に形成するｐ型キャップ層を、不純物濃度が低い（好
ましくはノンドープの）第１のキャップ層と、ｐ型不純
物をドープした第２のキャップ層との２層により構成す
ることにより、活性層とｐ型キャップ層の界面付近で起
こるドナーとアクセプタの補償を抑制できるため、ｐ型
キャップ層のｐ型不純物濃度を減少して、長寿命で温度
特性に優れた窒化ガリウム系化合物半導体素子を得るこ
とができる。
【図１】 図１は、本発明の一実施形態を説明する模式
断面図である。
断面図である。
【図２】 図２（ａ）及び（ｂ）は、従来（図２
（ａ））及び本発明（図２（ｂ））に係る窒化ガリウム
系化合物半導体素子の活性層とｐ型キャップ層の界面付
近の様子を示す模式図である。
（ａ））及び本発明（図２（ｂ））に係る窒化ガリウム
系化合物半導体素子の活性層とｐ型キャップ層の界面付
近の様子を示す模式図である。
【図３】 図３は、従来の窒化ガリウム系化合物半導体
素子の一例を示す模式断面図である。
素子の一例を示す模式断面図である。
１０１ 基板（ＧａＮ基板）、 １０２ バッファ層、 １０３ ｎ型コンタクト層、 １０４ クラック防止層、 １０５ ｎ型クラッド層、 １０６ ｎ型光ガイド層、 １０７ 活性層、 １０８ａ 第１のキャップ層、 １０８ｂ 第２のキャップ層、 １０９ ｐ型光ガイド層、 １１０ ｐ型クラッド層、 １１１ ｐ型コンタクト層。
Claims (12)
- 【請求項１】 Ｉｎを含みｎ型不純物をドープしたｎ型
窒化ガリウム系化合物半導体から成る活性層と、Ａｌを
含みｐ型不純物をドープしたｐ型窒化ガリウム系化合物
半導体から成るｐ型クラッド層とを有する窒化ガリウム
系化合物半導体素子において、 前記活性層と前記ｐ型クラッド層との間に、前記活性層
よりも低濃度のｎ型不純物と前記ｐ型クラッド層よりも
低濃度のｐ型不純物とを含む窒化ガリウム系化合物半導
体から成る第１のキャップ層と、Ａｌを含みｐ型不純物
をドープしたｐ型窒化ガリウム系化合物半導体から成る
第２のキャップ層とを積層したことを特徴とする窒化ガ
リウム系化合物半導体素子。 - 【請求項２】 前記第１のキャップ層は、前記活性層に
接して形成され、さらに前記第２のキャップ層は、第１
のキャップ層に接して形成されていることを特徴とする
請求項１に記載の窒化ガリウム系化合物半導体素子。 - 【請求項３】 前記第１のキャップ層におけるｎ型不純
物及びｐ型不純物の濃度が１．０×１０１７ｃｍ−３以
下であり、前記第２のキャップ層におけるｐ型不純物の
濃度が８．０×１０１８〜２．０×１０１９ｃｍ−３で
あることを特徴とする請求項１又は２に記載の窒化ガリ
ウム系化合物半導体素子。 - 【請求項４】 前記第１のキャップ層が、ｎ型不純物及
びｐ型不純物をドープせずに成長され、前記活性層から
の熱拡散によりｎ型不純物を含み、前記第２のキャップ
層からの熱拡散によりｐ型不純物を含むことを特徴とす
る請求項１乃至３のいずれか１項に記載の窒化ガリウム
系化合物半導体素子。 - 【請求項５】 前記第１のキャップ層の膜厚が、前記活
性層にドープされたｎ型不純物が前記第１のキャップ層
中で示す熱拡散長と前記第２のキャップ層にドープされ
たｐ型不純物が前記第１のキャップ層中で示す熱拡散長
との合計長以下であることを特徴とする請求項１乃至４
のいずれか１項に記載の窒化ガリウム系化合物半導体素
子。 - 【請求項６】 前記第１のキャップ層が、ＧａＮ層、Ｉ
ｎｘＧａ1-ｘＮ層（０＜ｘ＜１）、及びＡｌｙＧａ1-ｙ
Ｎ層（０＜ｙ＜１）から成る群から選択された１層又は
これらの積層体から成ることを特徴とする請求項１乃至
５のいずれか１項に記載の窒化物半導体発光素子。 - 【請求項７】 前記第１のキャップ層がＧａＮ層から成
り、膜厚が１５〜１００Åであることを特徴とする請求
項１乃至６のいずれか１項に記載の窒化ガリウム系化合
物半導体素子。 - 【請求項８】 前記第１のキャップ層がＩｎｘＧａ1-ｘ
Ｎ層（０＜ｘ＜１）から成り、膜厚が１５〜１５０Åで
あることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に
記載の窒化ガリウム系化合物半導体素子。 - 【請求項９】 前記第１のキャップ層がＡｌｙＧａ1-ｙ
Ｎ層（０＜ｙ＜１）から成り、膜厚が１５〜５０Åであ
ることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記
載の窒化ガリウム系化合物半導体素子。 - 【請求項１０】 前記第２のキャップ層の膜厚が、１５
〜５００Åであることを特徴とする請求項１乃至９のい
ずれか１項に記載の窒化ガリウム系化合物半導体素子。 - 【請求項１１】 前記活性層が、Ｉｎを含む窒化ガリウ
ム系化合物半導体から成る井戸層と、ｎ型不純物を添加
した窒化ガリウム系化合物半導体から成る障壁層を交互
に積層してなり、前記第１のキャップ層が前記障壁層よ
りも低濃度のｎ型不純物を含むことを特徴とする請求項
１乃至１０のいずれか１項に記載の窒化ガリウム系化合
物半導体素子。 - 【請求項１２】 前記活性層のうち最も第１のキャップ
層に近いｎ型不純物を添加した窒化ガリウム系化合物半
導体からなる層のｎ型不純物濃度は５．０×１０１７〜
１．０×１０１９ｃｍ−３であることを特徴とする請求
項１乃至１１のいずれか１項に記載の窒化ガリウム系化
合物半導体素子。
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|---|---|---|---|
| JP2002109309A JP4032803B2 (ja) | 2001-04-12 | 2002-04-11 | 窒化ガリウム系化合物半導体素子およびその製造方法 |
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|---|---|---|---|
| JP2001114025 | 2001-04-12 | ||
| JP2001-114025 | 2001-04-12 | ||
| JP2002109309A JP4032803B2 (ja) | 2001-04-12 | 2002-04-11 | 窒化ガリウム系化合物半導体素子およびその製造方法 |
Publications (2)
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|---|---|
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