(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
直上にＧａＮ層及び各々Ａｌを含有する複数層の窒化物半導体層をこの順に積層して形成している基板と、前記複数層の窒化物半導体層の上方に配置されている活性層と、を備え、
前記複数層の窒化物半導体層は、前記ＧａＮ層の直上から積層されており、各々の窒化物半導体層のＡｌの組成比は、前記基板から前記活性層の方向に向かうに従って減少している窒化物半導体発光素子。
【請求項２】
前記各々の窒化物半導体層のＡｌの組成比は、前記基板から前記活性層の方向に向かうに従って段階的に減少している請求項１に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項３】
前記各々の窒化物半導体層のＡｌの組成比は、前記基板から前記活性層の方向に向かうに従って線形的に減少している請求項１に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項４】
前記複数層の窒化物半導体層は、２層である請求項１から請求項３いずれかに記載の窒化物半導発光素子。
【請求項５】
前記複数層の窒化物半導体層は、３層である請求項１から請求項３いずれかに記載の窒化物半導発光素子。
【請求項６】
前記窒化物半導体層は、ＡlＧａＮ層である請求項１から請求項５いずれかに記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項７】
前記活性層の上方に、リッジストライプ状の窒化物半導体層を有する請求項１から請求項６いずれかに記載の窒化物半導体発光素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は光情報処理分野などへの応用が期待されている半導体レーザなどのGaN系半導体発光素子および製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
V族元素に窒素（N）を有する窒化物半導体は、そのバンドギャップの大きさから、短波長発光素子の材料として有望視されている。中でも窒化ガリウム系化合物半導体（GaN系半導体：AlxGayInzN(0≦x, y, z≦1、x+y+z=1)）は研究が盛んに行われ、青色発光ダイオード（LED）、緑色LEDが実用化されている。また、光ディスク装置の大容量化のために、400nm帯に発振波長を有する半導体レーザが熱望されており、GaN系半導体を材料とする半導体レーザが注目され現在では実用レベルに達しつつある。
【０００３】
図５はレーザ発振が達成されているGaN系半導体レーザの構造断面図である。サファイア基板５０１上に有機金属気相成長法（MOVPE法）によりGaNバッファ層５０２、n-GaN層５０３、n-AlGaNクラッド層５０４、n-GaN光ガイド層５０５、Ga1-xInxN/Ga1-yInyN (0<y<x<1)から成る多重量子井戸（ＭＱＷ）活性層５０６、p-GaN第２光ガイド層５０７、p- AlGaNクラッド層５０８、p-GaNコンタクト層５０９が成長される。そしてp-GaNコンタクト層５０９上に幅3から10ミクロン程度の幅のリッジストライプが形成され、その両側はＳｉＯ２５１１によって埋め込まれる。その後リッジストライプおよびＳｉＯ2５１１上に例えばNi/Auから成るｐ電極５１０、また一部をn-GaN層５０３が露出するまでエッチングした表面に例えばTi/Alから成るｎ電極５１２が形成される。本素子においてｎ電極５１２を接地し、ｐ電極５１０に電圧を印可すると、ＭＱＷ活性層５０６に向かってｐ電極５１０側からホールが、またｎ電極５１２側から電子が注入され、前記ＭＱＷ活性層５０６内で光学利得を生じ、発振波長400nm帯のレーザ発振を起こす。ＭＱＷ活性層５０６の材料であるGa1-xInxN/Ga1-yInyN薄膜の組成や膜厚によって発振波長は変化する。現在室温以上での連続発振が実現されている。
【０００４】
このレーザはリッジストライプの幅と高さを制御することによって、水平方向の横モードにおいて基本モードでレーザ発振するような工夫が成される。すなわち、基本横モードと高次モード（１次以上のモード）の光閉じ込め係数に差を設けることで、基本横モードでの発振を可能としている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、垂直方向の横モード（垂直横モード）においては課題が残されている。図６は、図５に示す半導体レーザの構成材料の垂直方向の屈折率分布と光の分布を示したものである。活性層および光ガイド層の部分に大きな光強度を持たせるためには、６次のモードにならざるを得ない。これは、図５のレーザに２つのコア（屈折率の高い部分）が存在するためである。すなわち、第１のコアが活性層および光ガイド層で、第２のコアがＧａＮ層（サファイア基板とクラッド層の間の層）である。
【０００６】
６次モードでレーザ発振すると、遠視野像（ＦＦＰ）においても多数の発光点が結像することになる。したがって、レンズ等で集光する場合、単一のスポットには絞れなくなる。これを解決する方法として、（１）ＡｌＧａＮ第一クラッド層（図５におけるn-AlGaNクラッド層５０４）を厚くする方法、（２）ＡｌＧａＮ第一クラッド層のＡｌ組成を向上させる方法、が考えられる。いずれも活性層および光ガイド層の外部に染み出す光の量を低減するのに効果的である。
【０００７】
ところが、上記（１）（２）の方法を試みても、新たな課題が生じてくる。ＧａＮ層上に厚い、またはＡｌ組成の高いＡｌＧａＮ層を堆積する場合、冷却時にクラック（割れ）が生じてしまう。この原因は明らかではないが、サファイア基板、ＧａＮ、ＡｌＧａＮの熱膨張係数の違いに起因しているものと考えられる。クラックの生じたＡｌＧａＮ上に活性層を堆積すると、均一性の低下、信頼性の低下などの不具合を生じることになる。
【０００８】
本発明は上記の事情を鑑みてなされたものであり、垂直方向の横モードの安定な窒化物半導体素子を提供するものである。特に光ディスク用レーザへの応用において効果的である。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明の窒化物半導体素子は、基板とクラッド層との間に、該クラッド層のAl組成と等しいか、あるいは該クラッド層のAl組成より高いAlを含有するＧａＮ系半導体層を有している。ただし、バッファー層は除く。
【００１０】
また、本発明の窒化物半導体素子は、活性層を挟むクラッド層構造を備えており、該クラッド層構造と基板との間に薄膜多層構造を有しており、該薄膜多層構造は高Ａｌ組成の層と低Ａｌ組成の層から構成されており、該薄膜多層構造の平均Ａｌ組成が該クラッド層構造の平均Al組成と等しいか、あるいは該クラッド層構造の平均Al組成より高い平均Ａｌ組成を有している。
【００１１】
また、活性層と、該活性層を挟むクラッド層構造とを備えた窒化物半導体素子であって、該クラッド層構造と基板との間に薄膜多層構造を有しており、該薄膜多層構造は高Ａｌ組成の層と低Ａｌ組成の層から構成されており、該薄膜多層構造の平均Ａｌ組成が該クラッド層構造の平均Al組成と等しいか、あるいは該クラッド層構造の平均Al組成より高い平均Ａｌ組成を有しており、薄膜多層構造を構成している高Ａｌ組成の層と低Ａｌ組成の層のいずれかに不純物が添加してある。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を用いて詳細に説明する。本発明の製造方法は、窒化物半導体の成長方法はMOVPE法に限定するものではなく、ハイドライド気相成長法（H-VPE法）や分子線エピタキシー法（MBE法）など、窒化物半導体層を成長させるためにこれまで提案されている全ての方法に適用できる。
【００１３】
（実施の形態１）
図１は第１の実施例を示すＧａＮ系半導体レーザの構造断面図である。図１に示すレーザの作製方法は以下の通りである。
【００１４】
まず、サファイア基板１上に５００℃でTMGとNH3とを供給してＧａＮバッファ層２を堆積する。その後、1020℃まで昇温させ、TMG、SiH4、TMA等を供給してn-Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ｎ層３、n-Ａｌ0.07Ｇａ0.93Ｎクラッド層４、n-GaN光ガイド層５、多重量子井戸（ＭＱＷ）活性層６、ｐ-GaN光ガイド層７、ｐ-Ａｌ0.07Ｇａ0.93Ｎクラッド層８、ｐ-ＧａＮコンタクト層９が順次積層される。ｐ-ＧａＮコンタクト層９およびｐ-Ａｌ0.07Ｇａ0.93Ｎクラッド層８は、水平横モードの制御のために、リッジストライプ状に加工されている。ストライプ幅は３〜５ミクロン程度である。ｐ-ＧａＮコンタクト層９上にはｐ電極１０が形成され、リッジの側壁は絶縁膜１１で覆われている。絶縁膜１１の開口部のｐ電極１０表面と、絶縁膜１１の一部には配線電極１２が設けられている。また、n-Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ｎ層３の一部が露出するまでエッチングを行った表面には、ｎ電極１３が形成されている。
【００１５】
本素子においてｎ電極１３とｐ電極１０の間に電圧を印加すると、ＭＱＷ活性層６に向かってｐ電極１０から正孔（ホール）がｎ電極１３から電子が注入され、活性層で利得を生じ、405nmの波長でレーザ発振を起こす。ＭＱＷ活性層６は厚さ2.5nmのGa0.8In0.2N井戸層と厚さ6.0nmのＧａＮバリア層から構成されている。
【００１６】
図１に示す構造で特徴的なことは、バッファー層２の直上にn-Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ｎ層３が存在することである。この層の厚さは４ミクロンと十分に厚い。したがって、垂直方向も十分に光を閉じ込めることができ、安定な垂直横モードでレーザ発振を生じることができる。ただし、n-Ａｌ0.07Ｇａ0.93Ｎクラッド層４とn-Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ｎ層３のトータルの厚さが１ミクロン以上であれば、安定な垂直横モードを得ることが可能となる。
【００１７】
図１においてn-ＡｌＧａＮ層３のＡｌ組成は０．１３としたが、クラッド層４のＡｌ組成と同じか、高ければ良い。すなわち、クラッド層４の屈折率と同じか、小さい屈折率を有する材料を選択することが垂直横モードの安定化のためには重要である。
【００１８】
この構造でn-ＡｌＧａＮ層３を設けた理由は、垂直横モードの安定化のためだけではない。この層の存在でクラックの発生を大きく抑制できるからである。
【００１９】
図１において、n-Ａｌ0.07Ｇａ0.93Ｎクラッド層４と基板との間には、バッファー層を除いて、Ａｌ組成の低い層（従来の図５に示されるn-ＧａＮ層５０３）は存在していない。基板（またはバッファー層）から活性層に向けて、n-Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ｎ層３、n-Ａｌ0.07Ｇａ0.93Ｎクラッド層４、n-ＧａＮ光ガイド層５と、Ａｌ組成が段階的に（単調に）減少している。このような構成とすることで、従来生じていたクラックが発生しないことを筆者らは実験的に見出した。クラック発生を抑制できた原因は、明確にわかっているわけではないが、熱膨張係数の違いに起因する応力の加わる方向が一定となるためと考えられる。冷却時にクラックが生じないことから、活性層を高品質とすることができ、信頼性の高いデバイスを得ることができる。
【００２０】
（実施の形態２）
実施の形態１では、垂直横モードの安定化およびクラック抑制のために、単一のＡｌＧａＮ層３を付加した。ここでは、基板１から活性層へ向けて、段階的にあるいは線形的にＡｌ組成が減少する場合について述べる。
【００２１】
図２に示す構造では、サファイア基板１上に、ＧａＮバッファ層２０１、n-Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎ層２０２、n-Ａｌ0.16Ｇａ0.84Ｎ層２０３、n-Ａｌ0.12Ｇａ0.88Ｎ層２０４、n-Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎ層２０５、n-Ａｌ0.07Ｇａ0.93Ｎクラッド層４が積層されている。クラッド層４上の構造は図１の構造と同様である。
【００２２】
このように多段階でＡｌ組成を減少させることで、図１の構造よりもさらにクラック発生を抑制でき、歩留まりを向上させることができる。
【００２３】
また、図２の構造はＡｌ組成が図３（ａ）に示すように階段状に減少しているが、図３（ｂ）のように、バッファー層から活性層に向けて線形的に単調減少させても構わない。この場合、Ａｌを含有する層全体がクラッド層を兼ねている。あくまでＡｌを含有する層とバッファー層との間にＧａＮ層がないことが、垂直横モードの安定化とクラック抑制のために必要となる。
【００２４】
（実施の形態３）
実施の形態１および実施の形態２では、クラッド層４とバッファー層との間のＡｌを含有する層が厚膜の場合について説明した。ここでは、クラック抑制のために特殊な薄膜多層構造を用いる場合について説明する。ここで言う“薄膜”とは、光がその膜の屈折率の変化の影響を大きく受けないくらいの厚さのことを言い、λ／（４ｎ）以下の膜厚を有する層を言う。ここで、λはレーザの発振波長、ｎは層の屈折率である。
【００２５】
図４はバッファ層とｎ-ＧａＮ光ガイド層の間に設けた層のＡｌ組成分布を示したものである。図４（ａ）では、ｎ-ＡｌＧａＮクラッド層にＡｌ組成８％（一定）の層を用いており、クラッド層とバッファー層の間には、特殊な薄膜多層構造が設けられている。この薄膜多層構造は、高Ａｌ組成のＡｌＧａＮ（Ａｌ組成＝１８％）とＧａＮ層から構成されており、膜厚は５ｎｍである。この薄膜多層構造の平均Ａｌ組成は９％であり、ｎ-ＡｌＧａＮクラッド層のＡｌ組成よりも高くしてある。
【００２６】
薄膜多層構造を構成する層の膜厚は５ｎｍと非常に薄いために、光はその屈折率変化の影響を受けることはない。したがって、光は薄膜多層構造の平均的な屈折率によって閉じ込められることになる。薄膜多層構造のトータルの厚さは１ミクロン程度であり、安定な垂直横モードでレーザ発振することができる。効果的に光を閉じ込めるために、ＡｌＧａＮ層のＡｌ組成は０．１以上が望ましい。
【００２７】
実施の形態１および実施の形態２では、Ａｌを含有する層とバッファー層との間にＧａＮ層がないことがクラック抑制のために必要となると説明した。図４においては、クラッド層の下部にＧａＮ層（５ｎｍ）が存在していることになる。しかしながら、非常に薄くし、また多層構造とすることで、冷却時におけるクラック発生を抑制できることが実験的にわかっている。ＧａＮ層を挟んでいるＡｌ０．１８Ｇａ０．８２Ｎ層が熱収縮による歪みを緩和しているためと思われる。すなわち、歪緩和層として機能している。
【００２８】
図４（ｂ）では、クラッド層も薄膜多層構造（図中では第二の薄膜多層構造と記載）となっている。ここで、クラッド層の平均Ａｌ組成が、クラッド層下部の第一の薄膜多層構造の平均Ａｌ組成よりも低くしてあり、このことがクラック抑制には大切である。
【００２９】
図４では、高Ａｌ組成の層としてＡｌ0.18Ｇａ0.82Ｎを低Ａｌ組成の層としてＧａＮを用いて説明したが、Ａｌ組成に差があればよく、いずれの層もＡｌを含有しても構わない。
【００３０】
さらにクラックを抑制するためには、不純物のドーピング量を低減させることも効果的である。
【００３１】
アンドープＡｌxＧａ1-xＮ（０≦ｘ≦１）に比べｎ型ＡｌxＧａ1-xＮの方がクラックが発生しやすい傾向にある。図４において、薄膜多層構造を構成する層のいずれか一方に不純物を添加することで、よりクラック発生を抑えることができる。特に、バンドギャップの大きなＡｌＧａＮ層にドーピングする方が、多数キャリア（電子）の活性層への注入を妨げることがないため、望ましい。ｎ型不純物としては、ＳｉやＳｅが望ましい。
【００３２】
本発明では、GaN系半導体レーザを例に取って説明したが、発光ダイオードや電子デバイス等の活性領域を成長させる際にも本発明の効果は大きいことは言うまでもない。発光ダイオードではクラックの発生を抑制でき、高品質の活性層が得られるために、発光効率を向上させることができる。また、電子デバイスではキャリアの移動度が大きく向上する。
【００３３】
また、実施の形態１〜実施の形態３まで個々に説明したが、これらを組み合わせても本発明の効果は大きいことは言うまでもない。例えば、図４の薄膜多層構造のＡｌ組成を活性層へ向かって徐々に減少させてもよい。
【００３４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明のＧａＮ系半導体素子は、基板とクラッド層との間に、該クラッド層のAl組成と等しいか、あるいは該クラッド層のAl組成より高いAlを含有するＧａＮ系半導体層（ただし、バッファー層は除く）を有することにより、クラックを抑制することが可能となって該クラッド層上に高品質の活性層が積層でき、同時に垂直横モードを安定化させることが可能となり、結果として信頼性が高く、かつ光ディスクに用いる際に不具合の生じないデバイスを得ることができる。
【００３５】
また、本発明のＧａＮ系半導体素子は、活性層を挟むクラッド層構造を備えており、該クラッド層構造と基板との間に薄膜多層構造を有しており、該薄膜多層構造は高Ａｌ組成の層と低Ａｌ組成の層から構成されており、該薄膜多層構造の平均Ａｌ組成が該クラッド層構造の平均Al組成と等しいか、あるいは該クラッド層構造の平均Al組成より高い平均Ａｌ組成を有しており、そのために、クラック抑制により高品質の活性層が積層でき、同時に垂直横モードを安定化させることが可能となり、結果として信頼性が高く、かつ光ディスクに用いる際に不具合の生じないデバイスを得ることができる。
【００３６】
また、薄膜多層構造を構成している高Ａｌ組成の層と低Ａｌ組成の層のいずれかに不純物が添加してあることで、さらにクラック発生を防止でき、高品質の活性層を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態を示すGaN系半導体レーザの素子断面図
【図２】本発明の第２の実施の形態を示すGaN系半導体レーザの素子断面図
【図３】ＡｌＧａＮ層のＡｌ組成のプロファイルを示す図
【図４】ＡｌＧａＮ層のＡｌ組成のプロファイルを示す図
【図５】従来のGaN系量子井戸半導体レーザの素子断面図
【図６】従来の課題を説明するための図で、半導体レーザの構成材料の屈折率分布と光の分布を示した図
【図７】従来の課題を説明するための図
【符号の説明】
１  サファイア基板
２  バッファー層
３  n-Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ｎ層
４  n-Ａｌ0.07Ｇａ0.93Ｎクラッド層
５  n-GaN光ガイド層
６  ＭＱＷ活性層
７  p-GaN光ガイド層
８  p-Ａｌ0.07Ｇａ0.93Ｎクラッド層
９  p-GaNコンタクト層
１０  p電極
１１  絶縁膜
１２  配線電極
１３  n電極
２０１  ＧａＮバッファー層
２０２  n-Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎ層
２０３  n-Ａｌ0.16Ｇａ0.84Ｎ層
２０４  n-Ａｌ0.12Ｇａ0.88Ｎ層
２０５  n-Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎ層
３０１  サファイア基板
３０２  バッファー層
３０３  n-ＧａＮ層
３０４  n-ＡｌＧａＮクラッド層
３０５  n-GaN光ガイド層
３０６  ＭＱＷ活性層
３０７  p-GaN光ガイド層
３０８  p-ＡｌＧａＮクラッド層
３０９  p-GaNコンタクト層
３１０  p電極
３１１  ＳｉＯ2
３１２  n電極
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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