(57)【要約】【課題】発光特性を向上することのできる半導体発光素子および半導体発光素子の製造方法を提供する。【解決手段】半導体レーザ３０は、ＡｌＧａＮよりなるｎ型クラッド層２と、ｎ型クラッド層２上に形成されたＩｎsＧａ1-sＮ（０≦ｓ＜１）よりなるｎ型中間層３と、ｎ型中間層３上に形成されたＩｎtＧａ1-tＮ（０≦ｔ＜０．５）よりなるｎ型緩衝層４と、ｎ型緩衝層４上に形成されたＩｎＧａＮよりなる量子井戸発光層５とを備えている。量子井戸発光層５はＩｎ濃度が相対的に高いＩｎuＧａ1-uＮ（０＜ｕ＜０．５）よりなる井戸層と、Ｉｎ濃度が相対的に低いＩｎvＧａ1-vＮ（０≦ｖ＜ｕ）よりなる障壁層とを有している。ｎ型緩衝層４のＩｎ濃度はｎ型中間層３のＩｎ濃度よりも高く、かつ井戸層５ｂのＩｎ濃度はｎ型緩衝層４のＩｎ濃度よりも高い。【選択図】図１
2011187993.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１導電型のＡｌＧａＮよりなるクラッド層と、
前記クラッド層上に形成されたＩｎsＧａ1-sＮ（０≦ｓ＜１）よりなる中間層と、
前記中間層上に形成されたＩｎtＧａ1-tＮ（０≦ｔ＜０．５）よりなる緩衝層と、
前記緩衝層上に形成されたＩｎＧａＮよりなる量子井戸発光層とを備え、
前記量子井戸発光層はＩｎ濃度が相対的に高いＩｎuＧａ1-uＮ（０＜ｕ＜０．５）よりなる井戸層と、Ｉｎ濃度が相対的に低いＩｎvＧａ1-vＮ（０≦ｖ＜ｕ）よりなる障壁層とを有し、
前記緩衝層のＩｎ濃度は前記中間層のＩｎ濃度よりも高く、かつ前記井戸層のＩｎ濃度は前記緩衝層のＩｎ濃度よりも高いことを特徴とする、半導体発光素子。
【請求項２】
第１導電型のＡｌＧａＮよりなるクラッド層と、
前記クラッド層上に形成されたＡｌsＧａ1-sＮ（０≦ｓ＜１）よりなる中間層と、
前記中間層上に形成されたＩｎtＧａ1-tＮ（０≦ｔ＜０．５）よりなる緩衝層と、
前記緩衝層上に形成されたＩｎＧａＮよりなる量子井戸発光層とを備え、
前記量子井戸発光層はＩｎ濃度が相対的に高いＩｎuＧａ1-uＮ（０＜ｕ＜０．５）よりなる井戸層と、Ｉｎ濃度が相対的に低いＩｎvＧａ1-vＮ（０≦ｖ＜ｕ）よりなる障壁層とを有し、
前記クラッド層のＡｌ濃度は前記中間層のＡｌ濃度よりも高く、かつ前記井戸層のＩｎ濃度は前記緩衝層のＩｎ濃度よりも高いことを特徴とする、半導体発光素子。
【請求項３】
ＡｌwＧａ1-wＮ（０≦ｗ≦１）よりなる基板をさらに備え、
前記クラッド層は前記基板の一方の主面上に形成されることを特徴とする、請求項１または２に記載の半導体発光素子。
【請求項４】
前記基板が相対的に欠陥密度の低い低欠陥領域と、相対的に欠陥密度が高く、かつ前記一方の主面において点状または線状に分布する欠陥集中領域とを有することを特徴とする、請求項３に記載の半導体発光素子。
【請求項５】
前記クラッド層が前記一方の主面に接して形成されることを特徴とする、請求項３または４に記載の半導体発光素子。
【請求項６】
前記緩衝層はＩｎtＧａ1-tＮ（０．０２≦ｔ≦０．５）よりなることを特徴とする、請求項１〜５のいずれかに記載の半導体発光素子。
【請求項７】
前記クラッド層はＡｌxＧａ1-xＮ（０＜ｘ≦０．０５）よりなることを特徴とする、請求項１〜６のいずれかに記載の半導体発光素子。
【請求項８】
前記緩衝層の膜厚は８０ｎｍ以上１４０ｎｍ以下であることを特徴とする、請求項１〜７のいずれかに記載の半導体発光素子。
【請求項９】
第１導電型のＡｌＧａＮよりなるクラッド層を形成する工程と、
ＩｎsＧａ1-sＮ（０≦ｓ＜１）よりなる中間層を前記クラッド層上に形成する工程と、
ＩｎtＧａ1-tＮ（０≦ｔ＜０．５）よりなる緩衝層を前記中間層上に形成する工程と、
ＩｎＧａＮよりなる量子井戸発光層を前記緩衝層上に形成する工程とを備え、
前記量子井戸発光層を形成する工程は、Ｉｎ濃度が相対的に高いＩｎuＧａ1-uＮ（０＜ｕ＜０．５）よりなる井戸層を形成する工程と、Ｉｎ濃度が相対的に低いＩｎvＧａ1-vＮ（０≦ｖ＜ｕ）よりなる障壁層を形成する工程とを含み、
前記緩衝層のＩｎ濃度は前記中間層のＩｎ濃度よりも高く、かつ前記井戸層のＩｎ濃度は前記緩衝層のＩｎ濃度よりも高いことを特徴とする、半導体発光素子の製造方法。
【請求項１０】
第１導電型のＡｌＧａＮよりなるクラッド層を形成する工程と、
ＡｌsＧａ1-sＮ（０≦ｓ＜１）よりなる中間層を前記クラッド層上に形成する工程と、
ＩｎtＧａ1-tＮ（０≦ｔ＜０．５）よりなる緩衝層を前記中間層上に形成する工程と、
ＩｎＧａＮよりなる量子井戸発光層を前記緩衝層上に形成する工程とを備え、
前記量子井戸発光層を形成する工程は、Ｉｎ濃度が相対的に高いＩｎuＧａ1-uＮ（０＜ｕ＜０．５）よりなる井戸層を形成する工程と、Ｉｎ濃度が相対的に低いＩｎvＧａ1-vＮ（０≦ｖ＜ｕ）よりなる障壁層を形成する工程とを含み、
前記クラッド層のＡｌ濃度は前記中間層のＡｌ濃度よりも高く、かつ前記井戸層のＩｎ濃度は前記緩衝層のＩｎ濃度よりも高いことを特徴とする、半導体発光素子の製造方法。
【請求項１１】
前記井戸層は前記緩衝層を形成する際の温度以下の温度で形成され、前記障壁層は前記緩衝層を形成する際の温度以上の温度で形成されることを特徴とする、請求項９または１０に記載の半導体発光素子の製造方法。
【請求項１２】
前記クラッド層は第１の温度で形成され、かつ前記中間層は第１の温度以下の温度である第２の温度で形成され、かつ前記緩衝層は前記第２の温度以下の温度である第３の温度で形成されることを特徴とする、請求項９〜１１のいずれかに記載の半導体発光素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は半導体発光素子および半導体発光素子の製造方法に関し、より特定的には、ＩｎＧａＮよりなる量子井戸発光層を備えた半導体発光素子および半導体発光素子の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＩｎＧａＮよりなる窒化物半導体は、紫外領域から赤外領域までの波長領域の光を発する発光素子の材料としてよく知られている。たとえば特開平８−２２８０２５号公報（特許文献１）には、ＩｎＧａＮを用いた発光素子の構成が開示されている。特許文献１の発光素子は、サファイアよりなる基板と、ＧａＮよりなるバッファ層と、ＧａＮよりなるｎ型コンタクト層と、ＩｎＧａＮよりなる第１のクラッド層と、ＡｌＧａＮよりなる第２のｎ型クラッド層と、ＩｎＧａＮよりなる活性層と、ＩｎＧａＮよりなる第１のｐ型クラッド層と、ＡｌＧａＮよりなる第２のｐ型クラッド層と、ＧａＮよりなるｐ型コンタクト層とを備えている。基板上にはバッファ層、ｎ型コンタクト層、第２のｎ型クラッド層、第１のｎ型クラッド層、活性層、第１のｐ型クラッド層、第２のｐ型クラッド層、ｐ型コンタクト層の各々がこの順序で形成されている。また、ｎ型コンタクト層に接触して負電極が形成されており、ｐ型コンタクト層に接触して正電極が形成されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平８−２２８０２５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、従来の半導体発光素子においては、十分な発光特性が得られないという問題があった。具体的には、上記特許文献１の発光素子において発光波長を４５０ｎｍから４００ｎｍに変えると、ＰＬ（Photoluminescence）強度が大きく低下するという問題があった。
【０００５】
したがって、本発明の目的は、発光特性を向上することのできる半導体発光素子および半導体発光素子の製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の一の局面に従う半導体発光素子は、第１導電型のＡｌＧａＮよりなるクラッド層と、クラッド層上に形成されたＩｎsＧａ1-sＮ（０≦ｓ＜１）よりなる中間層と、中間層上に形成されたＩｎtＧａ1-tＮ（０≦ｔ＜０．５）よりなる緩衝層と、緩衝層上に形成されたＩｎＧａＮよりなる量子井戸発光層とを備えている。量子井戸発光層はＩｎ濃度が相対的に高いＩｎuＧａ1-uＮ（０＜ｕ＜０．５）よりなる井戸層と、Ｉｎ濃度が相対的に低いＩｎvＧａ1-vＮ（０≦ｖ＜ｕ）よりなる障壁層とを有している。緩衝層のＩｎ濃度は中間層のＩｎ濃度よりも高く、かつ井戸層のＩｎ濃度は緩衝層のＩｎ濃度よりも高い。
【０００７】
本発明の他の局面に従う半導体発光素子は、第１導電型のＡｌＧａＮよりなるクラッド層と、クラッド層上に形成されたＡｌsＧａ1-sＮ（０≦ｓ＜１）よりなる中間層と、中間層上に形成されたＩｎtＧａ1-tＮ（０≦ｔ＜０．５）よりなる緩衝層と、緩衝層上に形成されたＩｎＧａＮよりなる量子井戸発光層とを備えている。量子井戸発光層はＩｎ濃度が相対的に高いＩｎuＧａ1-uＮ（０＜ｕ＜０．５）よりなる井戸層と、Ｉｎ濃度が相対的に低いＩｎvＧａ1-vＮ（０≦ｖ＜ｕ）よりなる障壁層とを有している。クラッド層のＡｌ濃度は中間層のＡｌ濃度よりも高く、かつ井戸層のＩｎ濃度は緩衝層のＩｎ濃度よりも高い。
【０００８】
本願発明者らは、従来の半導体発光素子において十分な発光特性が得られない理由は、クラッド層の結晶格子と量子井戸発光層の結晶格子との不整合と、これらの結晶格子の不整合に起因する量子井戸発光層の欠陥とにあることを見出した。そこで、本発明の一の局面および他の局面に従う半導体発光素子によれば、クラッド層と量子井戸発光層との間に中間層および緩衝層が形成されており、クラッド層から量子井戸発光層にかけて徐々に結晶の格子定数が大きくなるようにされている。これにより、クラッド層の結晶格子と量子井戸発光層の結晶格子との不整合が緩和され、量子井戸発光層への欠陥の発生が抑制される。その結果、発光特性を向上することができる。
【０００９】
本発明の半導体発光素子において好ましくは、ＡｌwＧａ1-wＮ（０≦ｗ≦１）よりなる基板がさらに備えられている。クラッド層は基板の一方の主面上に形成されている。
【００１０】
ＡｌwＧａ1-wＮ（０≦ｗ≦１）は熱的に安定であり、基板として適している。またＡｌwＧａ1-wＮ（０≦ｗ≦１）は導電性を有するので、基板の他方の主面に電極を形成することができる。これにより、基板の一方の主面側に電極を形成する場合に比べて半導体発光素子の平面サイズを小さくすることができる。加えて、基板の一方の主面側に形成された層をエッチングする必要がないので、基板の一方の主面側に電極を形成する場合に比べて製造工程を簡略化することができる。
【００１１】
本発明の半導体発光素子において好ましくは、基板が相対的に欠陥密度の低い低欠陥領域と、相対的に欠陥密度が高く、かつ一方の主面において点状または線状に分布する欠陥集中領域とを有している。
【００１２】
これにより、低欠陥領域を発光領域とすることができ、半導体発光素子の発光特性をさらに向上することができる。
【００１３】
本発明の半導体発光素子において好ましくは、クラッド層が一方の主面に接して形成されている。
【００１４】
本発明の半導体発光素子において好ましくは、緩衝層はＩｎtＧａ1-tＮ（０．０２≦ｔ≦０．５）よりなっている。
【００１５】
本発明の半導体発光素子において好ましくは、緩衝層の膜厚は８０ｎｍ以上１４０ｎｍ以下である。
【００１６】
これにより、発光特性をさらに向上することができる。
本発明の半導体発光素子において好ましくは、クラッド層はＡｌxＧａ1-xＮ（０＜ｘ≦０．０５）よりなっている。
【００１７】
Ａｌの組成比ｘを０．０５以下とすることにより、クラッド層の結晶と量子井戸発光層の結晶との格子定数が近くなり、発光特性をさらに向上することができる。
【００１８】
本発明の一の局面に従う半導体発光素子の製造方法は、以下の工程を備えている。第１導電型のＡｌＧａＮよりなるクラッド層を形成する。ＩｎsＧａ1-sＮ（０≦ｓ＜１）よりなる中間層をクラッド層上に形成する。ＩｎtＧａ1-tＮ（０≦ｔ＜０．５）よりなる緩衝層を中間層上に形成する。ＩｎＧａＮよりなる量子井戸発光層を緩衝層上に形成する。量子井戸発光層を形成する工程は、Ｉｎ濃度が相対的に高いＩｎuＧａ1-uＮ（０＜ｕ＜０．５）よりなる井戸層を形成する工程と、Ｉｎ濃度が相対的に低いＩｎvＧａ1-vＮ（０≦ｖ＜ｕ）よりなる障壁層を形成する工程とを含んでいる。緩衝層のＩｎ濃度は中間層のＩｎ濃度よりも高く、かつ井戸層のＩｎ濃度は緩衝層のＩｎ濃度よりも高い。
【００１９】
本発明の他の局面に従う半導体発光素子の製造方法は、以下の工程を備えている。第１導電型のＡｌＧａＮよりなるクラッド層を形成する。ＡｌsＧａ1-sＮ（０≦ｓ＜１）よりなる中間層をクラッド層上に形成する。ＩｎtＧａ1-tＮ（０≦ｔ＜０．５）よりなる緩衝層を中間層上に形成する。ＩｎＧａＮよりなる量子井戸発光層を緩衝層上に形成する。量子井戸発光層を形成する工程は、Ｉｎ濃度が相対的に高いＩｎuＧａ1-uＮ（０＜ｕ＜０．５）よりなる井戸層を形成する工程と、Ｉｎ濃度が相対的に低いＩｎvＧａ1-vＮ（０≦ｖ＜ｕ）よりなる障壁層を形成する工程とを含んでいる。クラッド層のＡｌ濃度は中間層のＡｌ濃度よりも高く、かつ井戸層のＩｎ濃度は緩衝層のＩｎ濃度よりも高い。
【００２０】
本発明の一の局面および他の局面に従う半導体発光素子の製造方法によれば、クラッド層と量子井戸発光層との間に中間層および緩衝層が形成されており、クラッド層から量子井戸発光層にかけて徐々に結晶の格子定数が大きくなるようにされている。これにより、クラッド層の結晶格子と量子井戸発光層の結晶格子との不整合が緩和され、量子井戸発光層への欠陥の発生が抑制される。その結果、発光特性を向上することができる。
【００２１】
本発明の半導体発光素子の製造方法において好ましくは、クラッド層は第１の温度で形成され、かつ中間層は第１の温度以下の温度である第２の温度で形成され、かつ緩衝層は第２の温度以下の温度である第３の温度で形成される。
【００２２】
中間層の融点はクラッド層の融点よりも低いので、クラッド層よりも低い温度で中間層を形成することで所望の組成の中間層を得ることができる。また、緩衝層の融点は中間層の融点よりも低いので、中間層よりも低い温度で緩衝層を形成することで緩衝層の結晶の品質を向上することができる。
【００２３】
本発明の半導体発光素子の製造方法において好ましくは、井戸層は緩衝層を形成する際の温度以下の温度で形成され、障壁層は緩衝層を形成する際の温度以上の温度で形成される。
【００２４】
井戸層の融点は緩衝層の融点よりも低いので、緩衝層よりも低い温度で井戸層を形成することで井戸層の結晶の品質を向上することができる。また、緩衝層の融点は障壁層の融点よりも低いので、障壁層よりも低い温度で緩衝層を形成することで所望の組成の緩衝層を得ることができる。
【発明の効果】
【００２５】
本発明の半導体発光素子および半導体発光素子の製造方法によれば、発光特性を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の実施の形態１における半導体発光素子の構成を示す断面図である。
【図２】量子井戸発光層におけるＩｎ組成の分布を示す図である。
【図３】本発明の実施の形態１における半導体レーザの製造方法の第１工程を示す断面図である。
【図４】本発明の実施の形態１における半導体レーザの製造方法の第２工程を示す断面図である。
【図５】本発明の実施の形態１における半導体レーザの製造方法の第３工程を示す断面図である。
【図６】本発明の実施の形態３における発光ダイオードの構成を示す断面図である。
【図７】本発明の実施の形態３における発光ダイオードの製造方法の第１工程を示す断面図である。
【図８】本発明の実施の形態３における発光ダイオードの製造方法の第２工程を示す断面図である。
【図９】本発明の実施の形態３における発光ダイオードの製造方法の第３工程を示す断面図である。
【図１０】（ａ）は本発明の実施の形態４における半導体レーザに使用される基板を模式的に示した斜視図であり、（ｂ）は本発明の実施の形態４における半導体レーザに使用される基板を模式的に示した断面図である。
【図１１】本発明の実施の形態４における半導体レーザに使用される基板の他の例を模式的に示した斜視図である。
【図１２】本発明の実施例２において、本発明例２で得られたスペクトルを示す図である。
【図１３】本発明の実施例２において得られた電流値と光出力との関係を示す図である。
【図１４】本発明の実施例３におけるｎ型緩衝層のＩｎ組成とＰＬ強度との関係を示す図である。
【図１５】本発明の実施例４におけるｎ型緩衝層の膜厚とＰＬ強度との関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
以下、本発明の実施の形態について図面に基づいて説明する。
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１における半導体レーザの構成を示す断面図である。図１を参照して、本実施の形態における半導体発光素子としての半導体レーザ３０は、基板１と、ｎ型クラッド層２と、ｎ型中間層３と、ｎ型緩衝層４と、量子井戸発光層５と、ガイド層６と、ｐ型電子ブロック層７と、ｐ型クラッド層８と、ｐ型コンタクト層９と、絶縁層１０と、電極１１および１２とを備えている。
【００２８】
基板１はＡｌwＧａ1-wＮ（０≦ｗ≦１）よりなっており、たとえばＧａＮよりなっている。基板１の上面１ａ上にはｎ型クラッド層２が上面１ａに接して形成されている。ｎ型クラッド層２はＡｌＧａＮよりなっており、たとえばＡｌxＧａ1-xＮ（０＜ｘ≦０．０５）よりなっている。ｎ型クラッド層２上にはＩｎsＧａ1-sＮ（０≦ｓ＜１）よりなるｎ型中間層３が形成されている。ｎ型中間層３上にはｎ型緩衝層４が形成されている。ｎ型緩衝層４はたとえばＩｎtＧａ1-tＮ（０≦ｔ＜０．５）よりなっており、好ましくはＩｎtＧａ1-tＮ（０．０２≦ｔ≦０．５）よりなっている。ｎ型緩衝層４の膜厚はたとえば８０ｎｍ以上１４０ｎｍ以下である。ｎ型緩衝層４上には量子井戸発光層５が形成されている。
【００２９】
図２は、量子井戸発光層におけるＩｎ組成の分布を示す図である。図１および図２を参照して、量子井戸発光層５は複数の障壁層５ａと井戸層５ｂとを有している。障壁層５ａと井戸層５ｂとは積層方向（図１中縦方向）に交互に形成されている。井戸層５ｂはＩｎuＧａ1-uＮ（０＜ｕ＜０．５）よりなっており、障壁層５ａはＩｎvＧａ1-vＮ（０≦ｖ＜ｕ）よりなっている。障壁層５ａのＩｎ濃度は井戸層５ｂのＩｎ濃度よりも低い。図２では、障壁層５ａのＩｎ組成比は１％であり、井戸層５ｂの組成比は８％である。障壁層５ａにおけるエネルギ障壁によって、量子井戸発光層５に注入されたキャリアが井戸層５ｂに閉じ込められる。
【００３０】
図１を参照して、ｎ型緩衝層４のＩｎ濃度はｎ型中間層３のＩｎ濃度よりも高く、かつ井戸層５ｂのＩｎ濃度はｎ型緩衝層４のＩｎ濃度よりも高い。
【００３１】
量子井戸発光層５上にはたとえばアンドープＧａＮよりなるガイド層６が形成されており、ガイド層６上にはたとえばＡｌＧａＮよりなるｐ型電子ブロック層７が形成されている。ｐ型電子ブロック層７上にはＡｌＧａＮよりなるｐ型クラッド層８が形成されており、ｐ型クラッド層８上にはＧａＮよりなるｐ型コンタクト層９が形成されている。ｐ型コンタクト層９上には開口部１０ａを有する絶縁層１０が形成されている。開口部１０ａ内を埋めるように電極１２が絶縁層１０上に形成されている。電極１２は絶縁層１０と直接接触している。基板１の下面１ｂには電極１１が形成されている。
【００３２】
本実施の形態の半導体レーザ３０においては、電極１１（ｎ電極）および電極１２（ｐ電極）へ所定の電位が与えられると、電極１１および電極１２の間に電圧が発生し、ｎ型クラッド層２およびｐ型クラッド層８の各々から量子井戸発光層５へキャリアが注入される。そして、注入されたキャリア同士が井戸層５ｂにおいてそれぞれ再結合し、光が放出される。この光は、量子井戸発光層５の端面から紙面に垂直な方向へ放出される。
【００３３】
続いて、本実施の形態における半導体レーザの製造方法について、図３〜図５を用いて説明する。
【００３４】
始めに図３を参照して、基板１の上面１ａ上に、ｎ型クラッド層２と、ｎ型中間層３と、ｎ型緩衝層４と、量子井戸発光層５と、ガイド層６と、ｐ型電子ブロック層７と、ｐ型クラッド層８と、ｐ型コンタクト層９とをこの順序で形成する。これらの層はたとえばＭＯＣＶＤ（有機金属気相成長法）を用いて形成される。
【００３５】
ここで、量子井戸発光層５における障壁層５ａおよび井戸層５ｂは、Ｉｎを含むガスの濃度を周期的に変化させることで形成される。またＩｎＧａＮはアンドープで作製してもｎ型になると考えられるため、ｎ型中間層３およびｎ型緩衝層４をアンドープのＩｎＧａＮにより作製してもよい。
【００３６】
また、ｎ型中間層３はｎ型クラッド層２を形成する際の温度（第１の温度）以下の温度（第２の温度）で形成され、かつｎ型緩衝層４はｎ型中間層３を形成する際の温度以下の温度（第３の温度）で形成される。さらに、井戸層５ｂはｎ型緩衝層４を形成する際の温度以下の温度で形成され、障壁層５ａはｎ型緩衝層４を形成する際の温度以上の温度で形成される。
【００３７】
次に図４を参照して、ｐ型コンタクト層９上に絶縁層１０を形成する。続いて、絶縁層１０上に図示しないレジストを形成し、このレジストをマスクとして絶縁層１０をエッチングする。その結果、絶縁層１０の所定の位置に開口部１０ａが形成される。
【００３８】
次に図５を参照して、開口部１０ａを埋めるように絶縁層１０上に電極１２を形成する。続いて、基板１の下面１ｂに電極１１を形成する。その後、図中Ａ−Ａ線に沿って基板１をダイシングし、個々の半導体レーザに分離する。以上の工程により、図１に示す半導体レーザ３０が得られる。
【００３９】
本実施の形態における半導体レーザ３０は、ＡｌＧａＮよりなるｎ型クラッド層２と、ｎ型クラッド層２上に形成されたＩｎsＧａ1-sＮ（０≦ｓ＜１）よりなるｎ型中間層３と、ｎ型中間層３上に形成されたＩｎtＧａ1-tＮ（０≦ｔ＜０．５）よりなるｎ型緩衝層４と、ｎ型緩衝層４上に形成されたＩｎＧａＮよりなる量子井戸発光層５とを備えている。量子井戸発光層５はＩｎ濃度が相対的に高いＩｎuＧａ1-uＮ（０＜ｕ＜０．５）よりなる井戸層５ｂと、Ｉｎ濃度が相対的に低いＩｎvＧａ1-vＮ（０≦ｖ＜ｕ）よりなる障壁層５ａとを有している。ｎ型緩衝層４のＩｎ濃度はｎ型中間層３のＩｎ濃度よりも高く、かつ井戸層５ｂのＩｎ濃度はｎ型緩衝層４のＩｎ濃度よりも高い。
【００４０】
また、本実施の形態における半導体レーザ３０の製造方法は、以下の工程を備えている。ＡｌＧａＮよりなるｎ型クラッド層２を形成する。ＩｎsＧａ1-sＮ（０≦ｓ＜１）よりなるｎ型中間層３をｎ型クラッド層２上に形成する。ＩｎtＧａ1-tＮ（０≦ｔ＜０．５）よりなるｎ型緩衝層４をｎ型中間層３上に形成する。ＩｎＧａＮよりなる量子井戸発光層５をｎ型緩衝層４上に形成する。量子井戸発光層５を形成する工程は、Ｉｎ濃度が相対的に高いＩｎuＧａ1-uＮ（０＜ｕ＜０．５）よりなる井戸層５ｂを形成する工程と、Ｉｎ濃度が相対的に低いＩｎvＧａ1-vＮ（０≦ｖ＜ｕ）よりなる障壁層５ａを形成する工程とを含んでいる。ｎ型緩衝層４のＩｎ濃度はｎ型中間層３のＩｎ濃度よりも高く、かつ井戸層５ｂのＩｎ濃度はｎ型緩衝層４のＩｎ濃度よりも高い。
【００４１】
ＡｌＧａＮ結晶の格子定数はＡｌの含有量が少ないほど大きく、またＩｎＧａＮ結晶の格子定数はＩｎの含有量が多いほど大きい。本実施の形態における半導体レーザ３０およびその製造方法によれば、ｎ型クラッド層２と量子井戸発光層５との間にｎ型中間層３およびｎ型緩衝層４が形成されており、ｎ型クラッド層２から量子井戸発光層５にかけて徐々にＡｌの含有量が少なくなり、かつＩｎの含有量が多くなる。これによって、ｎ型クラッド層２から量子井戸発光層５にかけて結晶の格子定数が徐々に大きくなるので、ｎ型クラッド層２の結晶格子と量子井戸発光層５の結晶格子との不整合が緩和され、量子井戸発光層への欠陥の発生が抑制される。その結果、発光特性を向上することができる。
【００４２】
また、半導体レーザ３０はＡｌwＧａ1-wＮ（０≦ｗ≦１）よりなる基板１をさらに備えており、ｎ型クラッド層２は基板１の上面１ａ上に形成されている。ＡｌwＧａ1-wＮ（０≦ｗ≦１）は熱的に安定であり、基板として適している。またＡｌwＧａ1-wＮ（０≦ｗ≦１）は導電性を有するので、基板１の下面１ｂに電極１１を形成することができる。これにより、基板１の上面１ａ側に電極を形成する場合に比べて半導体レーザ３０の平面サイズを小さくすることができる。加えて、基板１の上面１ａ側に形成された層をエッチングする必要がないので、基板１の上面１ａ側に電極を形成する場合に比べて製造工程を簡略化することができる。
【００４３】
また、ｎ型クラッド層２がＡｌxＧａ1-xＮ（０＜ｘ≦０．０５）よりなっているので、ｎ型クラッド層２の結晶格子と量子井戸発光層５の結晶格子との格子定数が近くなり、発光特性をさらに向上することができる。
【００４４】
また上記製造方法においては、ｎ型クラッド層２は第１の温度で形成され、かつｎ型中間層３は第１の温度以下の温度である第２の温度で形成され、かつｎ型緩衝層４は第２の温度以下の温度である第３の温度で形成される。さらに上記製造方法においては、井戸層５ｂはｎ型緩衝層４を形成する際の温度以下の温度で形成され、障壁層５ａはｎ型緩衝層４を形成する際の温度以上の温度で形成される。
【００４５】
Ｉｎを多く含むほど層の融点は低下し、Ａｌを多く含むほど層の融点は上昇するので、上記のように各層の形成温度を設定することで、各層の結晶の品質を向上することができる。
【００４６】
（実施の形態２）
図１を参照して、本実施の形態の半導体レーザ３０は、ｎ型中間層の材質において実施の形態１の半導体レーザと異なっている。本実施の形態におけるｎ型中間層３はＡｌsＧａ1-sＮ（０≦ｓ＜１）よりなっている。ｎ型クラッド層２のＡｌ濃度はｎ型中間層のＡｌ濃度よりも高く、かつ井戸層５ｂのＩｎ濃度はｎ型緩衝層４のＩｎ濃度よりも高い。
【００４７】
なお、これ以外の半導体レーザ３０の構成、動作、および製造方法は、実施の形態１の半導体レーザの構成および動作とほぼ同様であるので、同一の部材には同一の符号を付し、その説明は繰り返さない。
【００４８】
本実施の形態における半導体レーザ３０は、ＡｌＧａＮよりなるｎ型クラッド層２と、ｎ型クラッド層２上に形成されたＡｌsＧａ1-sＮ（０≦ｓ＜１）よりなるｎ型中間層３と、ｎ型中間層３上に形成されたＩｎtＧａ1-tＮ（０≦ｔ＜０．５）よりなるｎ型緩衝層４と、ｎ型緩衝層４上に形成されたＩｎＧａＮよりなる量子井戸発光層５とを備えている。量子井戸発光層５はＩｎ濃度が相対的に高いＩｎuＧａ1-uＮ（０＜ｕ＜０．５）よりなる井戸層５ｂと、Ｉｎ濃度が相対的に低いＩｎvＧａ1-vＮ（０≦ｖ＜ｕ）よりなる障壁層５ａとを有している。ｎ型クラッド層２のＡｌ濃度はｎ型中間層３のＡｌ濃度よりも高く、かつ井戸層５ｂのＩｎ濃度はｎ型緩衝層４のＩｎ濃度よりも高い。
【００４９】
また、本実施の形態における半導体レーザ３０の製造方法は、以下の工程を備えている。ＡｌＧａＮよりなるｎ型クラッド層２を形成する。ＡｌsＧａ1-sＮ（０≦ｓ＜１）よりなるｎ型中間層３をｎ型クラッド層２上に形成する。ＩｎtＧａ1-tＮ（０≦ｔ＜０．５）よりなるｎ型緩衝層４をｎ型中間層３上に形成する。ＩｎＧａＮよりなる量子井戸発光層５をｎ型緩衝層４上に形成する。量子井戸発光層５を形成する工程は、Ｉｎ濃度が相対的に高いＩｎuＧａ1-uＮ（０＜ｕ＜０．５）よりなる井戸層５ｂを形成する工程と、Ｉｎ濃度が相対的に低いＩｎvＧａ1-vＮ（０≦ｖ＜ｕ）よりなる障壁層５ａを形成する工程とを含んでいる。ｎ型クラッド層２のＡｌ濃度はｎ型中間層３のＡｌ濃度よりも高く、かつ井戸層５ｂのＩｎ濃度はｎ型緩衝層４のＩｎ濃度よりも高い。
【００５０】
本実施の形態における半導体レーザ３０およびその製造方法によれば、ｎ型クラッド層２から量子井戸発光層５にかけて徐々に結晶の格子定数が大きくなるので、ｎ型クラッド層２の結晶格子と量子井戸発光層５の結晶格子との不整合が緩和され、量子井戸発光層５への欠陥の発生が抑制される。その結果、発光特性を向上することができる。
【００５１】
（実施の形態３）
図６は、本発明の実施の形態３における発光ダイオードの構成を示す断面図である。図６を参照して、本実施の形態の半導体発光素子としての発光ダイオード３１は、以下の点において実施の形態１の半導体レーザと異なっている。基板１はたとえばサファイアなどの絶縁性材料よりなっており、基板１とｎ型クラッド層２との間には、ＧａＮよりなるｎ型コンタクト層２１が形成されている。ガイド層６およびｐ型クラッド層８は形成されておらず、量子井戸発光層５およびｐ型電子ブロック層７と、ｐ型電子ブロック層７およびｐ型コンタクト層９との各々が互いに接して形成されている。ｎ型クラッド層２、ｎ型中間層３、ｎ型緩衝層４、量子井戸発光層５、ｐ型電子ブロック層７、およびｐ型コンタクト層９の各々の一部は除去されており、それによりｎ型コンタクト層２１に達する溝２１ａが形成されている。溝２１ａにおいて、電極１１はｎ型コンタクト層２１に隣接して形成されている。これにより、電極１１はｎ型コンタクト層２１を介して基板１に電気的に接続されている。ｐ型コンタクト層９上には絶縁層が形成されておらず、電極１２がｐ型コンタクト層９に隣接して形成されている。
【００５２】
なお、これ以外の発光ダイオード３１の構成は、実施の形態１の半導体レーザの構成とほぼ同様であるので、同一の部材には同一の符号を付し、その説明は繰り返さない。
【００５３】
続いて、本実施の形態における発光ダイオードの製造方法について、図７〜図９を用いて説明する。
【００５４】
始めに図７を参照して、基板１の上面１ａ上にｎ型コンタクト層２１と、ｎ型クラッド層２と、ｎ型中間層３と、ｎ型緩衝層４と、量子井戸発光層５と、ｐ型電子ブロック層７と、ｐ型コンタクト層９とをこの順序で形成する。これらの層はたとえばＭＯＣＶＤ（有機金属気相成長法）を用いて形成される。量子井戸発光層５における障壁層５ａおよび井戸層５ｂは、Ｉｎを含むガスの濃度を周期的に変化させることで形成される。
【００５５】
なお、サファイアよりなる基板１を用いる場合、基板１とｎ型クラッド層２との間にバッファ層（図示なし）を形成してもよい。
【００５６】
次に図８を参照して、ｐ型コンタクト層９上に電極１２を形成し、電極１２上に所定形状を有するレジスト２５を形成する。次に、レジスト２５をマスクとして、ｐ型コンタクト層９、ｐ型電子ブロック層７、量子井戸発光層５、ｎ型緩衝層４、ｎ型中間層３、およびｎ型クラッド層２の各々の一部をエッチングする。その結果、ｎ型コンタクト層２１に溝２１ａが形成される。その後、レジスト２５を除去する。
【００５７】
次に図９を参照して、溝２１ａの底部のｎ型コンタクト層２１上に電極１１を形成する。その後、図中Ｂ−Ｂ線に沿って基板１およびｎ型コンタクト層２１をダイシングし、個々の発光ダイオードに分離する。以上の工程により、図６に示す発光ダイオード３１が得られる。
【００５８】
本実施の形態では、基板１が絶縁性基板であるので、基板１の下面に電極を形成することができない。このため、基板１の上面１ａに電極１１が設けられている。その結果、本実施の形態における発光ダイオード３１およびその製造方法によれば、実施の形態１の半導体レーザおよびその製造方法と同様の効果を得ることができる。
【００５９】
（実施の形態４）
図１０は、本発明の実施の形態４における半導体レーザに使用される基板を模式的に示した図である。（ａ）は斜視図であり、（ｂ）は（ａ）のＸＢ−ＸＢ線に沿う断面図である。図１０（ａ）、（ｂ）を参照して、本実施の形態における基板１は、低欠陥領域５０と、低欠陥領域５０に比べて欠陥密度の高い領域である欠陥集中領域５１とを有している。欠陥集中領域５１は基板１の上面１ａにおいて点状に分布しており、厚さ方向（図１０（ｂ）中縦方向）に基板１を貫通している。
【００６０】
なお、図１０（ａ）、（ｂ）においては、低欠陥領域５０と欠陥集中領域５１との境界線が実線で示されているが、低欠陥領域５０と欠陥集中領域５１との境界には実際にはこのような線はない。
【００６１】
本実施の形態における基板１は、製造時に欠陥をある領域に集中させることにより、それ以外の領域の欠陥を低減したものである。このような基板１を半導体レーザ３０が備えていることにより、低欠陥領域５０を発光領域とすることができ、半導体レーザの発光特性をさらに向上することができる。
【００６２】
なお、本実施の形態における基板としては、図１０に示すように欠陥集中領域５１が点状に分布している場合の他、図１１に示すように欠陥集中領域５１が上面１ａにおいて線状に分布しているものであってもよい。
【実施例１】
【００６３】
本実施例では、本発明例１の半導体レーザと比較例１の半導体レーザとの各々の発光特性を調べた。本発明例１の半導体レーザは以下の製造方法により製造された。
【００６４】
本発明例１：実施の形態１に示す製造方法に従って半導体レーザを製造した。始めに、貫通転位密度１×１０6ｃｍ-2未満の低欠陥領域と、線状に分布する欠陥集中領域とを有するｎ型ＧａＮ（０００１）基板を準備し、成膜装置内のサセプタ上に配置した。続いて、装置内圧力を３０ｋＰａにコントロールしながらアンモニアと水素とを導入し、基板を１０５０℃に加熱した状態で１０分間クリーニングを行なった。続いて、基板温度を１１００℃まで上昇させ、キャリアガスを主に水素として、トリメチルガリウム、トリメチルアルミニウム、アンモニア、およびモノシランを装置内に導入した。これにより、膜厚２μｍのｎ型ＡｌＧａＮクラッド層（Ａｌ組成３％）を成長した。次に基板温度を１１００℃に保ったまま、キャリアガスを主に水素として、トリメチルガリウムおよびアンモニアを装置内に導入し、膜厚３ｎｍのノンドープＧａＮ中間層を成長した。続いて層の成長を一旦中断し、基板温度を８００℃に低下させ、キャリアガスを主に窒素として、トリメチルガリウム、トリメチルインジウム、アンモニア、およびモノシランを装置内に導入した。これにより、膜厚５０ｎｍのＳｉドープＩｎＧａＮ緩衝層（Ｉｎ組成４％）を成長した。次に層の成長を一旦中断し、基板温度を８８０℃まで上昇させ、キャリアガスを主に窒素として、トリメチルガリウム、トリメチルインジウム、アンモニアを装置内に導入した。これにより、厚さ１５ｎｍのノンドープＩｎＧａＮ障壁層（Ｉｎ組成１％）を成長した。その後基板温度を８００℃に低下させ、キャリアガスを主に窒素として、トリメチルガリウム、トリメチルインジウム、およびアンモニアを装置内に導入した。これにより、膜厚３ｎｍのノンドープＩｎＧａＮ井戸層（Ｉｎ組成８％）を成長した。ノンドープＩｎＧａＮ障壁層を形成する工程とノンドープＩｎＧａＮ井戸層を形成する工程とを繰り返すことによって、３周期の量子井戸発光層を形成した。
【００６５】
次に層の成長を一旦中断し、基板温度を１０５０℃に上昇させた後、キャリアガスを主に水素として、トリメチルガリウムおよびアンモニアを装置内に導入した。これにより、膜厚１００ｎｍのノンドープＧａＮガイド層を成長した。続いてキャリアガスを主に水素として、トリメチルガリウム、トリメチルアルミニウム、アンモニア、およびシクロペンタジエニルマグネシウムを装置内に導入した。これにより、膜厚２０ｎｍのｐ型ＡｌＧａＮ電子ブロック層（Ａｌ組成１８％）を成長した。その後キャリアガスを主に水素として、トリメチルガリウム、トリメチルアルミニウム、アンモニア、およびシクロペンタジエニルマグネシウムを装置内に導入した。これにより、膜厚１５０ｎｍのｐ型ＡｌＧａＮクラッド層（Ａｌ組成７％）を成長した。次にキャリアガスを主に水素として、トリメチルガリウム、アンモニア、およびシクロペンタジエニルマグネシウムを装置内に導入した。これにより、膜厚５０ｎｍのｐ型ＧａＮコンタクト層を成長した。
【００６６】
その後、基板を成膜装置内から取り出し、ｐ型ＧａＮコンタクト層上に絶縁膜を形成した。続いて、エッチングによって絶縁膜に幅５μｍの開口部を開口し、Ｎｉ／Ａｕよりなるｐ電極を形成した。次に、ＧａＮ基板を減厚した後で基板の下面にｎ型電極を形成した。その後、長さ８００μｍのバー状にダイシングし、端面ミラーを形成した。以上の方法により図１の半導体レーザ（青紫色発光素子）を得た。
【００６７】
また、比較例１の半導体レーザは以下の製造方法により製造された。
比較例１：本発明例１の製造方法において、ノンドープＧａＮ中間層およびＳｉドープＩｎＧａＮ緩衝層を形成せずに、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層の上に直接量子井戸発光層を形成した。これ以外は本発明例１と同様の製造方法を用いて半導体レーザ（青紫色発光素子）を製造した。
【００６８】
このようにして得られた本発明例１の半導体レーザおよび比較例１の半導体レーザの各々に室温でパルス電流を印加したところ、レーザ発振が観測された。スロープ効率は本発明例１では１．０Ｗ／Ａであり、比較例１では０．６Ｗ／Ａであった。この結果から、本発明によれば発光特性を向上できることが分かる。
【実施例２】
【００６９】
本実施例では、本発明例２の発光ダイオードと比較例２の発光ダイオードとの各々の発光特性を調べた。本発明例２の発光ダイオードは以下の製造方法により製造された。
【００７０】
本発明例２：実施の形態３に示す製造方法に従って発光ダイオードを製造した。始めに、ｃ面サファイア基板を準備し、成膜装置内のサセプタ上に配置した。続いて、水素を装置内に導入しながら基板を１１００℃に加熱した状態で１０分間クリーニングを行なった。続いて、基板温度を５００℃に低下させ、キャリアガスを主に水素として、トリメチルガリウム、アンモニアを装置内に導入した。これにより、低温バッファ層を成長した。続いて層の成長を一旦中断し、基板温度を１１００℃まで上昇させ、キャリアガスを主に水素として、トリメチルガリウム、アンモニア、およびモノシランを導入した。これにより、膜厚５μｍのｎ型ＧａＮコンタクト層を成長した。次にキャリアガスを主に水素として、トリメチルガリウム、トリメチルアルミニウム、アンモニア、およびモノシランを装置内に導入した。これにより、膜厚６００ｎｍのｎ型ＡｌＧａＮクラッド層（Ａｌ組成７％）を成長した。次に、基板温度を１１００℃に保ったまま、キャリアガスを主に水素として、トリメチルガリウムおよびアンモニアを装置内に導入した。これにより、膜厚３ｎｍのノンドープＧａＮ中間層を成長した。続いて層の成長を一旦中断し、基板温度を８００℃に低下させ、キャリアガスを主に窒素として、トリメチルガリウム、トリメチルインジウム、アンモニア、およびモノシランを装置内に導入した。これにより、膜厚５０ｎｍのＳｉドープＩｎＧａＮ緩衝層（Ｉｎ組成４％）を成長した。その後層の成長を一旦中断し、基板温度を８８０℃まで上昇させ、キャリアガスを主に窒素として、トリメチルガリウム、トリメチルインジウム、およびアンモニアを装置内に導入した。これにより、膜厚１５ｎｍのノンドープＩｎＧａＮ障壁層（Ｉｎ組成１％）を成長した。その後基板温度を８００℃に低下させ、キャリアガスを主に窒素として、トリメチルガリウム、トリメチルインジウム、およびアンモニアを装置内に導入した。これにより、膜厚３ｎｍのノンドープＩｎＧａＮ井戸層（Ｉｎ組成８％）を成長した。ノンドープＩｎＧａＮ障壁層を形成する工程とノンドープＩｎＧａＮ井戸層を形成する工程とを繰り返すことによって、３周期の量子井戸発光層を形成した。
【００７１】
次に層の成長を一旦中断し、基板温度を１０５０℃に上昇させた後、キャリアガスを主に水素として、トリメチルガリウム、トリメチルアルミニウム、アンモニア、およびシクロペンタジエニルマグネシウムを装置内に導入した。これにより、膜厚２０ｎｍのｐ型ＡｌＧａＮ電子ブロック層（Ａｌ組成１８％）を成長した。続いてキャリアガスを主に水素として、トリメチルガリウム、アンモニア、およびシクロペンタジエニルマグネシウムを装置内に導入した。これにより、膜厚５０ｎｍのｐ型ＧａＮコンタクト層を成長した。
【００７２】
その後、基板を成膜装置内から取り出し、ｐ型ＧａＮコンタクト層上にＮｉ／Ａｕからなる４００μｍ角の半透明ｐ電極を形成した。続いて、反応性イオンエッチングによりｐ型ＧａＮコンタクト層、ｐ型ＡｌＧａＮ電子ブロック層、量子井戸発光層、ＳｉドープＩｎＧａＮ緩衝層、ノンドープＧａＮ中間層、およびｎ型ＡｌＧａＮクラッド層の各々の一部をエッチングした。これにより、ｎ型ＧａＮコンタクト層の一部を露出させた。そして、露出したｎ型ＧａＮコンタクト層上にｎ電極を形成した。その後、５００μｍ角にダイシングした。以上の方法により図６の発光ダイオード（青紫色発光素子）を得た。
【００７３】
比較例２：本発明例２の製造方法において、ノンドープＧａＮ中間層およびＳｉドープＩｎＧａＮ緩衝層を形成せずに、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層の上に直接量子井戸発光層を形成した。これ以外は本発明例２と同様の製造方法を用いて発光ダイオード（青紫色発光素子）を製造した。
【００７４】
このようにして得られた本発明例２の発光ダイオードおよび比較例２の発光ダイオードの各々に室温でパルス電流を印加したところ、発光が観測された。特に本発明例２では、図１２に示すようなスペクトルが得られた。図１３は、本発明の実施例２において得られた電流値と光出力との関係を示す図である。図１３においてＣに示す線は本発明例２で得られた線であり、Ｄに示す線は比較例２で得られた線である。図１３を参照して、本発明例２では比較例２に比べて、光出力が向上していることが分かる。具体的には、２０ｍＡの電流を印加した場合、比較例２では波長４０５ｎｍの光の光出力が０．３ｍＷであったのに対して、本発明例２では波長４０５ｎｍの光の光出力が３ｍＷであった。また２００ｍＡの電流を印加した場合、比較例２では波長４０５ｎｍの光の光出力が２２ｍＷであったのに対して、本発明例２では波長４０５ｎｍの光の光出力が３０ｍＷであった。さらに、本発明例２の発光ダイオードをエポキシ樹脂でモールドし、ランプを作製すると、２０ｍＡの電流を印加した場合、このランプでは波長４０５ｎｍの光の光出力が１５ｍＷであった。この結果から、本発明によれば発光特性を向上できることが分かる。
【実施例３】
【００７５】
本実施例では、ｎ型緩衝層におけるＩｎ組成の最適な範囲について調べた。具体的には、以下の製造方法により、ＳｉドープＩｎＧａＮ緩衝層のＩｎ組成を試料によって変えて製造した。始めに、ｃ面サファイア基板を準備し、成膜装置内のサセプタ上に配置した。続いて、水素を装置内に導入しながら基板を１１００℃に加熱した状態で１０分間クリーニングを行なった。続いて、基板温度を５００℃に低下させ、キャリアガスを主に水素として、トリメチルガリウム、アンモニアを装置内に導入した。これにより、低温バッファ層を成長した。続いて層の成長を一旦中断し、基板温度を１１００℃まで上昇させ、キャリアガスを主に水素として、トリメチルガリウム、アンモニア、およびモノシランを導入した。これにより、膜厚３μｍのｎ型ＧａＮコンタクト層を成長した。次にキャリアガスを主に水素として、トリメチルガリウム、トリメチルアルミニウム、アンモニア、およびモノシランを装置内に導入した。これにより、膜厚２μｍのｎ型ＡｌＧａＮクラッド層（Ａｌ組成７％）を成長した。次に、基板温度を１１００℃に保ったまま、キャリアガスを主に水素として、トリメチルガリウムおよびアンモニアを装置内に導入した。これにより、膜厚３ｎｍのノンドープＧａＮ中間層を成長した。続いて層の成長を一旦中断し、基板温度を８００℃に低下させ、キャリアガスを主に窒素として、トリメチルガリウム、トリメチルインジウム、アンモニア、およびモノシランを装置内に導入した。これにより、膜厚５０ｎｍのＳｉドープＩｎＧａＮ緩衝層を成長した。その後層の成長を一旦中断し、基板温度を８８０℃まで上昇させ、キャリアガスを主に窒素として、トリメチルガリウム、トリメチルインジウム、およびアンモニアを装置内に導入した。これにより、膜厚１５ｎｍのノンドープＩｎＧａＮ障壁層（Ｉｎ組成１％）を成長した。その後基板温度を８００℃に低下させ、キャリアガスを主に窒素として、トリメチルガリウム、トリメチルインジウム、およびアンモニアを装置内に導入した。これにより、膜厚３ｎｍのノンドープＩｎＧａＮ井戸層（Ｉｎ組成８％）を成長した。ノンドープＩｎＧａＮ障壁層を形成する工程とノンドープＩｎＧａＮ井戸層を形成する工程とを繰り返すことによって、３周期の量子井戸発光層を形成した。
【００７６】
次に層の成長を一旦中断し、基板温度を１０５０℃に上昇させた後、キャリアガスを主に水素として、トリメチルガリウムおよびアンモニアを装置内に導入した。これにより、膜厚１０ｎｍのノンドープＧａＮキャップ層を成長した。その後、アンモニアと水素とを装置内に導入しながら９０秒間保持し、基板を成膜装置内から取り出した。
【００７７】
このようにして得られた量子井戸構造に波長３２５ｎｍのＨｅ−Ｃｄレーザを照射し、量子井戸構造からのＰＬの強度を観測した。図１４は、本発明の実施例３におけるｎ型緩衝層のＩｎ組成とＰＬ強度との関係を示す図である。図１４を参照して、ｎ型緩衝層におけるＩｎ組成が０．０２以上である場合には、ＰＬ強度が飛躍的に向上することが分かる。一方、ＩＮ組成がＩｎ組成を０．５以下とすることでＩｎＧａＮの結晶の品質を向上することができる。以上により、ｎ型緩衝層におけるＩｎ組成は０．０２以上０．５以下であることが望ましい。
【実施例４】
【００７８】
本実施例では、ｎ型緩衝層の膜厚の最適な範囲について調べた。具体的には、実施例３とほぼ同様の製造方法を用いて量子井戸構造を製造した。但し、ＳｉドープＩｎＧａＮ緩衝層については、Ｉｎ組成を４％とし、試料によって膜厚を変えて形成した。
【００７９】
このようにして得られた量子井戸構造ついて、実施例３と同様の方法によりＰＬの強度を測定した。図１５は、本発明の実施例４におけるｎ型緩衝層の膜厚とＰＬ強度との関係を示す図である。図１５を参照して、ｎ型緩衝層の膜厚が８０ｎｍ以上１４０ｎｍ以下である場合には、ＰＬ強度が飛躍的に向上することが分かる。以上により、ｎ型緩衝層の膜厚は８０ｎｍ以上１４０ｎｍ以下であることが望ましい。
【００８０】
今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【符号の説明】
【００８１】
１  基板、１ａ  基板上面、１ｂ  基板下面、２  ｎ型クラッド層、３  ｎ型中間層、４  ｎ型緩衝層、５  量子井戸発光層、５ａ  障壁層、５ｂ  井戸層、６  ガイド層、７  ｐ型電子ブロック層、８  ｐ型クラッド層、９  ｐ型コンタクト層、１０  絶縁層、１０ａ  開口部、１１，１２  電極、２１  ｎ型コンタクト層、２１ａ  溝、２５  レジスト、３０  半導体レーザ、３１  発光ダイオード、５０  低欠陥領域、５１  欠陥集中領域。
【図１】
2011187993.tif 000003
【図２】
2011187993.tif 000004
【図３】
2011187993.tif 000005
【図４】
2011187993.tif 000006
【図５】
2011187993.tif 000007
【図６】
2011187993.tif 000008
【図７】
2011187993.tif 000009
【図８】
2011187993.tif 000010
【図９】
2011187993.tif 000011
【図１０】
2011187993.tif 000012
【図１１】
2011187993.tif 000013
【図１２】
2011187993.tif 000014
【図１３】
2011187993.tif 000015
【図１４】
2011187993.tif 000016
【図１５】
2011187993.tif 000017
【手続補正書】
【提出日】平成23年7月14日(2011.7.14)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００６】
本発明の一の局面に従う半導体発光素子は、第１導電型の略単一のＡｌ組成を有するＡｌＧａＮよりなるクラッド層と、クラッド層上に形成された、略単一のＩｎ組成を有するＩｎsＧａ1-sＮ（０≦ｓ＜１）よりなる中間層と、中間層上に形成された、略単一のＩｎ組成を有するＩｎtＧａ1-tＮ（０≦ｔ＜０．５）よりなる緩衝層と、緩衝層上に形成されたＩｎＧａＮよりなる量子井戸発光層と、量子井戸発光層上に形成されたガイド層と、ガイド層上に形成された電子ブロック層と、電子ブロック層上に形成されたクラッド層と、クラッド層上に形成されたコンタクト層とを備えている。量子井戸発光層はＩｎ濃度が相対的に高いＩｎuＧａ1-uＮ（０＜ｕ＜０．５）よりなる井戸層と、Ｉｎ濃度が相対的に低いＩｎvＧａ1-vＮ（０≦ｖ＜ｕ）よりなる障壁層とを有している。緩衝層のＩｎ濃度は中間層のＩｎ濃度よりも高く、かつ井戸層のＩｎ濃度は緩衝層のＩｎ濃度よりも高い。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００７】
本発明の他の局面に従う半導体発光素子は、第１導電型の略単一のＡｌ組成を有するＡｌＧａＮよりなるクラッド層と、クラッド層上に形成された、略単一のＡｌ組成を有するＡｌsＧａ1-sＮ（０≦ｓ＜１）よりなる中間層と、中間層上に形成された、略単一のＩｎ組成を有するＩｎtＧａ1-tＮ（０≦ｔ＜０．５）よりなる緩衝層と、緩衝層上に形成されたＩｎＧａＮよりなる量子井戸発光層と、量子井戸発光層上に形成されたガイド層と、ガイド層上に形成された電子ブロック層と、電子ブロック層上に形成されたクラッド層と、クラッド層上に形成されたコンタクト層とを備えている。量子井戸発光層はＩｎ濃度が相対的に高いＩｎuＧａ1-uＮ（０＜ｕ＜０．５）よりなる井戸層と、Ｉｎ濃度が相対的に低いＩｎvＧａ1-vＮ（０≦ｖ＜ｕ）よりなる障壁層とを有している。クラッド層のＡｌ濃度は中間層のＡｌ濃度よりも高く、かつ井戸層のＩｎ濃度は緩衝層のＩｎ濃度よりも高い。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１２】
これにより、低欠陥領域を発光領域とすることができ、半導体発光素子の発光特性をさらに向上することができる。
本発明の半導体発光素子において好ましくは、基板は導電性の基板であり、基板の一方の主面と反対側に位置する他方の主面上に形成された電極を備える。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１８】
本発明の一の局面に従う半導体発光素子の製造方法は、以下の工程を備えている。第１導電型の略単一のＡｌ組成を有するＡｌＧａＮよりなるクラッド層を形成する。略単一のＩｎ組成を有するＩｎsＧａ1-sＮ（０≦ｓ＜１）よりなる中間層をクラッド層上に形成する。略単一のＩｎ組成を有するＩｎtＧａ1-tＮ（０≦ｔ＜０．５）よりなる緩衝層を中間層上に形成する。ＩｎＧａＮよりなる量子井戸発光層を緩衝層上に形成する。ガイド層を量子井戸発光層上に形成する。電子ブロック層をガイド層上に形成する。クラッド層を電子ブロック層上に形成する。コンタクト層をクラッド層上に形成する。量子井戸発光層を形成する工程は、Ｉｎ濃度が相対的に高いＩｎuＧａ1-uＮ（０＜ｕ＜０．５）よりなる井戸層を形成する工程と、Ｉｎ濃度が相対的に低いＩｎvＧａ1-vＮ（０≦ｖ＜ｕ）よりなる障壁層を形成する工程とを含んでいる。緩衝層のＩｎ濃度は中間層のＩｎ濃度よりも高く、かつ井戸層のＩｎ濃度は緩衝層のＩｎ濃度よりも高い。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１９】
本発明の他の局面に従う半導体発光素子の製造方法は、以下の工程を備えている。第１導電型の略単一のＡｌ組成を有するＡｌＧａＮよりなるクラッド層を形成する。略単一のＡｌ組成を有するＡｌsＧａ1-sＮ（０≦ｓ＜１）よりなる中間層をクラッド層上に形成する。略単一のＩｎ組成を有するＩｎtＧａ1-tＮ（０≦ｔ＜０．５）よりなる緩衝層を中間層上に形成する。ＩｎＧａＮよりなる量子井戸発光層を緩衝層上に形成する。ガイド層を量子井戸発光層上に形成する。電子ブロック層をガイド層上に形成する。クラッド層を電子ブロック層上に形成する。コンタクト層をクラッド層上に形成する。量子井戸発光層を形成する工程は、Ｉｎ濃度が相対的に高いＩｎuＧａ1-uＮ（０＜ｕ＜０．５）よりなる井戸層を形成する工程と、Ｉｎ濃度が相対的に低いＩｎvＧａ1-vＮ（０≦ｖ＜ｕ）よりなる障壁層を形成する工程とを含んでいる。クラッド層のＡｌ濃度は中間層のＡｌ濃度よりも高く、かつ井戸層のＩｎ濃度は緩衝層のＩｎ濃度よりも高い。
【手続補正６】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１導電型の略単一のＡｌ組成を有するＡｌＧａＮよりなるクラッド層と、
前記クラッド層上に形成された、略単一のＩｎ組成を有するＩｎsＧａ1-sＮ（０≦ｓ＜１）よりなる中間層と、
前記中間層上に形成された、略単一のＩｎ組成を有するＩｎtＧａ1-tＮ（０≦ｔ＜０．５）よりなる緩衝層と、
前記緩衝層上に形成されたＩｎＧａＮよりなる量子井戸発光層と、
前記量子井戸発光層上に形成されたガイド層と、
前記ガイド層上に形成された電子ブロック層と、
前記電子ブロック層上に形成されたクラッド層と、
前記クラッド層上に形成されたコンタクト層とを備え、
前記量子井戸発光層はＩｎ濃度が相対的に高いＩｎuＧａ1-uＮ（０＜ｕ＜０．５）よりなる井戸層と、Ｉｎ濃度が相対的に低いＩｎvＧａ1-vＮ（０≦ｖ＜ｕ）よりなる障壁層とを有し、
前記緩衝層のＩｎ濃度は前記中間層のＩｎ濃度よりも高く、かつ前記井戸層のＩｎ濃度は前記緩衝層のＩｎ濃度よりも高いことを特徴とする、半導体発光素子。
【請求項２】
第１導電型の略単一のＡｌ組成を有するＡｌＧａＮよりなるクラッド層と、
前記クラッド層上に形成された、略単一のＡｌ組成を有するＡｌsＧａ1-sＮ（０≦ｓ＜１）よりなる中間層と、
前記中間層上に形成された、略単一のＩｎ組成を有するＩｎtＧａ1-tＮ（０≦ｔ＜０．５）よりなる緩衝層と、
前記緩衝層上に形成されたＩｎＧａＮよりなる量子井戸発光層と、
前記量子井戸発光層上に形成されたガイド層と、
前記ガイド層上に形成された電子ブロック層と、
前記電子ブロック層上に形成されたクラッド層と、
前記クラッド層上に形成されたコンタクト層とを備え、
前記量子井戸発光層はＩｎ濃度が相対的に高いＩｎuＧａ1-uＮ（０＜ｕ＜０．５）よりなる井戸層と、Ｉｎ濃度が相対的に低いＩｎvＧａ1-vＮ（０≦ｖ＜ｕ）よりなる障壁層とを有し、
前記クラッド層のＡｌ濃度は前記中間層のＡｌ濃度よりも高く、かつ前記井戸層のＩｎ濃度は前記緩衝層のＩｎ濃度よりも高いことを特徴とする、半導体発光素子。
【請求項３】
ＡｌwＧａ1-wＮ（０≦ｗ≦１）よりなる基板をさらに備え、
前記クラッド層は前記基板の一方の主面上に形成されることを特徴とする、請求項１または２に記載の半導体発光素子。
【請求項４】
前記基板が相対的に欠陥密度の低い低欠陥領域と、相対的に欠陥密度が高く、かつ前記一方の主面において点状または線状に分布する欠陥集中領域とを有することを特徴とする、請求項３に記載の半導体発光素子。
【請求項５】
前記基板は導電性の基板であり、
前記基板の前記一方の主面と反対側に位置する他方の主面上に形成された電極を備える、請求項３または４に記載の半導体発光素子。
【請求項６】
前記クラッド層が前記一方の主面に接して形成されることを特徴とする、請求項３〜５のいずれかに記載の半導体発光素子。
【請求項７】
前記緩衝層はＩｎtＧａ1-tＮ（０．０２≦ｔ≦０．５）よりなることを特徴とする、請求項１〜６のいずれかに記載の半導体発光素子。
【請求項８】
前記クラッド層はＡｌxＧａ1-xＮ（０＜ｘ≦０．０５）よりなることを特徴とする、請求項１〜７のいずれかに記載の半導体発光素子。
【請求項９】
前記緩衝層の膜厚は８０ｎｍ以上１４０ｎｍ以下であることを特徴とする、請求項１〜８のいずれかに記載の半導体発光素子。
【請求項１０】
第１導電型の略単一のＡｌ組成を有するＡｌＧａＮよりなるクラッド層を形成する工程と、
略単一のＩｎ組成を有するＩｎsＧａ1-sＮ（０≦ｓ＜１）よりなる中間層を前記クラッド層上に形成する工程と、
略単一のＩｎ組成を有するＩｎtＧａ1-tＮ（０≦ｔ＜０．５）よりなる緩衝層を前記中間層上に形成する工程と、
ＩｎＧａＮよりなる量子井戸発光層を前記緩衝層上に形成する工程と、
ガイド層を前記量子井戸発光層上に形成する工程と、
電子ブロック層を前記ガイド層上に形成する工程と、
クラッド層を前記電子ブロック層上に形成する工程と、
コンタクト層を前記クラッド層上に形成する工程とを備え、
前記量子井戸発光層を形成する工程は、Ｉｎ濃度が相対的に高いＩｎuＧａ1-uＮ（０＜ｕ＜０．５）よりなる井戸層を形成する工程と、Ｉｎ濃度が相対的に低いＩｎvＧａ1-vＮ（０≦ｖ＜ｕ）よりなる障壁層を形成する工程とを含み、
前記緩衝層のＩｎ濃度は前記中間層のＩｎ濃度よりも高く、かつ前記井戸層のＩｎ濃度は前記緩衝層のＩｎ濃度よりも高いことを特徴とする、半導体発光素子の製造方法。
【請求項１１】
第１導電型の略単一のＡｌ組成を有するＡｌＧａＮよりなるクラッド層を形成する工程と、
略単一のＡｌ組成を有するＡｌsＧａ1-sＮ（０≦ｓ＜１）よりなる中間層を前記クラッド層上に形成する工程と、
略単一のＩｎ組成を有するＩｎtＧａ1-tＮ（０≦ｔ＜０．５）よりなる緩衝層を前記中間層上に形成する工程と、
ＩｎＧａＮよりなる量子井戸発光層を前記緩衝層上に形成する工程と、
ガイド層を前記量子井戸発光層上に形成する工程と、
電子ブロック層を前記ガイド層上に形成する工程と、
クラッド層を前記電子ブロック層上に形成する工程と、
コンタクト層を前記クラッド層上に形成する工程とを備え、
前記量子井戸発光層を形成する工程は、Ｉｎ濃度が相対的に高いＩｎuＧａ1-uＮ（０＜ｕ＜０．５）よりなる井戸層を形成する工程と、Ｉｎ濃度が相対的に低いＩｎvＧａ1-vＮ（０≦ｖ＜ｕ）よりなる障壁層を形成する工程とを含み、
前記クラッド層のＡｌ濃度は前記中間層のＡｌ濃度よりも高く、かつ前記井戸層のＩｎ濃度は前記緩衝層のＩｎ濃度よりも高いことを特徴とする、半導体発光素子の製造方法。
【請求項１２】
前記井戸層は前記緩衝層を形成する際の温度以下の温度で形成され、前記障壁層は前記緩衝層を形成する際の温度以上の温度で形成されることを特徴とする、請求項１０または１１に記載の半導体発光素子の製造方法。
【請求項１３】
前記クラッド層は第１の温度で形成され、かつ前記中間層は第１の温度以下の温度である第２の温度で形成され、かつ前記緩衝層は前記第２の温度以下の温度である第３の温度で形成されることを特徴とする、請求項１０〜１２のいずれかに記載の半導体発光素子の製造方法。