(57)【要約】利得の高い活性層を安価な生産コストで簡単に得る。面発光型の半導体レーザの半導体結晶の積層構造２０において、符号２１はｎ型のＧａＮから成るｎ型コンタクト層であり、符号２４はｐ型のＡｌＧａＮから成るｐ型層である。この面発光型の半導体レーザでは、ＩｎＧａＮから成る活性層２３の上方及び下方にそれぞれ、ｎ型のＩｎＧａＮから成るｎ型ＤＢＲ層２２と誘電体から成るＤＢＲ層２５を積層することにより、ｚ軸に垂直な反射面が形成されている。即ち、活性層２３の上方及び下方にｚ軸に垂直な反射面をそれぞれ設けることで、共振器を構成する。ここで、この双方の反射面の間の光学的な距離は発光波長λの半整数倍にする。その結果、本発明により、面発光型の半導体レーザを従来よりも遥かに簡単に製造することが可能となる。
2007529107.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
III族窒化物系化合物半導体から成る半導体層を複数層積層することにより形成される半導体発光素子であって、
少なくともインジウム（Ｉｎ）を含む単層構造の半導体層から成る活性層を有し、
前記活性層のインジウム（Ｉｎ）の組成比ａは、０．０００１以上、０．０５以下であり、かつ、前記活性層の成長軸に平行なｚ軸方向において、略一定の周期Ｌで波形に変化し、
前記周期Ｌは、１ｎｍ以上１０ｎｍ以下の略一定値を有する
ことを特徴とする半導体発光素子。
【請求項２】
III族窒化物系化合物半導体から成る半導体層を複数層積層することにより形成される半導体発光素子であって、
単層構造の半導体層から成る活性層を有し、
前記活性層のインジウム（Ｉｎ）の組成比ａは、０．０００１以上、０．０５以下であり、かつ、前記活性層の成長軸に平行なｚ軸方向において、略一定の周期Ｌで波形に変化し、
前記周期Ｌは、ボーア半径Ｒの１倍以上６倍以下の略一定値を有する
ことを特徴とする半導体発光素子。
【請求項３】
前記周期Ｌは、２．４ｎｍ以上６．８ｎｍ以下の略一定値を有する
ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の半導体発光素子。
【請求項４】
前記組成比ａは、０．０１０以上、０．０４０以下である
ことを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れか１項に記載の半導体発光素子。
【請求項５】
前記組成比ａの前記ｚ軸方向の勾配∂ａ／∂ｚは、
殆ど至る所で０．０１ｎｍ-1以下である
ことを特徴とする請求項１乃至請求項４の何れか１項に記載の半導体発光素子。
【請求項６】
面発光型の半導体レーザであって、
前記活性層の上方及び下方に、前記ｚ軸に垂直な反射面をそれぞれ有し、
双方の前記反射面の間の光学的な距離ΔＺは、発振波長λの半分（λ／２）の整数倍である
ことを特徴とする請求項１乃至請求項５の何れか１項に記載の半導体発光素子。
【請求項７】
前記整数は、１以上１０以下である
ことを特徴とする請求項６に記載の半導体発光素子。
【請求項８】
請求項１乃至請求項６の何れか１項に記載の半導体発光素子の製造方法であって、
前記活性層が成長する結晶成長面に対する、単位時間当たりのインジウム（Ｉｎ）材料ガスの供給量を、１０秒以上６分以下の範囲内の略一定の時間周期で変化させる
ことを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
【請求項９】
請求項１乃至請求項８の何れか１項に記載の半導体発光素子の製造方法であって、
前記時間周期を３０秒以上２分以下の範囲内の略一定の値にする
ことを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
【請求項１０】
前記活性層は室温での電子密度が１×１０16/cm3〜１×１０18/cm3 となる範囲でドナー不純物が添加されていることを特徴とする請求項１乃至請求項７の何れか１項に記載の半導体発光素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、活性層が単層構造の半導体発光素子に関する。
【０００２】
本発明は、発光ダイオード（ＬＥＤ）などの半導体発光素子の他、半導体受光素子にも適用することができる。
【背景技術】
【０００３】
面発光型の半導体レーザとしては、例えば下記の特許文献１に記載されている素子などが公知である。この面発光型の半導体レーザには、高い利得を得るために、ＭＱＷ構造の活性層が備えられている。
【０００４】
もちろん、発光ダイオード（ＬＥＤ）や端面発光型の半導体レーザなどにおいても、ＭＱＷ構造の活性層が備えられているものは少なくない。図６は下記の特許文献２に記載されている端面発光型の半導体レーザの模式的な斜視図を抜粋したものであるが、例えばこの様なＭＱＷ構造の活性層は、現在、多くの半導体発光素子に用いられている。
【特許文献１】特開平１１−４６０３８
【特許文献２】特開２００１−１６０６２７
【非特許文献１】C.F.Klingshirn,"Semiconductor Optics",第１９章
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、ＭＱＷ構造の活性層には、以下の問題がある。
（１）構造が複雑なので、活性層の設計が容易でない。
【０００６】
特に、面発光型の半導体レーザの場合、例えばＤＢＲ（分布ブラッグ反射器）などで形成される２面の反射面の光学的な距離は、発振波長λの半分の整数倍に成る様に、各部の屈折率を加味しながら設計しなければならない。したがって、このような設計は、活性層の構造が複雑になるほど複雑になる。
（２）構造が複雑なので、製造工程が複雑となる。
【０００７】
特に、井戸層とバリア層の界面では、エネルギー準位のギャップ（勾配）ができるだけ急峻であることが望ましい。そのような構造を形成するためには、半導体結晶の成長層を次に積層すべき層に変更する際に、次層の結晶成長に当たって不要となる材料ガスを一端きれいに排気しなければならない。また、井戸層とバリア層の結晶成長温度に合わせて装置の温度を各層毎に調節したり、或いは昇温中に井戸層が揮発しないようにキャップ層を積層する工程を更に導入したりする等の必要も生じる。
【０００８】
このため、従来技術では、無駄な材料の発生が多く、結晶成長に必要となる時間も長くならざるを得ない。即ち、ＭＱＷ構造は、材料、コストや生産効率などの面で、必ずしも望ましい活性層の構造とはいえない。特に、この問題は、井戸層の積層数が大きくなるほど表面化又は顕在化する。したがって、従来技術では、高い利得の活性層を簡単に安く得ることは到底困難である。
【０００９】
本発明は、上記の課題を解決するために成されたものであり、その目的は、利得の高い活性層を安価な生産コストで簡単に得ることにより、半導体発光素子の生産コストを抑制することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記の課題を解決するためには、以下の手段が有効である。
【００１１】
即ち、本発明の第１の特徴は、 III族窒化物系化合物半導体から成る半導体層を複数層積層することにより形成される半導体発光素子において、少なくともインジウム（Ｉｎ）を含む単層構造の半導体層から成る活性層を設け、この活性層のインジウム（Ｉｎ）の組成比ａを、０．０００１以上、０．０５以下にして、かつ、組成比ａを活性層の成長軸に平行なｚ軸方向において一定の周期Ｌで波形に変化させ、更にその周期Ｌを１ｎｍ以上１０ｎｍ以下の略一定値にすることである。
【００１２】
ただし、ここで言う「 III族窒化物系化合物半導体」一般には、２元、３元、又は４元の「Ａｌ1-x-y Ｇａy Ｉｎx Ｎ；０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１，０≦１−ｘ−ｙ≦１」から成る一般式で表される任意の混晶比の半導体が含まれる。更に、ｐ型或いはｎ型の不純物が添加された半導体もまた、これらの「 III族窒化物系化合物半導体」の範疇である。
【００１３】
また、上記の III族元素（Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎ）の内の少なくとも一部をボロン（Ｂ）やタリウム（Ｔｌ）で置換したり、或いは、窒素（Ｎ）の少なくとも一部をリン（Ｐ）、砒素（Ａｓ）、アンチモン（Ｓｂ）、ビスマス（Ｂｉ）で置換したりした半導体等をもまた、これらの「 III族窒化物系化合物半導体」の範疇とする。
【００１４】
また、添加可能な上記のｐ型のドーパントの一例には、マグネシウム（Ｍｇ）や、カルシウム（Ｃａ）が含まれる。
【００１５】
また、添加可能な上記のｎ型のドーパントの一例には、シリコン（Ｓｉ）や、硫黄（Ｓ）、セレン（Ｓｅ）、テルル（Ｔｅ）、或いはゲルマニウム（Ｇｅ）が含まれる。
【００１６】
また、これらのドーパントには、同時に２元素以上を用いても良いし、同時にｎ型ドーパントとｐ型ドーパントとを用いても良い。
【００１７】
基板上に結晶成長させる半導体結晶の結晶成長方法としては、ＭＯＶＰＥ法、ＨＶＰＥ法、ＭＢＥ法などを用いることができる。
【００１８】
また、本発明の第２の特徴は、 III族窒化物系化合物半導体から成る半導体層を複数層積層することにより形成される半導体発光素子において、少なくともインジウム（Ｉｎ）を含む単層構造の半導体層から成る活性層を設け、この活性層のインジウム（Ｉｎ）の組成比ａを、０．０００１以上、０．０５以下にして、かつ、組成比ａを活性層の成長軸に平行なｚ軸方向において一定の周期Ｌで波形に変化させ、更にその周期Ｌをボーア半径Ｒの１倍以上６倍以下の略一定値にすることである。
【００１９】
ただし、 III族窒化物系化合物半導体の組成、不純物、結晶成長方法などに付いては、上記の第１の特徴と同様でよい。
【００２０】
また、この周期Ｌのより望ましい適正範囲は、ボーア半径Ｒの１倍以上４倍以下である。ただし、上記のボーア半径Ｒは、次式（１）で算定されるものとする。
（ボーア半径）
Ｒ  ＝  ２π2 ｅ4 ／ｈ2 ε2 Ｍ，
１／Ｍ≡  １／ｍe *   ＋  １／ｍh *                                 …（１）
（記号）
ｍe * ：電子の有効質量
ｍh * ：正孔の有効質量
ｅ  ：電気素量
ｈ  ：プランク定数
ε  ：活性層の平均誘電率
π  ：円周率
ここで、誘電率εや各有効質量（ｍe * ，ｍh * ）は、方向依存性を持つ場合もあるが、そのような場合には、上記のｚ軸方向（：成長軸方向）の値を考えれば良い。
【００２１】
例えば、窒化ガリウム（ＧａＮ）の場合、誘電率ε、電子の有効質量ｍe * 、正孔の有効質量ｍh * の各物性定数は、それぞれ以下の式（２）の通りである。
ε＝５．４，
ｍe * ＝０．２０ｍ0 ，
ｍh * ＝１．４ｍ0           （ｍ0 ：電子の静止質量）                …（２）
また、本発明の第３の特徴は、上記の第１又は第２の特徴において、周期Ｌを２．４ｎｍ以上６．８ｎｍ以下の略一定値にすることである。
【００２２】
より望ましくは、約２．９ｎｍ〜６．０ｎｍ程度が良い。
【００２３】
また、本発明の第４の特徴は、上記の第１乃至第３の何れか１つの特徴において、上記の組成比ａを０．０１０以上、０．０４０以下にすることである。
【００２４】
より望ましくは、約０．０２〜０．０３程度が良い。
【００２５】
また、本発明の第５の特徴は、上記の第１乃至第４の何れか１つの特徴において、上記の組成比ａのｚ軸方向の勾配∂ａ／∂ｚを殆ど至る所で０．０１ｎｍ-1以下にすることである。
【００２６】
また、本発明の第６の特徴は、上記の第１乃至第５の何れか１つの特徴で製造される面発光型の半導体レーザにおいて、活性層の上方及び下方にｚ軸に垂直な反射面をそれぞれ設け、この双方の反射面の間の光学的な距離ΔＺを発振波長λの半分（λ／２）の整数倍にすることである。
【００２７】
ただし、ここで言う「発振波長λ」とは、レーザ発振により出力される光の真空中での波長のことである。また、「光学的な距離ΔＺ」とは、光の共振領域のｚ軸方向において、次式（３）に従って定義される長さのことを言う。この式（３）の右辺は定積分であり、勿論、その積分範囲は各反射面の位置座標で規定する。また、関数ｎ（ｚ，λ）は各座標ｚでの半導体結晶の屈折率であり、その関数値ｎは、勿論、座標ｚだけでなく、発振波長λにも依存する。
【００２８】
ΔＺ≡∫ｎ（ｚ，λ）ｄｚ                                            …（３）
また、本発明の第７の特徴は、上記の第６の特徴において、上記の整数の値を１以上、１０以下にすることである。
【００２９】
また、本発明の第８の特徴は、上記の第１乃至第７の何れか１つの特徴で製造される半導体発光素子の製造工程において、活性層が成長する結晶成長面に対する単位時間当たりのインジウム（Ｉｎ）材料ガスの供給量を、１０秒以上６分以下の範囲内の略一定の時間周期で変化させることである。
【００３０】
また、本発明の第９の特徴は、上記の第８の特徴において、上記の時間周期を３０秒以上２分以下の範囲内の略一定の値にすることである。
【００３１】
また、本発明の第１０の特徴は、上記の第１乃至第７の特徴において、活性層は室温での電子密度が１×１０16/cm3〜１×１０18/cm3 となる範囲でドナー不純物が添加されていることを特徴とする半導体発光素子である。
ドナー不純物としては、シリコンが望ましい。また、活性層の室温での電子濃度のさらに望ましい範囲は、５．０×１０16/cm3〜５．０×１０17/cm3 である。
以上の本発明の手段により、前記の課題を効果的、或いは合理的に解決することができる。
【発明の効果】
【００３２】
以上の本発明の手段によって得られる効果は以下の通りである。
【００３３】
まず、本発明の第１の特徴と第２の特徴であるが、今のところ、我々はこの２つの特徴が略同等の特徴ではないかと考えており、これらの特徴によれば、高い利得の活性層を従来よりも遥かに簡単に製造することができる。この利得は、上記の活性層を用いて構成される半導体発光素子の構造によっては、誘導放出やレーザ発振を安定して継続的に引き起こすことができる程に十分に高いものである。
【００３４】
上記の周期Ｌを１ｎｍ以上１０ｎｍ以下の略一定値にすることにより高い利得が得られるのは、その設定により、上記の周期Ｌが活性層の中の電子正孔対が有するボーア半径Ｒに略一致するためだと考えられる。
【００３５】
この誘導放出は、例えば後述の図３−Ａ，Ｂにも例示される様に、自然放出光の発光より長波長側（低エネルギー側）で発生している。例えば図３−Ａ，Ｂの場合では、発光出力のピークの位置が、注入キャリア量Ｉの増大に伴って、基準値Ｉ0 に対してキャリア量Ｉが０．１Ｉ0 〜０．２Ｉ0 程度と成る辺りを境にして、約６ｎｍ程長波長側にシフトしている。この様な発光機構としては、以下の様な過程が考えられる。
（発光機構）
活性層中で形成された電子正孔対（励起子ＥＸ）が他の励起子（ＥＸ）と衝突し、その後、一つの励起子が高エネルギー側の量子数２以上の励起子状態（ＥＸ* ）に散乱され、他方の励起子は低エネルギー側の光分枝に散乱されて光に変換される現象（ＥＸ＋ＥＸ→ＥＸ* ＋光子）がある。このような現象は、励起子−励起子散乱によるＰ発光過程と呼ばれ、例えば上記の非特許文献１に開示されているように、 III族窒化物系化合物半導体ではない他の半導体において、かつて光励起条件下において観測された例がある。
また、励起子−励起子散乱に加えて、電子−励起子散乱も誘導放出過程に有効に寄与している。すなわち、誘導放出発生機構に活性層中の電子密度依存性が存在する。我々は、活性層中の電子密度が約、５．０×１０16cm-3以上において、電子−励起子散乱に起因する誘導放出過程も、励起子−励起子散乱過程による誘導放出に重畳して発生することを確認した。
したがって、活性層にｎ型不純物を添加して、室温において、電子密度を５．０×１０16cm-3以上とすることが望ましい。このようにすることで、閾値をさらに１０％程低下させることができた。活性層の不純物濃度が高すぎると、不純物原子での散乱が生じるので望ましくない。電子濃度が１×１０16/cm3〜１×１０18/cm3 となる範囲にドナー不純物、例えば、シリコンを添加するのが望ましい。さらに、活性層の室温での電子濃度のさらに望ましい範囲は、５．０×１０16/cm3〜１×１０18/cm3 、さらに、望ましくは、５．０×１０16/cm3〜５．０×１０17/cm3 である。これらの範囲の時に、活性層に不純物を添加しない電子濃度が１×１０16/cm3や１×１０15/cm3よりも低い場合に比べて、発振閾値をさらに１０％程低下できることを確認した。
【００３６】
我々は、この様な発光機構が、本発明の第１又は第２の特徴により、 III族窒化物系化合物半導体に対する電流注入条件下においても、非常に効率よく実現できるものと考えている。また、この場合、理論的には少なくとも２つの励起子が上記の過程を経れば誘導放出に必要な利得を得ることができることは、上記の非特許文献１からも十分類推可能な事情である。
【００３７】
言い換えれば、活性層中で適度に励起子を局在化させれば、励起子がまったく自由に移動できる場合よりも上記の散乱の発生効率は向上すると考えられ、かつ、本発明の第１又は第２の特徴は、この励起子の局在状態を非常に理想的な状態に導くものだと考えることができる。
【００３８】
したがって、本発明の第１又は第２の特徴によれば、単純な構造の活性層を用いて高い利得を獲得でき、例えば半導体レーザの場合、活性層に適度のＩｎを含めるだけで、非常に低閾値電圧の半導体レーザを製造することができる。
【００３９】
また、本発明の第３の特徴によれば、活性層を不純物が無添加のＩｎＧａＮまたはＡｌＩｎＧａＮから形成する場合等に、上記の周期Ｌを励起子半径Ｒに略一致させることができるので、上記の作用・効果をより確実に得ることができる。
【００４０】
また、本発明の第４の特徴によれば、発光効率の高い活性層を厚く形成することができ有利である。この値を大きくし過ぎると、活性層を厚くした時に、素子内に生じる応力が大きくなり過ぎて、素子の品質上望ましくない。また、この値を小さくし過ぎると、発光効率が下がってしまうことは言うまでもない。
【００４１】
例えば、５００ｎｍ以上の活性層を成長させる場合には、インジウム（Ｉｎ）の組成比ａは２％辺りを限度とし、それ以上組成比ａを大きくすると、素子にクラック等の不具合が生じたり、素子の寿命が短くなったりする恐れが大きくなる。
【００４２】
また、本発明の第５の特徴によれば、活性層からの出力光のスペクトルの半値幅をある程度小さくすることができる。
【００４３】
また、本発明の第６の特徴によれば、共振方向の構造を極めて簡単にできるので、従来よりも容易に面発光型の半導体レーザを設計したり製造したりすることができる。
【００４４】
この時の鏡面間の光学的な距離ΔＺは発振波長λの半分（λ／２）の１倍から１０倍程度が良い（本発明の第７の特徴）。１倍未満ではｚ軸方向の共振構造が形成できないことは言うまでもないが、この光学的な距離ΔＺが長過ぎると、活性層を厚く積層することにより、素子内に発生する応力が大きくなり過ぎて、クラックや歪みの原因となり易く、十分な品質が確保し難くなる場合が多くなる。
【００４５】
また、本発明の第８の特徴によれば、インジウム（Ｉｎ）の材料ガスの供給量の調節だけで、上記の活性層を良質かつ簡単に製造することができる。
【００４６】
インジウム（Ｉｎ）の組成比を変化させるには、インジウム（Ｉｎ）の材料ガスの、他の材料ガスに対する相対的な供給量の比を変化させれば良い。勿論、他の材料ガスの供給量を制御パラメータとしても、上記の活性層を良質に製造可能なことは、言うまでもない。
【００４７】
また、本発明の第９の特徴によれば、活性層の結晶品質を高く確保しつつ、かつ、短い結晶成長時間（：高い生産性）を獲得することができる。
また、本発明の第１０の特徴によれば、高利得を得ることができ、しきい値電圧を低減することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４８】
以下、本発明を具体的な実施例に基づいて説明する。
【００４９】
ただし、本発明の実施形態は、以下に示す個々の実施例に限定されるものではない。
【実施例１】
【００５０】
図１は、本発明の半導体発光素子（端面発光型の半導体レーザ）の活性層を中心とする半導体結晶の積層構造１０を例示する模式的な断面図である。
【００５１】
シリコン（Ｓｉ）ドープのｎ型の窒化ガリウム（ＧａＮ）から成るｎ型層１１のキャリア濃度は、約１０19ｃｍ-3である。この上に結晶成長させたノンドープの活性層１２は、インジウムの組成比ａが０．０２のＩｎＧａＮから形成されており、その膜厚は約２００ｎｍである。活性層１２の上には、マグネシウム（Ｍｇ）ドープのｐ型のＡｌＧａＮから成るｐ型クラッド層１３と、同じくマグネシウム（Ｍｇ）ドープのｐ型のＡｌＧａＮから成るｐ型コンタクト層１４とが順次結晶成長により積層されている。ｐ型コンタクト層１４のアルミニウム（Ａｌ）組成比はｐ型クラッド層１３のそれよりも小さい。ただし、ｐ型コンタクト層１４はアルミニウムを含んでいなくとも良い。
【００５２】
上記の活性層１２は、以下の様な結晶成長により製造した。
【００５３】
温度を６５０℃に保持し、ｎ型層１１の結晶成長面にＭＯＶＰＥ法により、平均成長速度５ｎｍ／分で、４０分間結晶成長を継続することにより、インジウム（Ｉｎ）の平均の組成比が約０．０２のＩｎＧａＮを約２００ｎｍ結晶成長させた。
【００５４】
このとき、原料にはトリメチルガリウム（ＴＭＧ：Ga(CH3)3）、トリメチルインジウム（ＴＭＩ：In(CH3)3）、及びアンモニア（NH3）を用い、また、フローガスにはＮ2 を使用した。
【００５５】
この時、単位時間当たりのＴＭＩ供給量を図２の様に制御した。図２は、活性層１２の結晶成長時のＴＭＩ供給方法を示すグラフである。
【００５６】
ここで注意すべきことは、変化させるＴＭＩ供給量の振幅（≡（ｂMAX −ｂMIN ）／２）と、時間周期Δｔである。この振幅が大きすぎると出力スペクトルの半値幅が大きくなり、また、この振幅が小さすぎれば励起子をエネルギー帯の谷に拘束し難くなる。そこで、上記の活性層１２の結晶成長においては、単位時間当たりのＴＭＩ供給量の最大値ｂMAX を８μｍｏｌ／分とし、最小値ｂMIN を７μｍｏｌ／分とした。
【００５７】
また、時間周期Δｔは、成長軸に平行なｚ軸方向において略一定の周期Ｌで活性層１２のインジウム組成比ａを振動させる際の周期Ｌを決定するパラメータになる。
【００５８】
前述の通り、ｚ軸方向の組成比ａの周期Ｌは、式（１）のボーア半径Ｒに一致させれば良い。この値Ｒは、以下のインジウム組成比ａが０．０２のＩｎＧａＮの物性定数を式（１）に代入することにより求めることができる。
（ＩｎＧａＮの物性定数）
ａ＝０．０２（平均値），
ε＝８．９１（平均値），
ｍe * ＝０．１９ｍ0 ，
ｍh * ＝１．４ｍ0             （ｍ0 ：電子の静止質量）              …（４）
式（４）を式（１）に代入するこの計算により、活性層１２内におけるボーア半径Ｒは２．８２ｎｍとなる。この長さを前述の周期Ｌと一致させるためには、上記の平均成長速度（５ｎｍ／分）から、図２の時間周期Δｔは３４秒程度で良いことが判る。この様な周期で単位時間当たりのＴＭＩ供給量ｂを制御して結晶成長を継続することにより、インジウム組成比ａが局所的かつ周期的に濃淡を有する活性層１２を成長することができる。この時この活性層１２は、上記のようにその膜厚を約２００ｎｍとすれば、インジウム組成比ａの濃淡周期を約７１周期含むことになる。
【００５９】
ただし、この時間周期Δｔは、例えば４０秒程度でも良い。この時には、上記の平均成長速度（５ｎｍ／分）から、上記の周期Ｌは３．３ｎｍ程度になり、また、この時この活性層１２は、上記のようにその膜厚を２００ｎｍとすれば、インジウム組成比ａの濃淡周期を６０周期含むことになる。
【００６０】
即ち、その時の活性層１２においては、ｚ軸方向（成長軸方向）にＬ＝３．３ｎｍ程度の略一定の周期で、インジウム組成比ａの濃淡が、平均値（例：０．０２）を中心として略正弦波状に繰り返される。また、この濃淡の振幅は上記の単位時間当たりのＴＭＩ供給量の振幅（≡（ｂMAX −ｂMIN ）／２）に略比例する形に形成される。
【００６１】
前にも述べた様に、シリコン（Ｓｉ）ドープのｎ型の窒化ガリウム（ＧａＮ）から成るｎ型層１１のキャリア濃度は、約１０19ｃｍ-3である。以下、このキャリア濃度をもたらす注入キャリア量をＩ0 とする。
【００６２】
図３−Ａ，Ｂは、上記の積層構造を有する端面発光型の半導体レーザの出力特性を例示するグラフである。ただし、その端面発光型の半導体レーザの構成は、以上の半導体結晶の積層構造１０（図１）以外の部分については、特許文献２（図６）に習って従来通りとした。即ち、共振器の大きさ、形、電極の材料や配置等のその他の細部の構成については、極力従来通りとした。
【００６３】
これらのグラフは、注入キャリア量Ｉの減少に伴って、発光強度が小さくなることを示しているが、上記の基準値Ｉ0 に対してキャリア量Ｉが０．１Ｉ0 〜０．２Ｉ0 程度と成る辺りを境として、注入キャリア量Ｉが大きな領域では、注入キャリア量Ｉと発光強度との関係が非線形になっている。
【００６４】
図３−Ａでは、注入キャリア量Ｉが０．２Ｉ0 を超えると、発光強度はＩの２〜３乗に比例する形をとっている。また、Ｉ＝Ｉ0 では明確な発光の狭線化が起こっている。これらの現象は、活性層１２内において誘導放出が起こっていることを意味するものと考えられる。この発光強度の増大は、１０19ｃｍ-3程度のキャリア濃度まで観測される。その後は、利得飽和が生じて若干強度勾配が緩やかになる。
【００６５】
また、図２においてｂMAX ≒ｂMIN とし、上記の活性層１２が有するインジウム組成比ａ（平均値）を上記と同じにして、比較対象とすべき他の半導体レーザを別途作製した。そして、この単層の活性層を持つ従来の端面発光型の半導体レーザの出力特性と、上記の実施例１の端面発光型の半導体レーザの出力特性とを比較した結果、実施例１の半導体レーザが、従来の半導体レーザの約７０％の閾値キャリア密度で同様にレーザ発振することが確認できた。
【００６６】
以上の実験結果から、次のことが結論できる。
（１）ｚ軸方向のインジウム組成比ａの濃淡の周期Ｌは、ボーア半径Ｒ程度（１倍〜４倍程度）にしておくことが望ましいと考えられる。
（２）これらの構成により、活性層１２の結晶成長工程では、例えば図２に例示する様に、単位時間当たりのＴＭＩのガス供給量を制御することにより、単層構造の活性層を成長させる１つの結晶成長工程だけで、利得の高い活性層を製造することができる。
（３）このため、半導体発光素子の生産性を大幅に向上させることができる。
【実施例２】
【００６７】
図４は、本発明の活性層を有する面発光型の半導体レーザの半導体結晶の積層構造２０を例示する模式的な断面図である。符号２１はｎ型のＧａＮから成るｎ型コンタクト層であり、符号２４はｐ型のＡｌＧａＮから成るｐ型層である。
【００６８】
この面発光型の半導体レーザでは、ＩｎＧａＮ（Ｉｎ組成比ａ＝０．０２）から成る活性層２３の上方及び下方にそれぞれ、ｎ型のＩｎＧａＮから成るｎ型ＤＢＲ層２２と誘電体から成るＤＢＲ層２５を積層することにより、ｚ軸に垂直な反射面が形成されている。即ち、活性層２３の上方及び下方にｚ軸に垂直な反射面をそれぞれ設けることで、共振器を構成する。
【００６９】
ここで、この双方の反射面の間の光学的な距離ΔＺ（≡∫ｎ（ｚ，λ）ｄｚ）は発振波長λの半分（λ／２）の整数倍にする。この整数の値としては、１以上１０以下程度が良い。ただし、「光学的な距離ΔＺ」とは、光の共振領域のｚ軸方向において、前述の式（３）に従って定義される長さのことである。
【００７０】
活性層２３は、第１実施例の活性層１２と同一に形成される。すなわち、活性層２３のインジウム（Ｉｎ）の組成比ａは、活性層２３の結晶成長軸に平行に方向に、一定周期Ｌの波形で変化している。
その他の各部の構成については、周知の一般的な面発光型の半導体レーザの構成に従えば良い。例えば、この様な構成により、面発光型の半導体レーザを従来よりも遥かに簡単に製造することが可能となる。
【００７１】
活性層２３の上下双方には、高いエネルギーギャップを有するクラッド層等を形成しておくことが望ましい。この様な構成は、キャリア閉じ込め作用や光閉じ込め作用を奏するので、この様な構成によれば、面発光型の高効率或いは高出力の半導体レーザを製造することができる。
【実施例３】
【００７２】
図５は、ＡｌＩｎＧａＮから成る本発明の活性層３２を中心とする半導体結晶の積層構造３０を例示する模式的な断面図である。この構成（積層構造３０）は、図１の構成の変形例に相当する。即ち、この構成は、端面発光型の半導体レーザ等に対して応用可能である。ここでは、インジウム組成比ａは実施例１（図１）と同等に維持し、更に発振波長λを短くするために、活性層３２にアルミニウム（Ａｌ）を加え、その分ガリウム（Ｇａ）の組成比を小さくする。
【００７３】
符号３１は窒化ガリウム（ＧａＮ）から成るｎ型コンタクト層、符号３３は、ＭｇドープのＡｌＧａＮから成るｐ型クラッド層、符号３４はＭｇドープのＡｌＧａＮから成るｐ型コンタクト層である。
【００７４】
この様に、インジウム組成比ａを前述の実施例１と同様に高く維持するのは、励起子の局在化を促進するためである。例えばこの様に、インジウム組成比ａを高く維持することにより、励起子の局在化が促進される作用は、上記の特許文献２からも十分類推可能な事情である。
【００７５】
この手法によれば、活性層３２にアルミニウムを適度に混晶させることにより、近紫外等の波長の短い半導体レーザや発光ダイオード（ＬＥＤ）を製造することも可能である。半導体発光素子に蛍光体を利用する場合などには、蛍光体における励起作用を促進すくために、出力波長が短い発光素子は有利なので、この様な構成も産業上の利用価値は大きいと言える。  
【００７６】
上記の第１実施例、第２実施例、第３実施例において、活性層１２、活性層２３、活性層３２は、意図的に不純物が添加されていないが、それらの３つの実施例の全てにおいて、活性層１２、活性層２３、活性層３２に、シリコンを添加して、室温での電子濃度を５．０×１０16/cm 3 〜１×１０18/cm 3 として、発光素子を製造した。
この場合には、励起子−励起子散乱に加えて、電子−励起子散乱も誘導放出過程に有効に寄与していることが分かった。すなわち、誘導放出発生機構に活性層中の電子密度依存性が存在する。活性層中の電子密度が上記の範囲の場合に、電子−励起子散乱に起因する誘導放出過程も、励起子−励起子散乱過程による誘導放出に重畳して発生することを確認した。活性層の電子濃度がこの範囲の場合には、発振閾値をノンドープの場合に比べてさらに１０％程低下させることができた。
【産業上の利用可能性】
【００７７】
本発明は、面発光型や端面発光型等の半導体レーザだけでなく、ＬＥＤ等のその他の各種の半導体発光素子にも有用である。
【００７８】
また、本発明は、半導体発光素子のみならず、半導体受光素子にも有用である。
本出願は、２００３年８月２１日出願の日本国特許出願２００３−２９７６８２に基づく出願であり、その出願の全ての内容を含むものである。
【図面の簡単な説明】
【００７９】
【図１】本発明の活性層を中心とする半導体結晶の積層構造を例示する模式的な断面図
【図２】活性層成長時のＴＭＩ供給方法を示すグラフ
【図３−Ａ】図１の積層構造を有する端面発光型の半導体レーザの出力特性を例示するグラフ
【図３−Ｂ】図１の積層構造を有する端面発光型の半導体レーザの出力特性を例示するグラフ
【図４】本発明の活性層を有する面発光型の半導体レーザの半導体結晶の積層構造を例示する模式的な断面図
【図５】本発明の活性層を中心とする半導体結晶の積層構造（図１の変形例）を例示する模式的な断面図
【図６】従来の端面発光型の半導体レーザの模式的な斜視図
【図１】
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【図２】
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【図３−Ａ】
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【図３−Ｂ】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【国際調査報告】
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